Физико-химические основы процессов затвердевания. Основные модели роста кристаллов. Виды эпитаксии

Кристаллизация – фазовое превращения 1-го рода.

Движущая сила – уменьшение свободной энергии.

Кристаллизация происходит только переохлаждении или пресыщения, т.е. в метастабильном состоянии, при этом кристаллизация не протекает однородно во всем объеме. Вначале в различных местах зарождается центры, которые растут за счет теплопередачи и массопередачи.

Механизм: 1. гомогенный, если в исходной фазе отсутствует посторонние тв. вещества (примеси).

2. гетерогенный, если примеси есть.

Флуктуации плотности могут привести к изменению фазового состояния. Говорят о гетерофазных флуктуациях. Когда нет превращений, то гомофазных флуктуациях. Зародыш появляется тогда, когда его свободная энергия меньше, чем в исходном состоянии.

Кристаллизация расплава происходит при фиксированной Т и свойства меняется скачкообразно. Примеси влияют на процесс гетерогенного зародышеобразования, т.к. они уменьшают свободную поверхностную энергию.

Существенную роль играют дефекты подложки, т.е. если на ней есть ступенька, то там и будет образовываться 1-ый кристалл.

Рост кристалла сложный гетерогенный процесс. Рост центров происходит за счет массопереноса, а энергия, которая выделяется при кристаллизации, отводятся с помощью теплопереноса. Некоторые примеси увеличивают рост кристалла, а другие уменьшают.

При высокой концентрации примеси на поверхности кристалла, который растет из газовой фазы, может произойти выделение микрокапель жидкой фазы, по которой скорость роста кристалла увеличивается на несколько порядков.

Для интенсивности роста кристалла увеличивает степень совершенства их структуры, уменьшение Т кристаллизации и применяют легирование.

Подбором длин волн излучения можно воздействовать как на систему, так и на отдельные частицы.

Известны различные механизмы послойного роста кристалла, основанные на допущениях. При таком росте различают зародышевый и спиральный механизм.

Зародышевый (механизм Фольмера – Коссела – Странского). Вначале была разработана термодинамическая теория роста кристалла, которая предполагала, что на границе раздела фаз имеется адсорбционный слой атомов кристаллизовавшегося вещества, которое диффундирует по поверхности. Атомы соударяются и образуются устойчивые двумерные зародыши, которые преобразуется в кристаллический слой и т.д.

Его разграничивают на 2 стадии:

1.образование зародыша моноатомной высоты;

2. их рост.

Спиральный – наблюдается при наличии выходов винтовых дислокаций на поверхность подложки. Здесь поверхность кристалла имеет готовые атомные ступеньки и зародыши не нужны. Различные кристаллизованные поверхности имеют разную поверхностную энергию. Это значит Е_s границы кристалла с любой средой будет анизотропная.

Все поверхности делятся по термодинамическим свойствам, по атомному строению, по кинематики на 3 типа:

1. сингулярные – атомно- гладкие границы без ступеней. Эти границы обладают min поверхностной энергией и max плотностью упаковки атомов (ретикулярная плотность).

2. виценальные – поверхность в непосредственной близости от сингулярной, которая образует небольшой угол с сингулярной гранью. Состоит из больших плоских участков, пресекаемых ступенями моноатомной высоты. Они имеют более высокую поверхностную энергию, чем сингулярные.

3. несингулярные (диффузные) – грани, которые составляют большие углы с сингулярными, имеют большое количество ступеней и обладают большей поверхностной энергией.

Несовершенство подложки делятся на 2 типа:

1. макроскопический (трещина, ступенька)

2. микроскопический (выходы дислокаций)

Существует 3 теории образования зародышей:

1. термодинамическая – приписывает зародышем термодинамические свойства массивного материала.

2. молекулярно – статическая – рассматривает зародыши не как непрерывную среду, а как ансамбль отдельных атомов.

3.кинетическая – учитывает временную зависимость концентрации зародышей на поверхность подложки, т.е. скорость.

Эпитаксиальный рост - эпитаксия происходит из двух слоев, т.е. ориентированное нарастание слове друг на друга.

Эпитаксия происходит с образованием ПЭС (промежуточный эпитаксиальный слой), в котором срастается 2 решетки со сходной плотностью упаковки атомов.

Гомо (авто)эпитаксия – процесс нарастания на подложки того же вещества, отличается составом примеси.

Гетероэпитаксия – процесс нарастания на инородной поверхности с образованием ПЭС.

Хэмиэпитаксия – процесс ориентированного нарастания, при которой образуется новая фаза ХЭС (химический эпитаксиальный слой), т.е. подложка химических реагентов с веществом из внешней среды.

Поиск по сайту: