2. Рост кристаллов при химическом взаимодействии на межфазной границе. Кинетический режим. Скорость гетерогенной реакции.
учет потока Стефана.
Гетерогенные процессы многостадийны. Наибольшее число стадий имеют гетерогенные химические процессы. В случае, например, эпитаксии из парогазовой фазы наблюдаются следующие стадии 1) доставка реагентов (исходных компонентов) в зону реакции; 2) перенос исходных компонентов, а также продуктов их частичного взаимодействия в парогазовой фазе к поверхности реакции; 3) адсорбция компонентов парогазовой фазы поверхностью; 4) поверхностная диффузия адсорбированных компонентов и химические реакции; 5) встраивание атомов в кристаллическую решетку после поверхностной их диффузии или образование зародышей новой фазы и их развитие1; 6) десорбция продуктов реакции; 7) перенос десорбированных продуктов от поверхности в основной поток (зону реакции); 8) их удаление из зоны реакции.
Химическое взаимодействие определяется неупругими столкновениями с обменом электронами между частицами и приводит к химическим превращениям обрабатываемого материала.
Билет №3
Моделирование технологических процессов.
Моделированием называется метод изучения реального или создаваемого объекта (оригинала), при котором вместо него используется модель, а результаты распространяются на оригинал. Суть моделирования заключается в предсказании поведения оригинала в рабочих условиях производства по измеренным параметрам модели. Методы моделирования основаны на подобии различных объектов. Подобными называют процессы, математические описания которых, представлены в обобщенных переменных, охватывающих группы сходных объектов либо явлений.
2. Зародышеобразование при росте кристаллов и полиморфных превращениях, начальные стадии роста.
Полупроводниковые и диэлектрические материалы широко применяются в современной электронной технике как в кристаллическом (в виде монокристаллов или поликристаллов), так и в стеклообразном состояниях. Разработка технологических процессов требует глубоких знаний основ теории получения материалов в этих состояниях.
Процессы кристаллизации представляют собой фазовые превращения первого рода, в результате которых происходит переход атомов (или молекул вещества) из состояния с полностью или частично неупорядоченной конфигурации (пар, жидкость) в состояние со строгой упорядоченностью. Движущей силой фазового превращения, в том числе кристаллизации, является стремление системы к уменьшению ее свободной энергии. Кристаллизация происходит только в системах с пересыщением (переохлаждением), т.е. находящихся в метастабильном состоянии. При этом кристаллизация (например, при затвердевании расплава или конденсации пара) обычно не протекает однородно во всем объеме метастабильной фазы. В начале процесса в разных местах исходной фазы образуются центры кристаллизации, которые затем разрастаются благодаря процессам переноса. Создание пересыщения (переохлаждения) для кристаллизации исходной фазы необходимо для сообщения системе дополнительной энергии, требуемой для образования поверхности зародышей новой фазы. Механизм образования зародышей новой фазы может быть гомогенным, когда в исходной фазе отсутствуют какие-либо твердые частицы или поверхности, стимулирующие образование на них центров, и гетерогенным — когда они присутствуют. Рассмотрим основные параметры, определяющие условия фазового превращения при гомогенном образовании центров кристаллизации. В различных точках газообразной, жидкой или твердой молекулярной или атомной системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, непрерывно возникают флуктуации, т.е. отклонения различных величин от их наиболее вероятных значений. Флуктуации плотности или концентрации в исходной фазе могут приводить к изменению фазового состояния (например, образованию зародышей новой фазы). В этом случае говорят о гетерофазных флуктуациях. Если изменения фазового состояния в результате флуктуации не происходит, их называют гомофазными. Основные особенности процесса зарождения удобно рассмотреть на примере возникновения жидких капель из пересыщенного пара. Возникновение небольшой капли радиусом r при давлении пересыщенного пара Р (характеризующегося равновесным давлением Р0 при температуре Т) сопровождается изменением свободной энергии системы ΔG, состоящей из двух составляющих:
где ΔGоб — изменение свободной энергии пара при его конденсации; ΔGпов —изменение свободной энергии за счет работы, затраченной на образование поверхности раздела жидкость — пар; υ — мольный объем жидкости; R — универсальная газовая постоянная; γжп — удельная свободная энергия поверхности раздела жидкость — пар. Анализируя выражение (3.1), получаем критический радиус
Подставляя (3.2) в (3.1), получаем энергию активации зарождения:
Из полученных выражений следует, что капля размером r < rкр, возникшая в результате гетерофазных флуктуаций, проявляет тенденцию к испарению, а размером r > rкр — к росту, поскольку в любом из этих случаев свободная энергия ΔG уменьшается. Капли радиусом меньшим критического (или в общем случае участки новой фазы размером меньшим критического) называют зародышами, а большим критического — центрами новой фазы (или в случае кристаллизации — центрами кристаллизации).