Элементы общей теории образования фаз – основы материаловедения

May 12, 2013 by admin Комментировать »

В процессе получения любого материала в нем происходят переходы из одного фазового состояния в другое. Основными промышленными методами получения монокристаллов является кристаллизация из жидкой и конденсация из газовой фаз.

Кристаллизацией называется переход вещества из жидкой в  твердую фазу. Конденсацией называется переход вещества из газообразной в жидкую или твердую фазы.

Фазовые превращения никогда не проходят одновременно во всем объеме материала. В начале процесса в разных местах исходной фазы образуются центры новой фазы — стабильные частицы новой фазы, которые затем разрастаются благодаря процессам переноса. Процесс роста кристаллов принято представлять состоящим из трех основных стадий:

1) возникновения неравновесного состояния — переохлаждения для исходной жидкой фазы или пересыщения для газовой фазы; 2) образования центров новой фазы; 3) увеличения их линейных размеров — собственно рост кристалла. При данной температуре жидкую фазу называют переохлажденной, если ее температура ниже температуры равновесного образования твердой фазы. При данной температуре газовую фазу назы

вают пересыщенной, если ее давление превышает равновесное давление насыщенных паров жидкой или твердой фазы.

Создание неравновесного состояния — необходимое условие для самопроизвольного возникновения центров новой фазы. В равновесных условиях возможность их появления исключена. В различных точках газообразной или жидкой атомной или молекулярной системы, находящейся в термодинамическом равновесии, непрерывно возникают флуктуации, то есть отклонения величин некоторых параметров системы от их наиболее вероятных (средних) значений. Флуктуации плотности и концентрации в исходной фазе могут приводить к изменению фазового состояния, то есть к образованию зародышей новой фазы. Такие флуктуации сопровождаются изменением свободной энергии системы, однако энергия образующихся частиц (зародышей) новой фазы в системе, находящейся в термодинамически равновесном состоянии, значительно превышает энергию таких же частиц исходной фазы и флуктуационно возникшие частицы новой фазы быстро распадаются. Образование центров новой фазы в равновесных условиях оказывается энергетически не выгодным. Ниже будет показано, что создание неравновесного состояния для кристаллизации (конденсации) исходной фазы необходимо для сообщения системе дополнительной энергии, требуемой для того, чтобы процесс образования центров новой фазы сделать энергетически выгодным.

Движущей силой любого фазового превращения является стремление системы к уменьшению свободной энергии F. Для протекания фазового превращения необходимо, чтобы свободная энергия единицы объема исходной фазы была больше свободной энергии такого же объема новой фазы. Кроме того, следует учитывать, что при образовании частиц новой фазы обязательно возникают поверхности раздела между новой и исходной фазами. Эти поверхности обладают поверхностной энергией, что затрудняет превращение. Поэтому в общем виде суммарное изменение свободной энергии системы при фазовом превращении будет:

F = ∆Fv + ∆Fs,                                 (4.7)

где ∆Fv = Fv(S) − Fv(L) и ∆Fs = Fs(S) — изменения свободной энергии, связанные с объемной и поверхностной составляющими. Проанализируем более подробно необходимые для протекания фазовых превращений условия.

Рис. 4.20. Зависимость свободной энергии системы от радиуса зародыша новой фазы при различных температурах T1 > T2  > T3 > T4.

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты