晶體生長過程中的對流傳熱與傳質(zhì)

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1、研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報告）科目：多尺度傳熱傳質(zhì)理論教師：廖強(qiáng)姓名：康道遠(yuǎn)學(xué)號：20121002029專業(yè)：動力工程及工程熱物理類別：學(xué)術(shù)上課時間：2013年5月至2013年7月考生成績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語：閱卷教師(簽名)重慶大學(xué)研究生院制多尺度傳熱傳質(zhì)理論論文晶體生長過程中的對流換熱與傳質(zhì)-8-多尺度傳熱傳質(zhì)理論論文晶體生長過程中的對流換熱與傳質(zhì)晶體生長過程中的對流換熱與傳質(zhì)摘要：介紹了晶體生長的理論和生長的基本過程，并對晶體生長過程中的傳熱過程進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)主要的傳熱包括導(dǎo)熱對流和熱輻射，

2、并給出了各個傳熱方式下熱量傳遞的計算方法。同時介紹了晶體生長的傳質(zhì)過程和基本原理。關(guān)鍵詞：晶體生長，傳熱，傳質(zhì)1.1、晶體生長理論簡介隨著計算機(jī)技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展，人類已經(jīng)走進(jìn)了嶄新的光電子時代，而實現(xiàn)這一巨大變化的物質(zhì)基礎(chǔ)不是別的，正是半導(dǎo)體單晶和激光晶體等人工晶體材料。隨著晶體材料的進(jìn)一步發(fā)展，必將續(xù)寫人類科技文明的新篇章。近年來，隨著基礎(chǔ)學(xué)科如物理學(xué)、化學(xué)等的不斷進(jìn)步，晶體生長理論研究無論是研究方法、研究對象，還是研究層次都得到了很快的發(fā)展，已經(jīng)成為一門獨立的分支學(xué)科。它從最初的晶體結(jié)構(gòu)和生長形態(tài)研究、經(jīng)典的熱力學(xué)分析而發(fā)展

3、到在原子分子層次上研究生長界面，質(zhì)、熱輸運(yùn)和界面反應(yīng)問題，形成了許多理論和理論模型。晶體生長理論研究本質(zhì)上就是完整理解不同晶體其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷、生長條件和晶體形態(tài)四者之間的關(guān)系.搞清楚這四者之間的關(guān)系，就可以在制備實驗中預(yù)測具有特定晶體結(jié)構(gòu)的晶體在不同生長條件下的生長形態(tài)，通過改變生長條件來控制晶體內(nèi)部缺陷的生成，改善和提高晶體的質(zhì)量和性能.1.2、晶體生長的基本過程從宏觀角度看：晶體生長過程是晶體—環(huán)境相(蒸汽、溶液、熔體)界面向環(huán)境相中不斷推移的過程，也就是由包含組成晶體單元的母相從低秩序晶體相向高度有序相的轉(zhuǎn)變。從微觀角度來看

4、，晶體生長過程可以看作一個“基元”過程。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境相狀態(tài)及生長條件都將直接影響晶體生長的基元過程。環(huán)境相及生長條件的影響集中體現(xiàn)于基元的形成過程之中，而不同結(jié)構(gòu)的生長-8-多尺度傳熱傳質(zhì)理論論文晶體生長過程中的對流換熱與傳質(zhì)基元在不同晶面族上的吸附、運(yùn)動、結(jié)晶或脫附過程主要與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。不同結(jié)構(gòu)的晶體具有不同的生長形態(tài)，對于同一晶體，不同的生長條件可能產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的生長基元，最終形成不同形態(tài)的晶體。1.3、晶體生長的傳熱晶體生長是一個動態(tài)過程，不可能在平衡狀態(tài)下進(jìn)行，而熱力學(xué)所處理的問題一般都是屬于平衡狀態(tài)的問題。在

5、研究任何過程的動力學(xué)問題之前，對其中所包含的平衡問題有所了解，則可以預(yù)測過程中所遇到的問題（如偏離平衡態(tài)的程度），以及說明或提出解決問題的線索。因而在考慮實際晶體生長情況時，必須確定問題的實質(zhì)究竟是與達(dá)到的平衡狀態(tài)有關(guān)，還是與各種過程進(jìn)行的速率有關(guān)?？梢哉J(rèn)為晶體生長是控制物質(zhì)在一定的熱力學(xué)條件下進(jìn)行的相變過程。通過這一過程使該物質(zhì)達(dá)到符合所需要的狀態(tài)和性質(zhì)。一般的晶體生長多半是指物質(zhì)從流動相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵ǔ蔀閱尉w）的過程。因此將牽涉到熱力學(xué)中的相平衡和相變的問題。相圖（平衡圖）是將物質(zhì)體系中各項可能存在的狀態(tài)，隨成分和溫度（有時還有

6、壓力）改變的情況明確地表現(xiàn)出來的一種圖示。也可以認(rèn)為相圖是將晶體生長（流體相變?yōu)楣滔嘁约肮虘B(tài)中的相變）與熱力學(xué)聯(lián)系起來的媒介，可以看出整個晶體生長過程的大概趨勢。幾乎所有的晶體生長過程都是在一定的溫度控制條件下進(jìn)行的，需要充分利用溫度場的非均勻性實現(xiàn)晶體的定向生長。因此，溫度場的控制是晶體生長過程的核心。溶液法和熔體法晶體生長過程的傳熱主要包括：（1）坩堝（或晶體）與加熱單元之間的換熱；（2）坩堝（或晶體）與冷卻介質(zhì)之間的換熱；（3）晶體和熔體內(nèi)部的傳熱，包括結(jié)晶界面釋放的結(jié)晶潛熱在氣相法晶體生長過程中還涉及氣象和襯底及加熱單元之間

7、的換熱。不同的晶體生長方法對溫度場和傳熱方式的要求是不同的?，F(xiàn)有的晶體生長方法幾乎涉及所有的傳熱方式，即導(dǎo)熱、輻射換熱和對流換熱，而可能出現(xiàn)的熱源則包括結(jié)晶界面釋放的結(jié)晶潛熱、系統(tǒng)內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)所釋放（或吸收）的熱量、加熱體的放熱及電磁感應(yīng)造成晶體生長系統(tǒng)內(nèi)部的放熱。-8-多尺度傳熱傳質(zhì)理論論文晶體生長過程中的對流換熱與傳質(zhì)2.1、晶體生長過程中的傳熱計算2.1.1、導(dǎo)熱計算導(dǎo)熱是最基本的傳熱方式。直角坐標(biāo)系中，傅里葉導(dǎo)熱定律為：由上述傅里葉導(dǎo)熱定律可以看出，除了晶體生長系統(tǒng)的形狀因素之外，導(dǎo)熱介質(zhì)的熱導(dǎo)率λ、質(zhì)量熱容cp和密度ρ是

8、控制導(dǎo)熱過程的主要熱物理參數(shù)，這3個參數(shù)的影響規(guī)律是不同的。在恒定的溫度差下，決定熱流密度的主要是熱導(dǎo)率λ，表示介質(zhì)允許熱量通過的速率。而質(zhì)量熱容cp和密度ρ的乘積則反映了介質(zhì)的蓄熱能力，即介質(zhì)儲存熱量的能力，該乘積越大，介質(zhì)的熱慣性