晶体生长的物理基础PDF电子书下载

绪论 1

第一章 温场和热量传输 2

第一节 炉膛内温场的描述 2

一、温场 2

二、温场的实验描述 4

三、稳态温场 5

第二节 从能量守恒原理讨论晶体生长工艺 7

一、能量守恒方程 7

二、晶体直径的控制 8

三、晶体的极限生长速率 10

四、放肩阶段 10

五、晶体旋转对直径的影响 11

第三节 能量守恒的微分形式和一维稳态温场 12

一、温场的数学描述 12

二、能量守恒的微分形式 13

三、一维稳态温场 15

第四节 晶体中的温场 16

第五节 坩埚中液面位置及辐射屏对温场的影响 21

一、坩埚中液面位置对温场的影响 21

二、辐射屏对晶体中温场的影响 23

第六节 晶体生长过程中直径的惯性和直径响应方程 25

一、直径的惯性 25

二、温度边界层 25

三、直径响应方程 26

第七节 非稳温场和温度波 27

第二章 溶质分凝和质量传输 32

第一节 固溶体和溶液 32

第二节 溶液的凝固和平衡分凝系数 33

第三节 溶质浓度场和溶质守恒 36

第四节 溶质保守系统中的浓度场 37

一、属于溶质保守系统的生长方法 37

二、在准静态生长过程中的溶质分布 38

三、溶质的扩散效应 40

四、对流对溶质分凝的影响及有效分凝系数 44

五、直拉法生长中晶体旋转对溶质分凝的影响 47

第五节 溶质非保守系统中的浓度场 48

一、属于溶质非保守系统的生长方法 48

二、溶质非保守系统的分凝理论——区熔理论 49

三、扩散占优势的溶质边界层与熔区的相似性 52

四、多次区熔的极限分布 52

五、温度梯度区域熔化——TGZM 53

第六节 直拉法生长过程中的溶质均化 54

一、计划速率法 54

二、溶液稀释法 56

三、溶液补充法 57

四、层熔法 57

第三章 热量、质量的混合传输 59

第一节 混合传输 59

第二节 实验模拟和数字模拟 60

一、实验模拟 60

二、数字模拟 61

第三节 相似流动 64

一、相似流动——雷诺数和弗鲁得数 65

二、模拟实验的设计 67

第四节 坩埚中的自然对流 69

一、非等温系统和非等浓度系统中的浮力 69

二、水平温差和浓度差引起的自然对流——格拉斯霍夫数 70

三、铅直温差和浓度差引起的自然对流——瑞利数 72

第五节 混合传输的相似性原理 74

第六节 生长过程中液流的转变与界面翻转 76

一、自然对流向强迫对流的转变 76

二、界面翻转 77

第七节 旋转流体中的液流 79

一、旋转流体的描述 79

二、泰勒-普劳德曼定理 80

三、直拉法生长系统中的泰勒柱 81

第八节 直拉法生长系统中熔体的区域近似 84

第九节 旋转晶体下的混合传输 85

一、旋转圆盘下流体的速度场 85

二、旋转圆盘下的温场和浓度场 88

三、旋转晶体下的边界层和边界层近似 90

第十节 同轴旋转柱面间的混合传输 92

一、同轴旋转柱面间的速度场 92

二、同轴旋转柱面间的温度场 93

三、同轴旋转柱面间液体的非旋转对称流动 94

附录一 不同坐标系中的连续性方程 96

附录二 不同坐标系中动量传输方程 96

附录三 不同坐标系中的热传输方程 97

第四章 生长速率起伏和生长层 99

第一节 生长层（条纹）概述 99

一、晶体性能与溶质浓度的起伏 99

二、溶质浓度起伏的原因 100

三、生长层的形态 101

第二节 生长界面的标记技术 102

一、机械振动方法引入的生长层 103

二、加热功率起伏引起的生长层 104

三、利用珀耳帖效应引入生长层 105

四、生长界面标记技术的应用 106

第三节 旋转性生长层 107

一、旋转性生长层的形成及其特征 107

二、旋转性表面条纹 109

三、螺蜷形晶体和螺蜷式分凝 110

四、利用旋转性生长层制备铁电畴超晶格 112

第四节 生长层形成的理论分析 116

一、生长速率关于界面温度起伏的响应 116

二、生长速率关于熔体中温度起伏的响应 117

三、溶质浓度关于生长速率阶跃的响应 120

四、溶质浓度关于生长速率周期性起伏的响应 123

五、生长速率起伏对有效分凝系数的影响 124

六、浓度响应的“截止频率” 126

第五节 坩埚中液流引起的温度起伏 126

一、液流状态与温度起伏 127

二、浮力对流体动力学稳定性的影响 128

三、离心力对流体动力学稳定性的影响 133

四、表面张力对流体动力学稳定性的影响 136

第六节 液流引起温度起伏的抑制 137

一、洛伦兹力场的应用 137

二、科里奥利力场的应用 139

附录一 生长速率阶跃的条件下扩散方程的解 141

第五章 界面稳定性和组分过冷 145

第一节 界面稳定性的定性描述 146

一、温度梯度对界面稳定性的影响 146

二、浓度梯度对界面稳定性的影响 147

三、界面能对界面稳定性的影响 149

第二节 组分过冷形态学 149

一、胞状界面 149

二、胞状组织 151

三、各向异性对形态的影响 152

四、间歇式胞状组织 153

五、溶质尾迹 153

六、研究组分过冷形态学的实验方法 154

第三节 产生组分过冷的临界条件 154

一、工艺参量与物性参量的影响 154

二、对流传输的影响 157

第四节 组分过热（熔化界面的稳定性） 158

第五节 界面稳定性的动力学理论 160

一、干扰 161

二、干扰方程（perturbation equations）及其解 162

三、边值条件和δ/δ的表达式 164

四、干扰的波长对界面稳定性的影响 166

五、不同因素对界面稳定性的影响 167

六、界面稳定性的动力学理论和组分过冷 168

七、生长的各向异性和界面过冷对稳定性的影响 169

八、理论和实验对比 170

第六节 枝晶生长 174

一、概述 174

二、球面的不稳定性与枝晶生长 176

三、主干的轴向生长速率 178

四、分枝的产生 178

第六章 相平衡和相图 180

第一节 单元系的复相平衡 181

一、单元系统中的相平衡条件 181

二、理想气体的化学势 182

三、相平衡曲线 183

四、金刚石相图 183

五、相变潜热 185

六、克拉珀龙-克劳修斯方程 186

七、临界点 187

第二节 多元系的复相平衡 187

一、不同成分相的化学势 187

二、多元系的复相平衡 189

三、相律 191

四、稀溶液中各组元的化学势 192

五、平衡分凝系数的热力学意义 193

六、溶液凝固点与溶质浓度的关系 194

第三节 二元相图 196

一、平衡曲线和特征点 196

二、同形系统 199

三、共晶系统 202

四、包晶系统 205

五、偏晶系统 208

六、复杂的二元相图 209

第四节 三元相图 211

笫七章 界面的宏观性质与微观结构 215

第一节 界面能和界面张力 215

一、界面能和界面张力 215

二、固体的界面张力 217

第二节 界面交接 218

一、接触角 218

二、界面交接处的力学平衡 220

第三节 弯曲界面的相平衡 221

一、弯曲界面的力学平衡——界面压强 221

二、弯曲界面的相平衡 224

第四节 弯月面与直拉法生长 225

一、直拉法生长中的弯月面 225

二、弯月面提升的液重 227

三、标志等径生长的弯月面倾角 228

第五节 界面曲率对平衡参量的影响 230

一、界面曲率对凝固点的影响 230

二、界面曲率对饱和气压的影响 232

三、界面曲率对饱和浓度的影响 233

第六节 晶体的平衡形状 234

一、界面能极图与晶体的平衡形状 234

二、乌耳夫定理的适用范围 235

三、奇异面、非奇异面和邻位面 237

第七节 邻位面与台阶的平衡结构 237

一、邻位面的台阶化 237

二、邻位面台阶化的论证 239

三、台阶的热力学性质 240

四、台阶的平衡结构 241

第八节 界面相变熵和界面的平衡结构 243

一、光滑界面与粗糙界面——杰克逊界面理论 243

二、熔化熵 248

三、界面相变熵与环境相 249

四、温度对界面平衡结构的影响 251

五、弥散界面——特姆金多层界面模型 254

第八章 成核 257

第一节 相变驱动力 258

一、相变驱动力的一般表达式 258

二、气相生长系统的相变驱动力 258

三、溶液生长系统中的相变驱动力 259

四、熔体生长系统中的相变驱动力 260

第二节 亚稳态 260

第三节 均匀成核 261

一、晶核的形成能和临界尺寸 262

二、界面微观结构的影响 265

三、复相起伏和晶体的成核率 266

第四节 非均匀成核 268

一、平衬底上球冠核的形成 268

二、平衬底上表面凹陷的影响 271

三、衬底上的凹角成核 273

四、悬浮粒子上的成核 274

第五节 界面失配对成核行为的影响 275

一、共格界面、半共格界面和非共格界面 275

二、错合度引起的弹性畸变和错配位错 276

三、错配位错对界面能的贡献 278

四、界面失配对成核行为的影响 280

第六节 晶体生长系统中成核率的控制 281

第九章 生长动力学 284

第一节 邻位面生长——台阶动力学 284

一、界面上分子的势能 284

二、面扩散 285

三、台阶动力学——面扩散控制 287

四、面扩散方程及其解 289

五、台阶动力学——体扩散控制 295

六、邻位面生长动力学 298

第二节 奇异面的生长 299

一、二维成核生长机制 299

二、螺位错生长机制 303

三、凹角生长机制 311

第三节 粗糙界面的生长 314

第四节 晶体生长动力学的统一理论 316

一、特姆金的工作 317

二、卡恩的生长动力学统一理论 319

第五节 晶体生长的运动学理论 321

一、台阶列和邻位面的运动方程 321

二、弗兰克第一运动学定理 322

三、台阶聚并 323

四、弗兰克第二运动学定理 325

五、生长过程中晶体形状的演变 326

六、运动学理论的实验检验 327

第六节 晶体生长形态学 328

一、晶体生长速率的各向异性 329

二、自由生长系统中的晶体形态 329

三、周期键链理论 330

四、强制生长系统 333

五、小面生长 334

第十章 生长过程中位错的产生、延伸和分布 342

第一节 位错的成核和增殖 342

一、弹性应力场中位错的成核 342

二、渗透力作用下位错成核 344

三、位错增殖 347

第二节 位错延伸 347

一、位错延伸的克拉珀定理 347

二、各向同性介质中位错的延伸 348

三、各向异性介质中位错的能量因子 349

四、溶液生长中位错的走向（以KDP为例） 349

五、熔体生长中位错的延伸（以GGG为例） 351

第三节 晶体中位错组态和分布 354

一、热弹应力场与位错分布 354

二、弹性应力的消弛和位错组态与分布 358

三、位错延伸引起的位错分布 362

四、体内压印产生的位错组态 363

主要参考文献 369

索引 371