材料工程基础期末复习题

第一章 晶体材料的制备

1.应变退火再结晶推动力是什么？

应变退火再结晶推动力： 也即材料发生塑性变形所引起的自由能降低，式中W ：产生应变时做的功；q:释放的能量；Gs:晶粒的自由表面能；G0:不同晶粒之间的取向的自由能差，

2.气体、熔体、溶液相变驱动力是什么？

气体生长系统中的相变驱动力是过饱和蒸汽压；熔体生长系统中的相变驱动力是过冷度；溶液生长系统中的相变驱动力是过饱和度；

3.什么是均匀成核和非均匀成核？

若系统中空间各点出现新相的概率都是相同的，即在空间上是连续的，在时间上是不连续的，称为均匀形核；新相优先出现于系统中的某些区域，即在空间上是不连续的，在时间上是连续的，称为非均匀形核。

4.均匀成核必需具备的条件是什么？受哪两个因素控制？

必须具备的条件为：1必须过冷，过冷度越大形核驱动力越大；2必须具备与一定过冷相适应的能量起伏ΔG*或结构起伏r* ，当ΔT 增大时， ΔG*和r*都减小，此时的形核率增大。

控制因素有：一方面随着过冷度增大， ΔG*和r*减小，有利于形核；另一方面随过冷度增大，原子从液相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核。

5.非均匀成核表面接触角如何影响成核过程？

①当接触角Θ＝0°时，f1（m ）=0，ΔG*=0，表明不需要形核，在衬底上流体可立即变为晶体，因为Θ为零说明晶体完全浸润衬底，在衬底上覆盖一层宏观厚度晶体薄层，等价于籽晶生长或同质外延；

②当接触角Θ＝180°时， f1（m ）=1，此时衬底上非均匀形核能与均匀形核的形成能完全相等，衬底对形核完全没有贡献，由于Θ＝180°是完全不浸润的情形。

6.直拉法生长单晶，哪个等温面最重要。为什么？

直拉法炉膛内最重要的等温面为温度为凝固点的等温面，即固－液界面；因为固液界面的形状直接影响晶体的质量；且固液界面的微观结构又直接影响晶体的生长机制。

7.直拉法生长单晶直径与哪些因素有关，这些因素如何影响直径？

由晶体的截面面积公式：A=(QS-QL)/LV ρ，知单晶直径与加热功率QL 、热损耗QS 、提拉速率V 有关。

①控制加热功率有：提高加热功率，面积A 减小，晶体变细；反之，减小加热功率，晶体变粗；②调节热损耗：A 降低环境温度，提高热交换系数，从而增加了晶体直径的惯性，使等径生长过程易于控制；B 在富氧环境中生长，减少氧空位；③ 控制提拉速率：V 越大，直径越小；V 越小，直径越大；

8.放肩阶段，直径与时间有何关系？为什么？

直径r 与时间t 的关系为：26454exp(2)r B B t B B =-；由此可以看出，在拉速和熔体中温度梯度不变的情况下，肩部面积随时间按指数规律增加，其物理原因在于，随着肩部面积的增加，热量耗散容易，而热量耗散容易促进晶体直径增加。

9.晶体旋转对直径有何影响？

A.导致温度更加均匀分布；

G G q W G S ∆++-=∆

B.有利于熔体中介质均匀分布；

C.改变转数可以调节晶体直径。

10.什么是定向凝固法（DSS）？基本构思是什么？为什么容易形成多晶？

定向凝固的定义：控制过冷度实现晶体定向生长的技术；固- 液界面前沿液相中的温度梯度GL 和晶体生长速度V是定向凝固技术的重要工艺参数。

定向凝固B-S法的基本构思是在一个温度梯度场内生长晶体，在单一固液界面上成核。待结晶材料置于圆柱形坩中，使坩埚自上而下通过一个具有一定温度梯度的炉子，或者加热器沿垂直方向上升。

由于沿坩埚方向温度梯度太小，熔体在成核前必需明显过冷，往往在第一凝固体成核前整个试样均在熔点以下，这种情况下发生形核时，穿过剩余熔体的生长很快，容易形成多晶。

11.什么是提拉法？提拉法要注意哪些问题？生长晶体的一般原则是什么？

提拉法是指在晶体生长前，将待生长的材料置于坩埚中熔化，然后将籽晶浸到熔体中，缓慢向上提拉，同时旋转籽晶，即可逐渐生长单晶的方法。

注意方面有：1）晶体熔化过程中不能分解；2）晶体不能与坩埚和周围气氛反应；3）炉子和加热原件的使用温度高于晶体熔点；4）确定适当的提拉速度和温度梯度；5）提拉和旋转的速率平稳；温度精确控制；6）晶体直径取决于熔体温度和提拉速度。

提拉法生长晶体的一般原则是平衡提拉速度和优化加热条件。

12.气相生长的基本原理是什么？分类及定义

原理可概括成：对于某一假定的晶体模型。气相原子获分子运动到晶体表面，在一定条件（压力、温度等）被晶体吸收，形成稳定的二维晶核。在晶面上产生台阶，在俘获表面上进行扩散的原子，台阶运动、蔓延横贯整个表面，晶体便生长一层原子高度，如此循环反复即能生长块状获薄膜状晶体。

大致可分为三类（1）升华法：将固体在高温区升华，蒸汽在温度梯度的作用下向低温区输运结晶的一种晶体生长的方法。（2）蒸汽输运法：在一定的环境（如真空）下，利用运载气体生长晶体的方法，通常用卤族元素来帮助源的挥发和原料的输运，可以促进晶体的生长。（3）气相反应法：利用气体之间直接混合反应生成晶体的方法。

13.气相生长输运包括哪几个阶段？

气相系统中，输运分成3个阶段：

1）原料固体的复相反应；

2）气体中挥发物的输运；

3）晶体形成处的复相反应。

14.如何实现理想的输运过程？

如满足下列条件，可实现理想的输运过程：

1）反应产生的所有化合物都是挥发的；

2）有一个制定温度范围内和所选择气体种类分压内，所希望的相是唯一稳定的固体；

3）自由能变化接近零，反应容易成为可逆，并保证平衡时反应物和生成物有足够的量；

4）ΔH不等于零。ΔT不能太小和太大，要合适；

5）控制成核。要求有在合理的时间内足以长成优质晶体的快速动力学条件。

15.如何评价晶体质量？