Πυρηνοποίηση και διεπιφάνειες Διεπιφάνειες στερεού/ατμού & στερεού/τήγματος

Σχετικά έγγραφα
Εισαγωγή στην πυρηνοποίηση. Ομο- & ετερογενής πυρηνοποίηση: αρχικά στάδια ανάπτυξης υλικών ή σχηματισμού νέας φάσης.

Κβαντικά σύρματα, κβαντικές τελείες, νανοτεχνολογία Nucleation of a Si nanowire

Mετασχηματισμοί διάχυσης στα στερεά / Πυρηνοποίηση στην στερεά κατάσταση. Ομογενής πυρηνοποίηση στα στερεά/μετασχηματισμοί διάχυσης.

Τα αρχικά στάδια της επιταξιακής ανάπτυξης

ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ 1. Πυρηνοποίηση ελεύθερη ενέργεια όγκου Gv ελέυθερη επιφανειακή ενέργεια σ

Τα αρχικά στάδια της επιταξιακής ανάπτυξης

Τα αρχικά στάδια της επιταξιακής ανάπτυξης

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

Πυρηνοποίηση και διεπιφάνειες

Καταστάσεις της ύλης. Αέρια: Παντελής απουσία τάξεως. Τα µόρια βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση σε σχεδόν κενό χώρο.

ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ (DISLOCATIONS )

v = 1 ρ. (2) website:

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ. Περιληπτική θεωρητική εισαγωγή

ΣΦΑΛΜΑΤΑ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗΣ ΚΑΙ ΧΥΤΕΥΣΕΩΝ. Πορώδες αερίων

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ. Είδη ενέργειας ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ

Διαγράμματα φάσεων-phase Diagrams

Μετεωρολογία. Ενότητα 7. Δρ. Πρόδρομος Ζάνης Αναπληρωτής Καθηγητής, Τομέας Μετεωρολογίας-Κλιματολογίας, Α.Π.Θ.

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

B' ΤΑΞΗ ΓΕΝ.ΛΥΚΕΙΟΥ ΘΕΤΙΚΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΦΥΣΙΚΗ ΕΚΦΩΝΗΣΕΙΣ ÅÐÉËÏÃÇ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 2 Σεπτεμβρίου 2010

Χύτευση. Φαινόμενα και Αρχές

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Χαρακτηρισμός επιφανειών με

Μάθημα 23 ο. Μεταλλικός Δεσμός Θεωρία Ζωνών- Ημιαγωγοί Διαμοριακές Δυνάμεις

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΠΗΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο. 11 Μαΐου 2006

ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ ΙΙΙ. Διάχυση Συναγωγή. Δημήτριος Τσιπλακίδης e mail: dtsiplak@chem.auth.gr url: users.auth.gr/~dtsiplak

Θεωρητική Εξέταση. Τρίτη, 15 Ιουλίου /3

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΠΡΟΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Β ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΕΜΠΤΗ 13 ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΥ 2001 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗΣ ΦΥΣΙΚΗ ΙΙ

ΑΣΚΗΣΗ 5 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ (Σύνθεση και χαρακτηρισμός έγχρωμων υάλων οξειδίων)

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

ΕΞΙΣΩΣΗ CLAUSIUS-CLAPEYRON ΘΕΩΡΙΑ

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

ΧΗΜΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ. Να δίδουν τον ορισμό του χημικού δεσμού. Να γνωρίζουν τα είδη των δεσμών. Να εξηγούν το σχηματισμό του ιοντικού ομοιοπολικού δεσμού.

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2

ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΑΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΦΥΣΙΚΗΣ Π.Φ. ΜΟΙΡΑ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΑ ΑΕΡΙΑ ΛΥΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ

Φυσική Στερεάς Κατάστασης η ομάδα ασκήσεων Διδάσκουσα Ε. Κ. Παλούρα

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΑ Υλικα 3ο μεροσ. Θεωρητικη αναλυση

Μεταλλικός δεσμός - Κρυσταλλικές δομές Ασκήσεις

Χύτευση. Ελαττώματα και κανόνες σχεδιασμού χυτών

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΑΣ

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 2: Κρυσταλλική Δομή των Μετάλλων. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π. ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

Μετεωρολογία. Ενότητα 7. Δρ. Πρόδρομος Ζάνης Αναπληρωτής Καθηγητής, Τομέας Μετεωρολογίας-Κλιματολογίας, Α.Π.Θ.

Μη-κρυσταλλικάστερεάκαιύαλοι (non-crystalline solids and glasses)

Ανάκλαση Είδωλα σε κοίλα και κυρτά σφαιρικά κάτοπτρα. Αντώνης Πουλιάσης Φυσικός M.Sc. 12 ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΠΕΡΙΣΤΕΡΙΟΥ

I. Χρήσιµες Έννοιες της Θερµοδυναµικής

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 2 Ο ΜΕΡΟΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ

Δυνάμεις που καθορίζουν την κίνηση των αέριων μαζών

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ. όπου το κ εξαρτάται από το υλικό και τη θερμοκρασία.

Θεωρία του Sommerfeld ή jellium model (συνέχεια από το 1 ο μάθημα).

Εισαγωγή στις συγκολλήσεις τήξηςστερεοποίησης

διατήρησης της μάζας.

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΑΔΑ O

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΡΟΦΙΜΩΝ. Μεταφορά θερµότητας Εναλλάκτες θερµότητας

Εργαστήριο Υλικών ΙΙ (Κεραμικά & Σύνθετα Υλικά)

ΜΑΘΗΜΑ / ΤΑΞΗ : ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ / Γ ΛΥΚΕΙΟΥ (ΑΠΟΦΟΙΤΟΙ) ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 28/02/16 ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ: ΑΡΧΩΝ ΜΑΡΚΟΣ ΘΕΜΑ Α

Φυσικοί μετασχηματισμοί καθαρών ουσιών

ΑΡΧΗ 1ης ΣΕΛΙΔΑΣ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ ΤΑΞΗ : Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ : OKTΩΒΡΙΟΣ 2017 ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙΔΩΝ : 7

ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΣΤΙΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ

Εργαστήριο Υλικών ΙΙ (Κεραμικά & Σύνθετα Υλικά)

b proj a b είναι κάθετο στο

Κεφάλαιο 3 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Ημιαγωγοί - ίοδος Επαφής 2

Χειμερινό εξάμηνο

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Ι»-Νοέμβριος 2016

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΕΜΒΑΘΥΝΣΗΣ

ΦάσμαGroup. προπαρασκευή για Α.Ε.Ι. & Τ.Ε.Ι ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ-ΜΑΡΤΙΟΥ ΦΥΣΙΚΗ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΡΟΣΑΝΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΟΜΑΔΑ 12

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 3: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΟΜΑΔΑ 1

Ανάπτυξη μονοκρυσταλλικού πυριτίου για εφαρμογές στη μικροηλεκτρονική.

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. Ενότητα 3: ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΔΟΜΗΣ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ

Physical vapor deposition (PVD)-φυσική εναπόθεση ατμών

Βρέντζου Τίνα Φυσικός Μεταπτυχιακός τίτλος: «Σπουδές στην εκπαίδευση» ΜEd stvrentzou@gmail.com

Επαναληπτικό Διαγώνισμα Ι Φυσικής Γ Λυκείου

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ. Διδάσκων: Παπασιώπη Νυμφοδώρα Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π. Ενότητα 9 η : Μεταφορά Μάζας

ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών

Ηλεκτρομαγνητισμός. Μαγνητικό πεδίο. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

Κύκλος Επαναληπτικών Διαγωνισμάτων (Προσομοίωσης) Γ ΛΥΚΕΙΟΥ / Απρίλιος 2016 Μάθημα: Φυσική Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών.

ΑΣΚΗΣΗ 5.1 Το διάνυσμα θέσης ενός σώματος μάζας m=0,5kgr δίνεται από τη σχέση: 3 j οπότε το μέτρο της ταχύτητας θα είναι:

Φ Υ ΣΙΚ Η ΚΑ ΤΕ ΥΘ ΥΝ ΣΗ Σ

Β. Συµπληρώστε τα κενά των παρακάτω προτάσεων

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Θεµατικό Περιεχόµενο Μαθήµατος

ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΣΤΗΝ ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΒΟΛΗ ΚΑΙ ΟΜΑΛΗ ΚΥΚΛΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ

Εφαρμοσμένη Οπτική. Γεωμετρική Οπτική

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΦΥΣΙΚΗ Ο.Π Β ΛΥΚΕΙΟΥ 15 / 04 / 2018

Η Δομή των Μετάλλων. Γ.Ν. Χαϊδεμενόπουλος, Καθηγητής

Φύση του φωτός. Θεωρούμε ότι το φως έχει διττή φύση: διαταραχή που διαδίδεται στο χώρο. μήκος κύματος φωτός. συχνότητα φωτός

1.1 Ηλεκτρονικές ιδιότητες των στερεών. Μονωτές και αγωγοί

ΑΣΚΗΣΗ 3 Θερμική ανάλυση μετάλλων, κραμάτων και μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασιών

ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΛΥΜΕΝΩΝ ΑΣΚΗΣΕΩΝ

Τμήμα Πολιτισμικής Τεχνολογίας και Επικοινωνίας

ΑΡΧΗ 1ης ΣΕΛΙΔΑΣ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ : ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΤΑΞΗ : Γ ΛΥΚΕΙΟΥ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑ ΠΕΡΙΟΔΟΥ : ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2019 ΣΥΝΟΛΟ ΣΕΛΙΔΩΝ : 6

Transcript:

Πυρηνοποίηση και διεπιφάνειες Διεπιφάνειες στερεού/ατμού & στερεού/τήγματος Η ανάπτυξη πυρήνων προάγεται σε διεπιφάνειες στερεού/ατμού, στερεού/υγρού ή μεταξύ διαφορετικών φάσεων σε στερεά. Οι διεπιφάνειες αυτές χαρακτηρίζονται από διαφορετική ελεύθερη ενέργεια γ που στα στερεά εξαρτάται από την κρυσταλλική συνάφεια προς την περιβάλλουσα μήτρα και τον σχετικό όγκο που καταλαμβάνει η νέα φάση. Είδη διεπιφανειών & ελεύθερη ενέργεια διεπιφανειών. Διεπιφάνειες στερεού/ατμού-ανάπτυξη (CVD, MBE) Διεπιφάνειες στερεού/υγρού-ανάπτυξη (PE) Διεπιφάνειες μεταξύ διαφορετικών φάσεων στα στερεάμετασχηματισμοί στερεού-στερεού. Παραδείγματα πυρηνοποίησης & ανάπτυξης νέων φάσεων σε διεπιφάνειες κρυσταλλιτών. Ιζηματοποίηση Mn 2 SnO 4 σε Εικόνα SEM δείγματος SrTiO 3 που διεπιφάνειες πολυκρυσταλλικού περιέχει 1 at.% Νb. Τα ιζήματα, που είναι κεραμικού SnO 2 -MnO πλούσια σε Nb, εμφανίζονται σε τριπλά σημεία επαφής κρυσταλλιτών. Page 1 of 17 25/11/2010

Διεπιφάνειες στερεού/ατμού (S/V). Η ελεύθερη ενέργεια της διεπιφάνειας προέρχεται από το γεγονός ότι τα άτομα κοντά στην επιφάνεια έχουν λιγότερους γείτονες. Π.χ. στην fcc 111τα άτομα της επιφάνειας έχουν 9 αντί για 12 πρώτους γείτονες. Αν ε είναι η ισχύς του δεσμού => κάθε δεσμός μειώνει την εσωτερική ενέργεια κάθε ατόμου κατά (ε/2) => κάθε άτομο της επιφάνειας έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από τα άτομα του όγκου κατά (3ε/2). Αν υποθέσουμε ότι: Η συμβολή των δεύτερων γειτόνων είναι αμελητέα Η ενέργεια των δεσμών της επιφάνειας ισούται με την ενέργεια των δεσμών στον όγκο του υλικού Τότε η ενέργεια της επιφάνειας 111 θα είναι 3 E S SV J/ άτομοεπιφάνειας 12 N A Όπου η λανθάνουσα θερμότητα εξάχνωσης S : S = m + V, m η λανθάνουσα θερμότητα τήξης και V η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης. Εξάχνωση 1 mole καθαρού στερεού => δημιουργία 12 Ν A σπασμένων δεσμών => S =12Ν A (ε/2) Page 2 of 17 25/11/2010

Οι επιφάνειες με μεγάλους ή άρρητους δείκτες hkl εμφανίζουν σκαλοπάτια (ledges). Τα σκαλοπάτια σε μία απλή κυβική δομή. Οι σπασμένοι δεσμοί προκαλούν αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος. Η αντίστοιχη μεταβολή της Ε vs θ Επίπεδο υπό γωνία θ ως προς το επίπεδο συμπαγούς συσσωμάτωσης θα περιέχει περισσότερους σπασμένους δεσμούς λόγω των ατόμων που υπάρχουν cos sin όπου α η 2 στα σκαλοπάτια => μεγαλύτερη Ε SV : SV 2 πλεγματική σταθερά. E Διεπιφάνειες στερεού/υγρού (S/). Υπάρχουν 2 τύποι διεπιφανειών S/: Ατομικώς επίπεδες διεπιφάνειες με συμπαγή συσσωμάτωση: πάχος διεπιφάνειας 1 ατομικό επίπεδο (atomically flat, close packed interfaces, που επίσης αναφέρονται ως smooth ή faceted). Ανώμαλες διεπιφάνειες (atomically diffuse interfaces που επίσης αναφέρονται ως rough ή non-faceted) : η μετάβαση από την S φάση εκτείνεται σε αρκετά ατομικά επίπεδα. Page 3 of 17 25/11/2010

(a) Ατομικώς λείες και (b,c) διάχυτες διεπιφάνειες S/. Παράδειγμα διάχυτων επιφανειών: AFM απεικόνιση επιφάνειας InN στην as-grown κατάσταση & μετά από χημική χάραξη. Οι ανωμαλίες στην επιφάνεια κυμαίνονται από 15 έως 31 nm. Στις διάχυτες διεπιφάνειες υπάρχει : σταδιακή εξασθένιση των δεσμών αύξηση της αταξίας κατά τη μετάβαση από την S φάση σταδιακή μεταβολή των Η & S από τις τιμές όγκου στο στερεό στις τιμές όγκου στο υγρό. Page 4 of 17 25/11/2010

Μεταβολή των H, G & TS για T=T m. Στη διεπιφάνεια εμφανίζεται η επί πλέον ελεύθερη ενέργεια γ S. Πότε σχηματίζονται επίπεδες ή διάχυτες διεπιφάνειες? Σύμφωνα με τη θεωρία του Jackson η πιθανότητα σχηματισμού επίπεδης ή διάχυτης διεπιφάνειας εξαρτάται από τον λόγο λανθάνουσα θερμότητα τήξης. T f m όπου f είναι η Κρίσιμη τιμή: T f m 4R f 4R επίπεδη διεπιφάνεια T m ισχύει σε στοιχεία όπως Si, Ge, Sb, αμέταλλα. f 4R διάχυτη διεπιφάνεια T m ισχύει στην πλειοψηφία των μετάλλων. Page 5 of 17 25/11/2010

Ανάπτυξη ενός καθαρού στερεού από το τήγμα (διεπιφάνεια S/) Η ανάπτυξη της νέας φάσης γίνεται με προσθήκη ατόμων που περνούν μέσα από την διεπιφάνεια και (ταυτόχρονη) κίνηση/μετανάστευση της διεπιφάνειας. Τρόποι μετανάστευσης S/ διεπιφανειών: διάχυτες /ανώμαλες επιφάνειες συνεχής ανάπτυξη λείες διεπιφάνειες εγκάρσια μετανάστευση με τη συμμετοχή σκαλοπατιών στην επιφάνεια (ledges) Συνεχής ανάπτυξη διάχυτων διεπιφανειών Η ελεύθερη ενέργεια ατόμου που διέρχεται μέσω μίας S/ διεπιφάνειας αυξάνεται και η αντίστοιχη ενέργεια ενεργοποίησης είναι με την ενέργεια ενεργοποίησης για τη διάχυση στην φάση. Τα άτομα που φθάνουν σε μία ανώμαλη επιφάνεια δεν διαταράσσουν σημαντικά τη διαμόρφωση της επιφάνειας οι ανώμαλες επιφάνειες έχουν παράγοντα ενσωμάτωσης (accommodation factor) 1. Η οδηγός δύναμη για τη στερεοποίηση είναι: G T m T i όπου η λανθάνουσα θερμότητα τήξης & ΔΤ i το undercooling της διεπιφάνειας. Η ταχύτητα στερεοποίησης δίνεται από σχέση της μορφής: k1 Ti όπου η σταθερά k 1 εξαρτάται από την ευκινησία των διεπιφανειών. Page 6 of 17 25/11/2010

Σχόλιο : Αποδεικνύεται ότι η k 1 παίρνει πολύ μεγάλη τιμή και η στερεοποίηση αρχίζει όταν το undercooling στη διεπιφάνεια είναι 1Κ ισχύει η υπόθεση ότι η διεπιφάνεια S/ έχει TT m η στερεοποίηση των μετάλλων συνήθως ελέγχεται από φαινόμενα αγωγής της θερμότητας. Κράματα : η ανάπτυξη ελέγχεται από τη διάχυση του διαλύτη. Εγκάρσια (lateral) ανάπτυξη λείων διεπιφανειών Τα υλικά με υψηλή εντροπία τήξης σχηματίζουν επίπεδες επιφάνειες με συμπαγή συσσωμάτωση στην επιφάνεια υπάρχει ελάχιστος αριθμός σπασμένων δεσμών (db). Όταν ένα άτομο περνά από την στην S φάση ο αριθμός των σπασμένων δεσμών η ενέργεια της επιφάνειας υπάρχει υψηλή πιθανότητα το άτομο να επιστρέψει στην φάση οι λείες επιφάνειες έχουν μικρό παράγοντα ενσωμάτωσης. Η κατάσταση αλλάζει όταν η επιφάνεια περιέχει ledges/σκαλοπάτια και jogs/προεξοχές: Page 7 of 17 25/11/2010

προσθήκη 1 ατόμου σε λεία επιφάνεια δημιουργία 4 νέων σπασμένων δεσμών (db). προσθήκη 1 ατόμου σε σκαλοπάτι της επιφάνειας δημιουργία 2 db μικρή αύξηση της ενέργειας της διεπιφάνειας δεν σχηματίζονται καινούριοι db όταν το άτομο προστεθεί σε προεξοχή ενός σκαλοπατιού η γ της διεπιφάνειας δεν αλλάζει. η ανάπτυξη σε λείες S/ διεπιφάνειας & στις σύμφωνες διεπιφάνειες S/S γίνεται με εγκάρσια ανάπτυξη των ledges. Τρόποι σχηματισμού ledges & προεξοχών (jogs): Εκτεταμένη πυρηνοποίηση στην επιφάνεια Σπειροειδής ανάπτυξη Από διδυμίες (twin boundaries) Εκτεταμένη πυρηνοποίηση στην επιφάνεια Η πιθανότητα να σχηματιστεί ένας στερεός πυρήνας από το τήγμα σε ένα στερεό υπόστρωμα αυξάνεται όταν ένας μεγάλος αριθμός ατόμων σχηματίσουν ένα «δισκίδιο». Σχηματισμός ledge με πυρηνοποίηση στην επιφάνεια. Οι ακμές του δίσκου αυξάνουν την ενέργεια που πρέπει να αντισταθμιστεί από την ελεύθερη ενέργεια όγκου. Page 8 of 17 25/11/2010

Το πρόβλημα της ανάπτυξης του δίσκου είναι το 2D ανάλογο της ομογενούς ανάπτυξης ενός εμβρύου ορίζεται r* που όταν το undercooling. Όταν σχηματισθεί ο κρίσιμος πυρήνας η ταχύτητα ανάπτυξης κάθετα στη διεπιφάνεια ελέγχεται από την ταχύτητα πυρηνοποίησης στην διεπιφάνεια. Αποδεικνύεται ότι : k 2 T exp όπου k 2 σταθ. i Ο μηχανισμός αυτός είναι αναποτελεσματικός για μικρές τιμές του ΔT i. Σπειροειδής ανάπτυξη Όταν το στερεό περιέχει εξαρμώσεις που τέμνουν την επιφάνεια τότε στο σημείο τομής δημιουργούνται βήματα. Αποδεικνύεται ότι η ομαλή ταχύτητα ανάπτυξης ν για τη σπειροειδή ανάπτυξη είναι: ν=k 3 (ΔT i ) 2 όπου k 3 σταθερά χαρακτηριστική του υλικού. Εξαρμώσεις ελίκωσης σε μακρομοριακούς κρυστάλλους Page 9 of 17 25/11/2010

Προσθήκη ατόμων στο ledge the ledge περιστρέφεται γύρω από το σημείο τομής της εξάρμωσης & της επιφάνειας. Εάν κατά μέσο όρο τα άτομα προστίθενται με ίση ταχύτητα σε όλα τα σημεία του ledge τότε η γωνιακή ταχύτητα αύξησής του θα είναι αρχικά μεγίστη κοντά στον πυρήνα της εξάρμωσης προϊούσης της ανάπτυξης το ledge εξελίσσεται σε μία σπείρα. Σταδιακά η σπείρα κλείνει μέχρις ότου φθάσει μία ελάχιστη ακτίνα καμπυλότητας r*. από τον πυρήνα της εξάρμωσης. Σπειροειδής ανάπτυξη. Μία εξάρμωση ελίκωσης που φθάνει στη διεπιφάνεια S/ δημιουργεί το κατάλληλο ledge όπoυ αρχίζει η σπειροειδής ανάπτυξη. Η προσθήκη ατόμων στο ledge προκαλεί περιστροφή του με γωνιακή ταχύτητα που μειώνεται αυξανομένης της απόστασης Εξαρμώσεις ελίκωσης σε SiC Page 10 of 17 25/11/2010

Η επίδραση του undercooling ΔT i στην ταχύτητα ανάπτυξης σε λείες & ανώμαλες επιφάνειες. Στις ανώμαλες διεπιφάνειες η ταχύτητα ανάπτυξης αυξάνεται γραμμικά με το undercooling. ν=k 1 ΔT i Στις λείες διεπιφάνειες η πυρηνοποίηση αρχίζει για μεγάλες τιμές του ΔT. exp k2 T i Στην σπειροειδή ανάπτυξη ν ΔΤ 2 ν=k 3 (ΔT i ) 2 Page 11 of 17 25/11/2010

Ανάπτυξη δενδριτών-ρεύματα θερμότητας & σταθερότητα της διεπιφάνειας- Στα μέταλλα η στερεοποίηση ελέγχεται από την ταχύτητα απαγωγής της λανθάνουσας θερμότητας στερεοποίησης από τη διεπιφάνεια S/. Οι βαθμίδες θερμοκρασίας στο υγρό & στο στερεό καθορίζουν το εάν η απαγωγή θα γίνει προς την ή S φάση. 1 η περίπτωση :Θεωρούμε επίπεδη επιφάνεια στερεού που αναπτύσσεται με ταχύτητα ν μέσα σε ένα υγρό που έχει υψηλότερη Τ (υπέρθερμο). Τα ρεύματα θερμότητας πρέπει να ικανοποιούν τη σχέση: K S dt dx S K dt dx V όπου Κ είναι η θερμική αγωγιμότητα και V η λανθάνουσα θερμότητα τήξης ανά μονάδα όγκου. Η ίδια εξίσωση ισχύει και όταν (dt/dx)<0 η θερμότητα ρέει προς την υγρή φάση. Page 12 of 17 25/11/2010

Εάν συμβεί μία τοπική αύξηση της ταχύτητας ανάπτυξης στη διεπιφάνεια σχηματίζεται μια προεξοχή. Εάν η ακτίνα καμπυλότητας της προεξοχής είναι αρκετά μεγάλη τότε η διεπιφάνεια παραμένει ισόθερμη με Τ=T m Η βαθμίδα θερμοκρασίας στην - φάση στη γειτονία της προεξοχής θα αυξηθεί αυξάνεται η ροή θερμότητας προς την προεξοχή η ταχύτητα ανάπτυξης μειώνεται σε σχέση με αυτή των επίπεδων περιοχών η προεξοχή εξαφανίζεται. Η περίπτωση αυτή εμφανίζεται όταν η στερεοποίηση γίνεται σε καλούπι (mould) του οποίου τα τοιχώματα είναι πιο ψυχρά από το τήγμα. Page 13 of 17 25/11/2010

2 η περίπτωση : Το αντίθετο συμβαίνει όταν το στερεό αναπτύσσεται σε ένα supercooled υγρό με Τ<Τ m. Η θερμότητα στη γειτονία της προεξοχής απομακρύνεται πιο αποτελεσματικά προτιμητέα ανάπτυξη του tip η διεπιφάνεια S/ που αναπτύσσεται σε ένα supercooled τήγμα είναι ασταθής. Η κατάλληλη συνθήκη δημιουργείται όταν η πυρηνοποίηση συμβαίνει σε σωματίδια προσμείξεων στον όγκο του τήγματος. Δεδομένου ότι η πυρηνοποίηση προϋποθέτει supercooling οι πρώτοι πυρήνες αναπτύσσονται μέσα σε supercooled τήγμα και η λανθάνουσα θερμότητα τήξης απάγεται σε αυτό ένα σφαιρικό σωματίδιο θα αναπτύξει κλάδους προς αρκετές διευθύνσεις. Page 14 of 17 25/11/2010

Ανάπτυξη δενδριτών. Ο αρχικώς σφαιρικός πυρήνας (a) γίνεται σταθής (β), αναπτύσσονται πρωτογενείς κλάδοι (c) και ακολουθεί η ανάπτυξη δευτερογενών κλάδων (d). Οι κλάδοι των δενδριτών αναπτύσσονται σε προτιμητέες διευθύνσεις, π.χ. 100 σε κυβικά μέταλλα και 1100 σε hcp. Η απαγωγή θερμότητας από την κορυφή του δενδρίτη γίνεται σε 3D σε αντίθεση με όσα ισχύουν για μία 2D διεπιφάνεια. Αν υποθέσουμε ότι το στερεό είναι ισόθερμο, η ταχύτητα ανάπτυξης του δενδριτικού κλάδου δίδεται από εξίσωση ανάλογη της K S dt dx S K dt dx V όπου όμως η βαθμίδα θερμοκρασίας (dt/dx) μετράται κατά τη διεύθυνση ανάπτυξης του δενδρίτη. Κατανομή θερμότητας στην κορυφή ενός αναπτυσσόμενου δενδρίτη. Page 15 of 17 25/11/2010

dt dx T r Aποδεικνύεται ότι : c Οπου ΔT c είναι η διαφορά της θερμοκρασίας ανάμεσα στη διεπιφάνεια (T i ) και το supercooled τήγμα μακρυά από τον δενδρίτη (Τ ). Επομένως K S dt dx S K dt dx V K V dt dx K για δεδομένο ΔΤ η ταχύτητα ανάπτυξης αυξάνει για μικρή τιμή του r που επιτρέπει πιο αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας. V T r Προσομείωση δενδριτικής ανάπτυξης. Δενδριτική ανάπτυξη σε supercooled Cu κατά 280 Κ. Αριστερά φαίνεται η προσομοίωση ενώ δεξιά φαίνεται το πραγματικό υλικό. Page 16 of 17 25/11/2010

Δενδρίτες σε νυφάδες χιονιού. Page 17 of 17 25/11/2010