Модель роста нитевидных кристаллов, контролируемого гетерогенной химической реакцией, с учетом размерного эффекта

Аннотация

Нитевидные кристаллы имеют важное практическое применение в машиностроении позволяя улучшать прочностные, эксплуатационные и физические характеристики конструкционных материалов при создании композитов армированных усами. Модель роста усов кремния, контролируемого химической реакцией на границе жидкостьгаз, дополнена учетом давления насыщенного пара кремния в расплаве на вершине кристалла. Для кристаллов достаточно малых размеров давление насыщенного пара кристаллизующегося вещества становится столь значительным, что рост кристалла прекращается. Модель предполагает диффузионную доставку исходных веществ и отвод продуктов реакции в тонкий приповерхностный слой газа у поверхности раздела жидкость-газ, где концентрации реагентов остаются постоянными. Концентрации реагентов в этом слое определяют скорость химической реакции выделения кристаллизующегося вещества.
Учтён поток, возникающий за счет давления насыщенного пара кремния над расплавом,
при условии, что испаряющиеся атомы практически полностью вступают во взаимодействие с реагентами в газовой фазе. Баланс диффузионных, химических потоков и потоков испарения позволяет найти скорость роста нитевидного кристалла в зависимости от его радиуса и технологических параметров процесса. Зависимость скорости роста нитевидного кристалла от его радиуса имеет максимум, а при достаточно малых поперечных размерах кристалла обращается в нуль. Получено выражение для радиуса кристалла, при котором скорость роста обращается в нуль. Рост кристалла прекращается при достаточно больших радиусах. Получено выражение, определяющее максимальный радиус кристалла, при котором рост становится невозможным. Результаты работы будут полезны при анализе роста нитевидных кристаллов различных веществ, который сопровождается химической реакцией. Модель, предложенная в работе, будет востребована для разработки технологических процессов массового производства кристаллов с целью получения композиционных материалов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Вагнер Р. Монокристальные волокна и армированные ими материалы / Под ред. А. Т. Туманова.
М.: Мир, 1973, 64 с.
2. Гиваргизов Е. И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. М.: Наука, 1977, 304 с.
3. Небольсин А. А., Щетинин А. А. Рост нитевидных кристаллов. Воронеж: ВГТУ, 2003, 620 с.
4. Дубровский В. Г., Цырлин Г. Э., Устинов В. М. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы:
синтез, свойства, применения // ФТП, 2009, т. 43(12), с. 1585–1628.
5. Антипов С. А., Дрожжин А. И., Рощупкин А. М. Релаксационные явления в нитевидных кристаллах
полупроводников. Воронеж: ВГУ, 1987, 192 с.
6. Дрожжин А. И. Преобразователи на нитевидных кристаллах Р–Si<111>. Воронеж: ВГПИ, 1984, 241 с.
7. Spinelli P., Verschuuren M. A., Polman A. Broadband omnidirectional antirefl ection coating based on
subwavelength surface Mie resonators // Nat. Commun., 2012, v. 3(1), p. 692. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1691
8. Zhang R., Zhang Y., Zhang Q., Xie H., Qian W., Wei F. Growth of half-meter long carbon nanotubes
based on schulz-fl ory distribution // ACS Nano, 2013, v. 7 (7), pp. 6156–6161. DOI: https://doi.org/10.1021/nn401995z
9. Козенков О. Д. Модель роста нитевидного кристалла, лимитируемого гетерогенной химической реакцией // Неорганические материалы, 2014, т. 50 (11), с. 1238. DOI: https://doi.org/10.7868/S0002337X14110104
10. Козенков О. Д. Зависимость скорости роста нитевидного кристалла, лимитируемого гетерогенной химической реакцией, от состава жидкой фазы // Конденсированные среды и межфазные границы, 2016. т. 18(3), с. 338–344. Режим доступа: https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/141/99 (датаобращения: 02.12.2019)
11. Shchetinin A. A., Bubnov L. I., Kozenkov O. D., Tatarenkov A. F. Infl uence of various impurities on the
axial growth rate of silicon whiskers. Известия Академии наук СССР. Неорганические материалы, 1987,
т. 23(10), с. 1589–1592.
12. Козенков О. Д., Горбунов В. В. Модель теплового баланса бесконечно длинного нитевидного
кристалла // Неорганические материалы, 2015, т. 51(5), с. 576–580. DOI: https://doi.org/10.7868/S0002337X15050073
13. Козенков О. Д., Щетинин А. А., Горбунов В. В., Сычев И. В. Зависимость скорости роста нитевидного кристалла, лимитируемого гетерогенной химической реакцией, от состава газовой фазы при больших концентрациях тетрахлорида кремния //Вестник ВГТУ, 2016, т. 13(4), с. 78–184.
14. Козенков О. Д., Косырева Л. Г. Зависимость скорости роста нитевидного кристалла, лимитируемого гетерогенной химической реакцией, от состава газовой фазы // Неорганические материалы,
2015, т. 51(11), с. 1255–1259. DOI: https://doi.org/10.7868/S0002337X15100097
15. Даринский Б. М., Козенков О. Д., Щетинин А. А. О зависимости скорости роста нитевидных кристаллов от их диаметра // Известия вузов. Физика, 1986, т. 32(12), с. 18–22.
16. Щетинин А. А., Козенков О. Д., Небольсин В. А. О зонах питания нитевидных кристаллов кремния растущих из газовой фазы // Известия вузов, Физика, 1989, т. 32(6), с. 115–116.
17. Щетинин А. А., Дунаев А. И., Козенков О. Д. О травлении монокристаллов кремния через жидкую
фазу и образовании систем обычных и «отрицательных» нитевидных кристаллов. Воронеж: ВГПИ, 1981, 9 с.
18. Козенков О. Д., Козьяков А. Б., Щетинин А. А. О конусности нитевидных кристаллов кремния //
Известия вузов, Физика, 1986, т. 29(9), с. 115–117.
19. Козенков О. Д. Конусность нитевидного кристалла, обусловленная гетерогенной химической реакцией // Неорганические материалы, 2016, т . 52 (3), с. 279–284. DOI: https://doi.org/110.7868/S0002337X16030064