Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Математическое моделирование тепловых процессов при кассетной кристаллизации халькогенидов

https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-3-179-189

Аннотация

Рассмотрена оригинальная модификация метода направленной кристаллизации в виде многокассетного процесса, которая обладает сравнительной простотой и высокой производительностью. Основой данного исследования работы послужили отечественные патенты и технологические исследования, проводимые в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС». В результате были разработаны математические модели многокассетного метода, позволяющие как трехмерный радиационно-кондуктивный анализ тепловых процессов во всем объеме теплового узла, так и двумерный анализ конвективно-кондуктивного теплообмена в отдельной кассете. Проведенные на их основе параметрические расчеты были нацелены на выявление роли расположения и размеров компонентов теплового узла в формировании теплового поля в кассетном блоке; установление влияния вертикальной однородности подвода тепла к кассетному блоку и скорости снижения мощности нагрева в процессе кристаллизации пластины, а также на определение влияния малых перекосов в конструкции кассеты и нарушения однородности  охлаждения её донной части на возникновение конвекции и асимметричного теплопереноса. Применение модели кондуктивно-радиационного теплообмена для всей конструкции теплового узла позволило провести параметрические расчеты, на основе которых проанализировано влияние компонентов конструкции теплового узла, их расположения и температуры на условия теплообмена на границах кассетного блока. На основе кондуктивно-конвективной модели в ростовой кассете определено, что асимметрия конструкции и граничных тепловых условий, а также неустойчивый вертикальный градиент температуры приводят к возникновению конвективных вихрей и существенному отклонению фронта кристаллизации от плоской формы. Расчеты по модели конвективного массообмена показали, что увеличение на порядок скорости кристаллизации расплава значительно увеличивает поток теллура в кристалл, тем самым существенно изменяя состав расплава вблизи фронта кристаллизации и, таким образом, являясь потенциальной причиной начала дендритного роста. Достоверность результатов расчетов проверялась на ряде тестов, в которых анализировалось влияние тепломассопереноса на форму фронта кристаллизации при скоростях охлаждения кассеты, соответствующих данным процессов по выращиванию поликристаллов теллурида висмута.

Об авторах

А. И. Простомолотов
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526, Россия
Россия
Анатолий Иванович Простомолотов — доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник


Н. А. Верезуб
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526, Россия
Россия
Наталия Анатольевна Верезуб — канд. физ.-мат. наук, доцент, старший научный сотрудник


Список литературы

1. Winkler M., Liu X., König J.D., Buller S., Schürmann U., Kienle L., Benschb W., Böttnera H. Electrical and structural properties of Bi2Te3 and Sb2Te3 thin films grown by the nanoalloying method with different deposition patterns and compositions // Journal of Materials Chemistry. 2012. V. 22. P. 11323–11334.

2. Гусев А. И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. Изд. 2-е, исправленное и дополненное. М.: Наука-Физматлит, 2007. 416 с.

3. Zhang Z., Sharma P.A., Lavernia E.J., Yang N. Thermoelectric and transport properties of nanostructured Bi2Te3 by spark plasma sintering // Journal of Materials Research. 2011. V. 26. P. 475–484.

4. Scheele M., Oeschler N., Meier K., Kornowski A., Klinke Ch., Weller H. Synthesis and thermoelectric characterization of Bi2Te3 nanoparticles // Adv. Funct. Mater. 2009. V. 19. P. 3476–3483.

5. Zakeria M., Allahkaramia M., Kaveia Gh., Khanmohammadianb A., Rahimipour M.R. Synthesis of nanocrystalline Bi2Te3 via mechanical alloying // Journal of Materials Processing Technology. 2009. V. 209. P. 96–101.

6. Jae-Taek Im. Grain refinement and texture development of cast BiSb alloy via severe plastic deformation (dissertation). Yeung-nam University, Republic of Korea. 2007. 113 p.

7. Белов Ю.М., Н. Маекава Н. Литая пластина, изготовленная из термоэлектрического материала // Патент РФ. № 2160484. Опубл. 10 .12.2000. 5 с.

8. Белов Ю.М., Волков М.П., Манякин С.М. Полупроводниковое длинномерное изделие для термоэлектрических устройств // Патент РФ. № 2181516. Опубл. 20.04.2002. 9 с.

9. Белов Ю.М., Пономарев В. Ф., Телышев А.В., Рябинин Д.Г. Кристаллическая пластина, прямоугольный брусок, компонент для производства термоэлектрических модулей и способ получения кристаллической пластины // Патент РФ. № 2402111. Опубл. 20.10.2010. 15 с.

10. Демчегло В.Д., Воронин А.И., Табачкова Н.Ю., Бублик В.Т., Пономарев В.Ф. Структура пластин твердого раствора Bi2Se0.3Te2.7, полученных кристаллизацией в плоской полости методом Бриджмена // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 8. С. 1064–1067.

11. Bogomolov D.I., Bublik V.T., Verezub N.A., Prostomolotov A.I., Tabachkova N.Yu. The plastic forming research in producing process of thermoelectric material on based of bismuth telluride // Russian Electronics. 2018. V. 47. No 8. P. 544–552.

12. Простомолотов А.И. Сравнительный анализ методов пластического формования и кристаллизации при получении термоэлектрических материалов на основе халькогенидов // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2018. Т. 23. № 122. С. 223–-226.

13. Ганина С.М., Гинкин В.П., Буденкова О.Н., Саади Б., Ашани Л., Фотрель И. Моделирование кристаллизации бинарных расплавов на примерах численного и экспериментального бенчмарков // Вопросы атомной науки и техники. (ВАНТ), сер. Математическое моделирование физических процессов. 2012. Вып. 3. С. 45-56.

14. Ahmad N., Combeau H., Desbiolles J.-L. et al. II Metall. Mat. Trans. A. 1998. Vol. 29. P. 617–630.

15. Prostomolotov A., Ilyasov H., Verezub N. CrystmoNet remote access code for Czochralski crystal growth modelling // Science and Technology. 2013. V. 3. No 2A. P. 18–25.

16. Магомедов Я.Б., Гаджиев Г.Г., Омаров З.М. Температурная зависимость теплопроводности и электропроводности Bi2Te3 и его расплава // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. 2013. № 9. С. 1–5.

17. Глазов В.М. Жидкие полупроводники. М: Наука. 1967. 246 с.

18. Пашинкин А.С., Михайлова М.С. Анализ термодинамических функций твердого теллурида висмута // Изв. Вузов. Электроника. 2015. Т. 20. № 2. С. 198–200.

19. Caillat T. et al. Study of the Bi-Sb-Te ternary phase diagram // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1992. V. 53. No. 2. С. 227–232.

20. Voronin A.I., Novitskii A.P., Ashim Y.Z., Inerbaev T.M., Tabachkova N.Y., Bublik V.T., Khovaylo V.V. Exploring the Origin of Contact Destruction in Tetradymite-Like-Based Thermoelectric Elements // Journal of Electronic Materials. 2019. V. 48. No. 4. P.1932–1938.


Для цитирования:


Простомолотов А.И., Верезуб Н.А. Математическое моделирование тепловых процессов при кассетной кристаллизации халькогенидов. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2019;22(3):179-189. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-3-179-189

Просмотров: 94


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)