基本介紹
- 中文名：空位凝聚
- 外文名：vacancy condensation
- 防止：空位凝聚
- 定位：凝聚擴散的一種形式
- 分布：矽錠按一拉晶速率
原理,高溫蠕變空位凝聚區的凝聚擴散,空洞形核,空位凝聚過程,空位凝聚區,高溫合金蠕變位錯攀移控制的空洞形核時間,空位凝聚機制,高溫合金穩態蠕變空洞形核的臨界時間,
原理
將晶錠切割成許多半純晶片，每個晶片在中心具有富含空位區，包括空位凝聚，和在富含空位區與晶片邊緣之間的純度區，無空位凝聚和間隙凝聚。按照發明的另一方面，晶錠可按一拉晶速率分布拉制矽錠，其拉速要足夠高以便防止間隙凝聚，且還要足夠低以便防止空位凝聚。因此，當將該晶錠切割成晶片時，晶片為純矽晶片，可包含點缺陷，但無空位凝聚團的間隙凝聚團。
高溫蠕變空位凝聚區的凝聚擴散
討論局域凝聚擴散現象，導出局域凝聚一擴散方程並給出解的存在定理。對凝聚一擴散方程的穩定性的分析獲得結論，定態解的穩定性由凝聚函式控制，並導出一元系統和二元系統的失穩臨界條件表達式。
空洞形核
在環境溫度下，固體以脆性方式斷裂或以韌性方式斷裂，當溫度上升到足以使原子遷移率增大時，空洞的形核和生長則成為此時固體斷裂的主要方式之一。高溫結構在工作狀況下的斷裂常表現為這種方式，因此對空洞的形核和生長規律的研究一直是高溫斷裂的重要課題。空位凝聚和擴散在空洞形核和生長過程中起著極其重要的作用，這已為大量的理論研究和實驗研究所證實。空洞形核的另一個重要機制是晶界滑移，討論空位凝聚與擴散的作用。
早期Greenwood提議：空洞形成和成長可以由空位凝聚而產生。文獻認為：假如空位過飽和很大，則能夠形成穩定的空位團。McLean從能量變化角度分析了穩定生長空洞應滿足的條件，得到臨界空洞半徑 ( 穩定空洞核 )T0=2r/σ
若空洞核小於臨界尺寸r0, 則它將被分解而消失 ; 若大於臨界尺寸，則空位凝聚成空洞。並穩定地成長到一定尺寸。Hull考慮了靜水壓力對臨界尺寸的影響。Ashby和Raj以自由能G的變化ΔG作為決定成核速率的因素，以生成臨界空洞所需的自由能ΔG為參數，導出形核速率表達式。這給出的實際上是瞬時形核。空位凝聚成核模型也受到質凝，Evans分析臨界條件空位濃度關係中各參數典型值而估算空位濃度的量值, 認為實際空位濃度與凝聚成空洞所需的空位濃度值相差很大，因而空位凝聚成空洞是不可能的.認為完全通過空位的過飽和沉澱而成核是不現實的.
由此可提出問題：基於臨界條件所得的空位濃度是否是確定形核微觀單元空位濃度的合理描述? 如果是，則空位凝聚 (vacancy condensation) 模型的基礎有著明顯的不足之處，相反，則應對確定形核微單元空位濃度提出新的模型。
空位凝聚過程
空位漂移流的局域匯聚，使得局域空位濃度增高，產生空位濃度梯度場，並引起梯度場驅使的空位擴散運動。當然，此梯度場是局域的。
空位凝聚過程使初始散布在系統中的部分空位局域地集中，其結果是系統長程有序度提高，而在空位聚積區的短程無序度增高。短程無序度與該區的空位濃度相對應。當無序度增大到一定程度，譬如，對應的空位濃度達到形核臨界幾率，形成空洞核，即意味著產生了新的有序結構。空位濃度與平衡態濃度之差反映局域的微單元偏離平衡態的距離，當局域系統偏離平衡態足夠遠時，在局域系統中將產生新的有序結構。此情形類似耗散結構。
凝聚過程只能在外界能量流 (力場) 的輸入下才能進行，一旦能量輸入終止，凝聚過程也就停止了。若過程終止於形成穩定的空洞之前，凝聚的空位又會因為擴散仍在繼續而逐漸離開局域系統，這後面的過程是不需要外界能量流的自然過程，它使系統的無序度增高。
在空洞形核過程中，空位的凝聚與擴散起有不同的熱力學效果，將二者分別處理是深入研究局域系統偏離平衡態情形時的必要，也是就空洞形核模型熱力學解釋的探索性研究.導出了局域系統的凝聚一擴散方程，並給出了解的定理。通過對凝聚擴散方程的穩定性分析。得到了失穩臨界條件表達式以及其他一些有意思的結論。
空位凝聚區
非理想晶體存在著晶體點陣空位。無外力作用時，空位作無規則布朗運動。當有外力場存在時。引起空位附近勢場改變。使空位產生與外力相反方向的定向運動，即所謂的漂移.若晶體除點陣空位外無其他缺陷。空位漂移是均勻運動。但實際晶體總存在著如晶界、雜質一類的非完整結構。在這些非完整結構處出現力場局部畸變。空位具有較大的幾率出現於畸變區及其近鄰。畸變區場的作用使周圍空位向畸變區運動，因此畸變區具有較高的空位濃度，易於形成空位集團。進而引起畸變程度加劇.反過來又增強了畸變區對在鄰近作漂移運動的空位的吸引作用，致使畸變區內空位濃度進一步增加以及空位集團長大。局域畸變與空位集團之間的藕合作用破壞了空位漂移的均勻性。流經畸變區的空位流大於其他區域。這大於部分被稱之為附加空位流，它與該區局域空位濃度有關。是空位濃度的非線性函式，並且是單調增加的。故總空位流I是非線性增函式。
空位集團較之空位具有較大的能量和較穩定的結構。不隨空位漂移而滯留在畸變區內漂移空位與這些集團相遇而成為集團的組成部分，因此，這些集團對其他空位而言成為空位壑。另外，象晶界這類特殊結構非常有利於空位滯留。把引起空位凝聚的這類畸變區稱之為空位凝聚區。
空位在局域凝聚和滯留的現象其物理實質不同於擴散現象，空位凝聚引起質量分布不均勻勢必導致擴散。這種凝聚擴散伴隨發生的現象已不能套用擴散方法描述，必須建立新的模型。
高溫合金蠕變位錯攀移控制的空洞形核時間
對高溫合金的穩態蠕變，利用位錯擴散攀移理論解釋了空位凝 聚和空洞形核的 過程，得出空位凝 聚並形成空位集團主要是由於位錯攀移所發射(湮沒)空位,引起局部空位濃度異常所致。利用R.Lagneborg的穩態蠕變控制方程導出穩態蠕變空洞形核的臨界時間tc的表達式。
空位凝聚機制
在外力作用下的位錯發生滑移而在晶界這類障礙前塞積，在足夠高的溫度下，位錯由於熱激活而沿晶界攀移，此時位錯發射(湮沒)空位，從而使局部空位濃度進一步產生異常。設由於攀移而引起的局部空位濃度變化為cva，則晶界處的空位濃度為：cv=cv0+cva
這樣在熱力學平衡態空位濃度cv0基礎上附加空位濃度cva，在局部畸變區域出現過飽和空位濃度，即位錯周圍的空位濃度發生異常，直到空位過飽和所引起的滲透力和原來的位錯線張力相互抵銷為止。但此時晶體中將存在空位濃度梯度，空位將順著濃度梯度作擴散，導致位錯作持續攀移。
在最初過飽和空位濃度足夠大(如淬火或退火等引起)時，預料空位會在晶體內聚集成較大和較穩定的空位集團。這裡有兩種可能情況：一是如Frank(1949年)所言，空位沿密堆積面形成一個具有原子厚度的薄的連續的空位盤，如果空位盤足夠大，它將崩塌為一個位錯圈，其Burgers矢量b等於盤的厚度。Frank指出，當一個空位集團大約有5個空位時，位錯圈比空位集團穩定。二是Mullins和Sekerka(1962年)認為，形成較大較穩定的空位集團可以獲得愈來愈多的能量，以降低畸變區的應力，且認為若空位最初的過飽和度低於還是高於枝晶生長的條件則分別以球形和不規則多面體形核。這些空位集團對其餘空位說來就象壑一樣。
上述兩種情況均有可能，但要注意的是對由同樣數目空位形成的空位集團，顯然形成空位盤狀空位集團的能量大於形成球形或多面體狀空位集團的能量要大，即E盤=S盤。γ>E球=S球。γ，γ為表面能，S為空位集團的表面積。這說明空位濃度過飽和的畸變區將優先形成空位集團，空位集團在一定的條件下相互串結長大，形成空洞。以上沒有考慮局部位錯塞積處應力的弛豫。
高溫合金穩態蠕變空洞形核的臨界時間
設位錯的攀移速度為v，則穩態蠕變速率為：ε=bpv
考慮一根位錯線L，其Burgers矢量b與位錯線間的夾角為Χ,其滑移面為P，攀移面為Q。設長為l的一小段位錯沿攀移面Q運動距離s由於位錯往往藉助割階攀移，每次位錯線的攀移攀移的位移都是晶格參數的整數倍，即s=nb使局部體積膨脹，體積的變化為ΔV=b。l ×s=b×l。s=bls。sinΨ。
