Теплофизические основы создания новых материалов

Создание теплофизических основ разработки и производства новых материалов является одним из приоритетных направлений деятельности института. Основное внимание уделяется исследованию:

• высокопроизводительных, воспроизводимых и управляемых процессов получения пленок, порошков и синтеза материалов методами плазмохимических реакций в сверхзвуковых потоках газов и лазерной абляции;
• тепломассообмена в тепловых узлах и в ростовых установках при получении монокристаллов и эпитаксиальных пленок из расплавов и из растворов в расплаве методами направленной кристаллизации;
• равновесных и метастабильных фазовых диаграмм кристаллообразующих неорганических материалов;
• термодинамики и кинетики фазовых превращений и химических реакций, протекающих в гомогенных и гетерогенных материалах в конденсированном состоянии.

Исследованы корреляции между газофазными процессами в потоке газа, прошедшем зону активации в электронно-лучевой плазме, и характеристиками пленок, осаждаемых из этого потока. Обнаружена определяющая роль газофазной конденсации на характеристики пленок.

Исследованы физико-химические процессы, протекающие при напылении пленок многокомпонентных материалов методом лазерной абляции. Выявлены условия, при которых реализуется эпитаксиальный рост пленок высокотемпературных сверхпроводников с совершенной кристаллической структурой.

Проведено комплексное физическое и численное моделирование гидродинамических процессов и конвективного теплообмена при росте кристаллов методами Чохральского, Бриджмена–Стокбаргера, горизонтальной направленной кристаллизации и др. Исследованы режимы тепловой гравитационно-капиллярной конвекции, вынужденной и смешанной конвекции в однофазных системах и при наличии кристаллизации легкоплавких веществ-имитаторов расплавов. Экспериментально изучены гидродинамика, локальный и интегральный теплообмен в установившихся режимах течения от ламинарного до развитого турбулентного. Проведен сравнительный анализ эволюции структуры течения с ростом чисел Грасгофа, Марангони, Рейнольдса для жидкостей с числами Прандтля Рг = 0,05; 16; 50; 2700. Изучены закономерности локального и интегрального теплообмена и их связь с особенностями гидродинамики, влияние структуры течения на форму фронта кристаллизации.

Физическая модель варианта метода Чохральского.

Созданы новые, не имеющие аналогов в мире, методы (вибрационные и с использованием проникающего излучения) исследования физических характеристик и фазовых превращений в расплавах и твердых материалах. Детально изучены равновесные и метастабильные фазовые диаграммы оксидных, оксидно-солевых, полупроводниковых и металлических систем, использующихся или перспективных для выращивания лазерных, нелинейно-оптических полупроводниковых и других кристаллов нового поколения.

Проведенные комплексные исследования дали возможность предложить новые и усовершенствовать существующие методы получения монокристаллов и пленок, а также существенно повысить их эксплуатационные характеристики. Внесен существенный вклад в создание теоретических основ технологии выращивания монокристаллов из расплавов.

Зависимость формы фронта кристаллизации от режима  течения: а) преобладающее влияние тепловой гравита- ционно-капиллярной конвекции, Gr = 3280; Ма = 3165;  Rе = 24; б) сопоставимый вклад свободной и вынужденной  конвекции, Gr = 3575; Ма = 3454; Rе = 40,4;  в) преобладающее влияние вынужденной конвекции,  Gr = 4750; Ма = 4590; 1 – Rе = 63; 2 – Rе = 91.

Фазовая диаграмма системы Li2O – B2O3. Показано, что состав  кристаллизующихся фаз и соединений зависит от термовременных  условий проведения опыта, т. е. система обладает "памятью". Линии ликвидус соединений с инконгруэнтным плавлением продол- жаются в метастабильную область как ниже, так и выше темпера- туры перитектической реакции. Инконгруэнтно плавящиеся соеди- нения пентаборат и триборат лития могут иметь конгруэнтную  точку плавления.

• Бердников B.C., Винокуров В.В., Панченко В.И., Соловьев С.В. Теплообмен в классическом методе Чохральского // ИФЖ. 2001. Т. 74, № 4. 
• Каплун А.Б., Мешалкин А.Б. Фазовые равновесия в системе Na2O-B2O3 в области 48–84 мол. B2O3 // Журн. Неорганической химии. 2003. Т. 48, № 10. 
• Berdnikov V.S., Vinokourov V.A., Vinokourov V.V., Gaponov V.A. Mixed convection flow of the melt and heat transfer during Czochralski cristal growth // Proc. of the Fifth Intern. Conf. "Single crystal growth and heat & mass transfer". Obninsk. 2003. V. 1.
• Kaplim A.B., Meshalkin A.B. Oscillation method of phase analysis as powerful method of comprehensive study of the physical-chemistry properties and phase equilibria for new materials design// J. Crystal Growth. 2005. V. 275. Issue 1, 2. 
• Khairulin R.A., Stankus S.V., Bezverkhy P.P. Study of the binary diffusion in the liquid Sn Pb and Al Ge melts by measurement of the melt concentration // J. Alloys and Compounds. 2000. V. 312, N. 1, 2. 
• Khairulin R.A., Lyapunov K.M., Mozgovoi A.G., Stankus S.V., Ulyusov P.V. Crystallization and relaxation phenomena in the bismuth lead eutectic // J. Alloys and Compounds. 2005. V. 387. 
• Sharafutdinov R.G., Khmel S.Ya., Shchu-kin V.G., Ponomarev M.V., Baranov E.A., Volkov A.V., Semenova O.I., Fedina L.I., Dobrovolsky P.P., Kolesov B.A. Gas-jet electron beam plasma-chemical vapor deposition method for solar cell application // Solar Energy Materials & Solar Cells. 2005. V. 89.