結晶成長における非平衡性・異方性とメゾスケール形態予測シミュレーション

晶体生长中的非平衡/各向异性和介观形貌预测模拟

基本信息

批准号：
11750156
负责人：
中別府修
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

项目摘要

結晶の成長形には,ファセット状やデンドライト状などいろいろな形態があり,その複雑かつ秩序ある形態の形成機構は,温度・濃度場,形態と過冷度の関係,異方性,非平衡性を考慮し大規模な数値計算(フェーズフィールドモデル,PFM)を行うことで解明されつつある.本研究では,実在物質の結晶成長形態を説明,予測するために,実験的に凝固界面の熱的・組織的過冷度,結晶の成長方向と凝固速度の関係(界面カイネティクス)を精密に計測し,非平衡性・異方性を数値化し,この新しい物性値を利用したPFM計算を行った.結晶の成長速度を実測するには,移動式,および温度可変式の方向性凝固装置を製作し,界面過冷度が大きなザロール等のファセット凝固を示す物質から,界面過冷度の小さなスクシノニトリル,水等のノンファセット凝固を示す物質まで計測を行った。結果として,単位界面過冷度当りの結晶成長速度として,ザロールでは,<100>方向に5.28μm/s・K,<101>方向に1.80μm/s・Kの値が測定され,水では<0001>方向に71μm/s・K,<1120>方向に380μm/s・Kの値が測定された。特定の結晶方位に対して実測された成長速度を元に,結晶の対称性と結晶面内の分子数と成長速度の関係を考慮し,方位と成長速度の関係をモデル化し,PFMによる結晶成長シミュレーションを行った。二次元結晶成長シミュレーションの結果,ザロールを模擬したケースでは,実在結晶と同様のファセット凝固が再現され,また,水のc軸を含む面内の結晶成長を模擬したケースでは,A軸方向に優勢に成長が進むファセット状の凝固様式が再現された。c軸に垂直な面内のシミュレーションでは,6回対称性を持つ強度5%の異方性を導入した場合に,実在結晶の特徴を示すシミュレーション結果が得られた。本研究により,界面カイネティクス情報を何らかの手段により特定することで,PFM等によるシミュレーションで,結晶成長を予測可能であることが示された。

有各种形式的晶体生长，例如面和树突状，复合和有序形式的形成机理通过大规模数值计算（相位场模型，PFM）来阐明，并考虑到温度和浓度场，形态和超冷，和过度冷却，轴心体和非平衡性的关系。在这项研究中，为了解释和预测实际物质的晶体生长形态，实验性地对固化界面的热和系统过冷和晶体的生长。精确测量了方向和凝固速率（接口动力学）之间的关系，并量化了非平衡和各向异性，并使用此新的物理属性值进行了PFM计算。为了实际衡量晶体的生长速率，制造了一种移动和可变的温度定向固化装置，并通过表现出表面固化的物质进行了测量，例如Zarol，Zarol（Zarol）表现出具有较大的界面过冷度的刻面固化，以表现出具有非面积固化的物质，例如表现出诸如SucciNononInontrile，水的水平，具有小的互动性。结果，在Zarol中测量了单位界面超冷速率的晶体生长速率，<100>方向为5.28μm/s k，<101>> <101>方向测量1.80μm/s K，而水值则在水中测量，在水中测量71μm/s k，在<0001>方向和380μm/s k中的71μm/s k中。基于针对特定晶体取向的实际生长速率，我们考虑了晶体对称性与晶体平面中分子数与生长速率之间的关系，并对使用PFM进行了方向和生长速率与晶体生长模拟之间的关系建模。二维晶体生长模拟的结果表明，在模拟Zarol的情况下，在平面中模拟了晶体生长的情况，包括水的C轴（包括水的C轴），在A-Xisis方向上主要进展。在垂直于C轴的平面中的模拟中，当引入6个对称性的5％的各向异性时，显示了实际晶体的特征。这项研究表明，通过使用PFM等模拟可以通过某种方式识别界面动力学信息来预测晶体生长。