Interfacial transport kinetics during the solidification of silicon

• Published in: Acta metallurgica et materialia 1992-07, Vol.40 (7), p.1617-1622
• Main Authors: Stiffler, S.R., Evans, P.V., Greer, A.L.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Cross-disciplinary physics: materials science; rheology; Exact sciences and technology; Materials science; Methods of crystal growth; physics of crystal growth; Physics; Theory and models of crystal growth; physics of crystal growth, crystal morphology and orientation
• ISSN: 0956-7151; 1873-2879
• DOI: 10.1016/0956-7151(92)90103-L

Studies of the temperature dependence of interfacial reaction kinetics have recently been made in experiments on crystal nucleation and growth in undercooled liquid Si, allowing estimation of the apparent activation energy over a fairly wide range in temperature. The activation energy inferred from growth experiments, at temperatures near the equilibrium melting temperature ( T m), is ∮.2eV while nucleation experiments at temperatures near 2 T m/3 indicate a value of 1.09 eV. This discrepancy can be resolved if the interfacial kinetics are described by a Fulcher-Vogel expression rather than an Arrhenius one, consistent with interfacial atomic mobility being free-volume limited. The ideal glass transition temperature indicated by a free-volume analysis is 1040 ± 100 K for liquid Si; however, experimental measurements of the solidification rate for amorphous Si indicate a slightly lower value. Des études de la dépendance en température de la cinétique de réaction interfaciale ont été récemment menées par les expériences sur la germination et la croissance de silicium liquide surfondu, permettant l'estimation de l'énergie d'activation apparente sur un assez large domaine de température. L'énergie d'activation qui découle d'expériences de croissance, à des températures voisines de la température de fusion à l'equilibre ( T f), est d'environ 0,2 eV tandis que les expériences de germination à des températures voisines de 2 T f/3 indiquent une valeur de 1,09 eV. Cet écart peut disparaitre si les cinétiques interfaciales sont décrifes par une expression de Fulcher et Vogel plutôt que par une loi d'arrhenius, ce qui est cohèrent avec une mobilité atomique interfaciale limitée par le volume libre. La température de transition vitreuse idéale donnée par une analyse du volume libre est de 1040 ± 100 K pour le Si liquide; cependant, des mesures expérimentales de la vitesse de solidification pour le Si amorphe indiquent une valeur légèrement plus faible. Die Temperaturabhängigkeit der Grenzflächenreaktionskinetik wurde vor kurzem mit Experimenten zu Kristallkeimbildung und-wachstum in unterkühlter Si-Schmelze untersucht. Dadurch konnte die effektive Aktivierungsenergie über einen ziemlich groβen Temperaturbereich ermittelt werden. Die sich aus den Wachstumsexperimenten ergebende Aktivierungsenergie beträgt bei Temperaturen in der Nähe der Gleichgewichts-Schmelztemeratur T m 0,2 eV, wohingegen die Keimbildungsezperimente bei Temperaturen in der Nähe von 2 T m/3 auf einen