本書是作者在十多年來從事晶體生長和工程熱物理交叉領域研究的基礎上編寫的。

《晶體生長中輸運現象及晶體缺陷》首先闡述晶體生長的基本原理和輸運現象，並介紹計算流體力學方法；其次著重討論薄膜製備中傳熱和傳質現象，包括薄膜製備系統的複雜化學反應機理，並介紹與傳熱和傳質相關的晶體缺陷；然後，以多晶矽、藍寶石、氮化鎵等應用廣泛的晶體為例，詳細討論塊狀晶體、薄膜晶體製備過程的研究方法和優化策略；最後，《晶體生長中輸運現象及晶體缺陷》進一步討論從分子動力學角度理解開裂、位元錯等晶體缺陷形成的機理，以及採用原理輔助的分子動力學方法預測熱物性參數的理論。

序一
序二
序三
前言

第1章 引論 1
1.1 背景介紹 1
1.1.1 晶體的用途 1
1.1.2 研究的意義 4
1.2 典型的晶體生長技術 6
1.2.1 塊狀晶體生長技術 6
1.2.2 薄膜晶體生長技術 12
1.3 晶體生長數值研究的狀況 13
1.4 本書的內容安排 14
參考文獻 15

第2章 晶體生長原理 19
2.1 相變熱力學原理 19
2.1.1 固/液相平衡及相圖 19
2.1.2 相圖與晶體生長 22
2.2 生長介面與晶體缺陷 23
2.2.1 生長介面的演化 23
2.2.2 生長介面與晶體缺陷 24
2.2.3 生長介面臨界速度 27
2.3 晶體成品檢測 29
2.4 晶體製備系統優化的任務 37
參考文獻 38

第3章 晶體生長中的流動與傳熱 40
3.1 流動類型 40
3.2 傳熱模式 42
3.2.1 傳熱基本模式 42
3.2.2 熱輻射理論 44
3.2.3 輻射模型的適用性 47
3.2.4 輻射與生長介面.50
3.3 常用熱物性參數 51
3.4 湍流流動與傳熱 59
參考文獻 60

第4章 計算流體力學基礎 62
4.1 計算流體力學的發展 62
4.2 控制方程與邊界條件 63
4.2.1 流動與傳熱方程組 63
4.2.2 組分輸運方程 64
4.2.3 邊界條件 66
4.3 控制方程的離散與求解 68
4.4 傳統SIMPLE方法 71
4.5 網格劃分和處理方法 73
4.5.1 正交網格 73
4.5.2 廣義曲線坐標系中的控制方程 78
4.5.3 曲線有限體積SIMPLER演算法 82
4.6 其他網格技術 84
4.6.1 結構網格 84
4.6.2 有限元分析 86
4.6.3 無網格技術 87
參考文獻 88

第5章 晶體生長中的傳質與化學反應 90
5.1 溶質輸運與分凝 90
5.2 化學反應 97
5.2.1 化學反應動力學基礎 98
5.2.2 體積氣相反應 100
5.2.3 表面固相反應 101
5.3 與組分相關的晶體缺陷 102
參考文獻 103

第6章 熱應力及相關缺陷 105
6.1 熱應力產生機制 105
6.2 熱應力的物理模型 105
6.2.1 彈性常數矩陣轉換 106
6.2.2 熱應變向量轉換 109
6.2.3 熱場與應力場耦合問題 110
6.3 熱應力計算模型及應用 111
6.4 與應力相關的晶體缺陷 113
6.4.1 位錯 113
6.4.2 開裂 115
參考文獻 118

第7章 塊狀晶體生長研究 119
7.1 多晶矽鑄錠系統的研究和優化 119
7.1.1 多晶矽研究現狀 119
7.1.2 多晶矽定向凝固系統 122
7.1.3 數學物理模型 124
7.1.4 多晶矽製備過程優化 127
7.2 泡生法製備系統的研究和優化 141
7.2.1 藍寶石研究現狀 141
7.2.2 泡生法單晶生長系統 144
7.2.3 數學物理模型 145
7.2.4 計算結果分析 149
7.3 提拉法製備系統的研究和優化 163
7.3.1 工藝參數的影響 164
7.3.2 工藝參數綜合評估 167
7.3.3 包裹體雜質研究 169
7.4 內部熱輻射的影響 173
7.4.1 內部熱輻射與凝固介面 173
7.4.2 內部熱輻射與雜質缺陷 175
7.5 塊狀晶體研究總結 179
參考文獻 180

第8章 薄膜晶體生長研究 184
8.1 氮化鎵薄膜晶體介紹 184
8.2 氮化鎵薄膜製備實驗 186
8.2.1 MOCVD的基本原理和系統組成 186
8.2.2 MOCVD反應器的分類 188
8.2.3 薄膜缺陷的實驗研究 189
8.2.4 外延片的生長均勻性 197
8.3 薄膜製備過程數學模型 204
8.3.1 模型假設與簡化 204
8.3.2 控制方程與邊界條件 204
8.3.3 簡化化學反應模型 207
8.4 薄膜製備過程的研究 208
8.4.1 國內外研究現狀 208
8.4.2 反應器幾何模型與基準條件 211
8.4.3 幾何結構的影響 215
8.4.4 工藝參數的影響 226
8.5 薄膜應力分析 234
8.5.1 國內外研究現狀 234
8.5.2 與應力相關的溫度場 234
8.5.3 薄膜應力分析 248
8.6 薄膜反應器的優化設計 259
8.6.1 評價標準與優化方案 259
8.6.2 氣體分隔入口的影響 261
8.6.3 熱部件的研究與優化 263
8.6.4 三維效應研究 281
8.7 薄膜晶體研究總結 284
參考文獻 285

第9章 晶體缺陷和熱物性的微觀研究 289
9.1 分子動力學和第一性原理介紹 289
9.1.1 分子動力學模擬方法 289
9.1.2 第一性原理簡介 295
9.2 微裂紋的研究 298
9.2.1 薄膜開裂臨界厚度分析 301
9.2.2 晶面的表面能及斷裂韌性 302
9.2.3 小角度晶界的表面能及斷裂韌性 307
9.2.4 臨界生長厚度和開裂演化模式 312
9.3 位錯的形成及演化 315
9.3.1 位錯的演化 316
9.3.2 位錯的活化能 319
9.3.3 位錯形核及運動 328
9.4 第一性原理及熱物性計算 331
9.4.1 熱學性質計算分析 331
9.4.2 單層薄膜導熱係數計算中的勢函數 334
9.4.3 勢函數的擬合方法 337
9.4.4 勢函數的評價 339
9.5 本章小結 345
參考文獻 347