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2018 Fiscal Year Annual Research Report

4次元in-situ界面観察と熱物性計測によるインクルージョンフリーSiCの実現

Research Project

Project/Area Number 17H04960
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

川西 咲子  東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (80726985)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywordsシリコンカーバイド / 溶液成長 / 物性値 / 熱流動予測
Outline of Annual Research Achievements

溶液成長法による高品質シリコンカーバイドの高速育成の実現に向け、クロム、鉄などをシリコンに添加した溶媒の利用が検討されてきた。成長結晶の品質は年々向上しているが、結晶中への溶媒の取り込みの根絶に向けた指針は確立されていない。そこで本研究では、溶媒の取り込みの無い高品質結晶の実現を目指し、溶液の高温熱物性値の観点で調査を進めている。本年度は、成長用の溶液に用いられる溶融シリコン―鉄および溶融シリコンークロム合金の各種物性値の評価およびそれを用いた成長時の熱流動予測を実施した。昨年度にレーザーフラッシュ法により実測した熱拡散率に加え、溶融合金の比熱、密度、表面張力、粘度の影響を評価した。その結果、いずれの物性値も通常の熱流動予測で用いられる溶融シリコンの物性値とは異なる値を示し、純物質の加成性等では合金の性質を表現できない場合があることもわかった。次いで、各種物性値が溶液成長時の熱流動に及ぼす影響を熱流体シミュレーションソフトを用いて実施した。高品質結晶の育成の上で重要とされる溶液成長界面前方での温度分布に着目すると、表面張力の影響はなく、比熱、密度、粘度については僅かに変化を及ぼすことがわかった。それに比べ、熱伝導率が温度分布に及ぼす影響は大きく、合金特有の小さな熱伝導率により成長界面前方の温度勾配は急峻になることがわかった。これは成長界面の安定性を左右する組成的過冷に直接作用する因子であり、溶質濃度分布と併せた議論が重要であることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

各種物性値が及ぼすインパクトの評価を熱流動予測により実施し、考慮すべき物性値を明らかにすることができたため。

Strategy for Future Research Activity

溶液成長実験により得られるインクルージョンの発生状況と熱流動予測結果との関係を明らかにする。これまでに得られた知見と併せ、インクルージョンを含まない結晶育成の実現に向けた指針を提示する。

  • Research Products

    (8 results)

All 2019 2018

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] 2073Kにおける溶融Si-Fe, Si-NiおよびSi-Fe-Cr合金中の炭素溶解度の測定と熱力学評価2019

    • Author(s)
      川西咲子, 吉川健
    • Journal Title

      鉄と鋼

      Volume: 105 Pages: 389-394

    • DOI

      https://doi.org/10.2355/tetsutohagane.TETSU-2018-103

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] In-situ Interface Observation of 3C-SiC Nucleation on Basal Planes of 4H-SiC during Solution Growth of SiC from Molten Fe-Si Alloy2018

    • Author(s)
      Sakiko Kawanishi and Takeshi Yoshikawa
    • Journal Title

      JOM

      Volume: 70 Pages: 1239-1247

    • DOI

      10.1007/s11837-018-2912-2

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Effect of Al Addition to Si-Cr Based Solvent for Solution Growth of Single Crystalline SiC2019

    • Author(s)
      Sakiko Kawanishi, Takeshi Yoshikawa and Daikoku Hironori
    • Organizer
      TMS2019 148th Annual Meeting and Exhibition
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 溶液成長法による単結晶SiC育成プロセスの研究2019

    • Author(s)
      川西咲子
    • Organizer
      日本鉄鋼協会, 第177回春季講演大会
    • Invited
  • [Presentation] SiC溶液成長時の溶液内熱流動に及ぼす各種物性値の影響2019

    • Author(s)
      川西咲子, 大黒寛典, 石川毅彦, 阿部舞, 柴田浩幸, 吉川健
    • Organizer
      日本金属学会, 2019年春季(第164回)講演大会
  • [Presentation] SiC溶液成長時の成長界面に及ぼすCr-Si合金溶媒の熱伝導率の影響2019

    • Author(s)
      阿部舞, 川西咲子, 柴田浩幸
    • Organizer
      日本鉄鋼協会, 第177回春季講演大会
  • [Presentation] Effect of Thermal Conductivity of Solvent on Heat Flow during Solution Growth of SiC2018

    • Author(s)
      Mai Abe, Sakiko Kawanishi and Hiroyuki Shibata
    • Organizer
      European Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 溶融Fe-Si合金の熱伝導率の計測2018

    • Author(s)
      阿部舞, 川西咲子, 柴田浩幸
    • Organizer
      日本熱物性学会, 第39回日本熱物性シンポジウム

URL: 

Published: 2019-12-27  

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