Диск

Диск
Шифр эксперимента: Диск
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Исследование процессов диффузии и сегрегации при кристаллизации кремния из металл-кремниевого расплава
Цель эксперимента:

Проведение в условиях микрогравитации фундаментальных исследований процессов роста кристаллов кремния из расплавленного раствора Al-Si с целью определения коэффициентов сегрегации примесей B и P в расплаве. Совершенствование технологий очистки металлургического кремния солнечного качества и прямого получения кристаллического Si из двойных металл-кремниевых расплавов.

Описание эксперимента:

Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ

• Исследование закономерностей переноса массы и характера сегрегации в широком диапазоне концентраций Si (от 12 до 40 вес. %) с целью проверки математических моделей и численных методов расчета процессов растворения, диффузии и кристаллизации компонент двойных растворов.

• Реализация метода роста кристаллического кремния с целью определение равновесных коэффициентов сегрегации B и P в расплаве Al-Si.

• Получение кристаллов с целью совершенствования технологий очистки металлургического кремния солнечного качества и прямого получения кристаллического Si из двойных металл-кремниевых расплавов.

Требования к КЭ в отношении объектов исследования

Объектом исследований являются процесс растворения, диффузии и кристаллизации Si из его расплавленного раствора с Al и полученные кристаллы кремния, выращенные на борту ПКК из двойного расплава Al-Si тигельным методом осевого теплового потока, отвечающие следующим требованиям:

• Параметры раствора:

Содержание кремния, вес. %, минимальное 12

Содержание кремния, вес. %, максимальное 40

Содержащиеся примеси P, B

Концентрация примесей, ppma 20-60

• Параметры кристалла:

Диаметр, мм 25

Длина, мм, не менее 10

Объем исследований

Количество сеансов: Срок реализации КЭ – 2 года. За это время необходимо провести три серии ростовых экспериментов, до 6-8 сеансов в год.

В первой серии, состоящей из трех-четырех сеансов, отрабатывается техника эксперимента. Испытания двух различных методов кристаллизации, а именно без перемещения тигля относительно ОТФ-нагревателя и с вытягиванием кристалла, – проводятся при росте кремния из сплава Al-Si с содержанием 30 вес. %Si. Вращающееся магнитное поле будет использоваться либо только на стадии гомогенизации расплава, либо на протяжении всего цикла кристаллизации (включая гомогенизация) для реализации условий полностью контролируемой конвекции. По результатам этой серии выбираются технологические режимы для проведения второй серий сеансов и набор составов для перекристаллизации.

Во второй серии из восьми-девяти сеансов исследуются явления растворения, диффузии и сегрегации для набора концентраций Si в растворе, значения которых будут определены после первой серии КЭ. Выращивание будет проведено с различными скоростями роста, значения которых для кристаллов различного состава, также будут определены по мере проведения экспериментов. Серия, аналогично предыдущей, проводится с использованием воздействия магнитного поля при росте в реальных микрогравитационных условиях на РС МКС.

Третья серия ростовых экспериментов, состоящая из двух сеансов по росту кристаллов Si направлена на решение задачи очистки металлургического кремния солнечного качества и прямого получения кристаллического Si из двойных металл-кремниевых расплавов. Предполагается использовать ВМП как на стадии гомогенизации для создания однородного распределения второй компоненты в расплаве перед началом кристаллизации, так и в процессе перекристаллизации для повышения интенсивности процесса растворения исходного кремния в расплаве Al-Si..

Таким образом, весь КЭ состоит из 14 сеансов.

Длительность сеансов: Продолжительность каждого сеанса от 250 до 280 часов. Потребляемая мощность в 1-ой и 3-ей сериях сеансов ?500Вт, во 2-ой– до 600 Вт.

В КЭ занят один член экипажа.

Методы регистрации результатов КЭ и требования к качеству результатов, которые должны быть получены в процессе КЭ

В процессе КЭ "Диск" регистрация параметров эксперимента и первичная обработка осуществляется БУ НА «МЭП-01» с последующей передачей полученной информации в СБИ изделия в виде ТМ-сигналов:

• текущее время эксперимента;

• фазы технологического процесса;

• температура на нагревателе;

• температура в кристаллизаторе

• положение штока контейнера с исходным материалом;

• режим работы индуктора;

• положение крышки ТБ;

• нештатные ситуации.

ТМ-информация формируется с момента подачи питания на систему управления НА и до момента его отключения. ТМИ НА формируется в виде пакета, содержащего 24 32-разрядных слова. В определенных разрядах слов пакета содержится информация о работе оборудования НА и о ходе технологического процесса эксперимента в цифровом виде.

Содержание пакетов на Земле автоматически дешифрируется средствами НА и информация о работе НА представляется потребителям в виде физических параметров.

Пакеты ТМИ образуются в НА с периодом 1 с и записываются в ЗУ НА.

В процессе эксперимента подмассив из пакетов ТМИ передается на Землю в среднем один раз в сутки.

Количество пакетов ТМИ в подмассиве -250. Пакеты ТМИ в подмассив выбираются из ЗУ НА с интервалом примерно 6 мин, начиная с последнего записанного, что позволяет передать информацию о работе НА за истекшие сутки. Среди этих пакетов включены дополнительные пакеты, которые образуются в момент смены этапов эксперимента.

Оперативный контроль за ходом эксперимента при необходимости осуществляется визуально оператором по отображению текущей информации на пульте управления НА и сообщается в сеансе связи.

Измерение величин угловых скоростей и ускорений осуществляется штатной аппаратурой МКС.

Критерии полноты выполнения задач КЭ

Эксперимент считается выполненным полностью, если:

• Проведены все три серии сеансов на борту продолжительностью до 250-280 часов каждый.

• Постановщику КЭ переданы контейнеры с полученными монокристаллами, ТМ-информация.

• Проведено послеполетное исследование полученных кристаллов.

Эксперимент считается выполненным частично, если проведены первые 2 серии сеансов длительностью не менее 280 часов для опытов без перемещения тигля и 100 часов для опытов с вытягиванием кристалла каждый; при этом выполняются условия, указанные выше в данном пункте.

Научная аппаратура:

Для проведения КЭ "Диск" используется комплект научной аппаратуры (НА) «МЭП-01».

НА «МЭП-01» предназначена для проведения в полуавтоматическом режиме экспериментов по космическому материаловедению полупроводниковых и иных материалов методами зонной плавки и направленной кристаллизации.

Сроки проведения: 2022-2024 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
Организации участники: Филиал ФГУП "ЦЭНКИ" - НИИСК, ИГХ им. А.П. Виноградова РАН, ООО "ЦМ ФОТОН", Mid Sweden University FSCN (MUIN), University of Victoria Crystal Growth Laboratory, Sintef Materials & Chemistry, West University of Timisoara Faculty of Physics, Fraunhofer ISE
Научный руководитель: Гоник М.А., с.н.с., к.т.н.
Публикации по эксперименту:

Список публикаций в процессе редактирования.

Последнее обновление: 03.06.2019
Задачи эксперимента: Задачи, решаемые в процессе проведения КЭ

• Исследование закономерностей переноса массы и характера сегрегации в широком диапазоне концентраций Si (от 12 до 40 вес. %) с целью проверки математических моделей и численных методов расчета процессов растворения, диффузии и кристаллизации компонент двойных растворов.

• Реализация метода роста кристаллического кремния с целью определение равновесных коэффициентов сегрегации B и P в расплаве Al-Si.

• Получение кристаллов с целью совершенствования технологий очистки металлургического кремния солнечного качества и прямого получения кристаллического Si из двойных металл-кремниевых расплавов.


Страна: Россия