Anisotropic Three-Dimensional Thermal Stress Modeling and Simulation of Homoepitaxial AlN Single Crystal Growth by the Physical Vapor Transport Method

材料科学 各向异性 临界切应力 剪应力 打滑(空气动力学) 冯·米塞斯屈服准则 剪切(地质) Crystal(编程语言) 温度梯度 晶体生长 压力(语言学) 凝聚态物理 结晶学 复合材料 有限元法 几何学 机械 光学 化学 热力学 物理 剪切速率 语言学 哲学 计算机科学 程序设计语言 数学 量子力学 粘度
作者
Liang Wu,Jiali Huang,Zhihao Wang,Guangdong He,Dan Lei,Jiawei Gong,Liang Wu
出处
期刊:Crystal Growth & Design [American Chemical Society]
卷期号:18 (5): 2998-3007 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acs.cgd.8b00118
摘要

We develop a thermal-elastic stress model using the finite element method to predict three-dimensional anisotropic stress in AlN single crystals homoepitaxially grown by the physical vapor transport process; we also perform numerical experiments for a 1-in. AlN crystal surrounded by different cone-tube designs and grown along various orientations. The influences of the cone-tube shape and the growth orientation on the stresses inside the AlN crystal are investigated in detail. The simulation results show that the von Mises stress exceeds 1.11 GPa under all specified growth conditions, while the anisotropy is negligible. The resolved shear stresses are strongly dependent on the thermal gradient inside the growing crystal and the growth orientation. Strong anisotropy of the resolved shear stress is observed upon tilting of the growth orientation. The resolved shear stress along {0001}⟨112̅0⟩ primary slip system reveals that the c-axis growing crystal is under tensile stress along all three primary slip directions. Nevertheless, an inversion of the resolved shear stress from tensile to compressive along the −a3 slip direction is observed when changing the growth orientation. The total resolved shear stress shows 6-fold symmetry, reflection symmetry and 2-fold symmetry along [001], [10√3], and [100] growth orientations, respectively.
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