5. Определение термодинамических условий проведения процесса

Условная схема реактора для осуществления процесса приведена на рисунке 8. Используется кварцевый реактор с тремя независимыми температурными зонами.

Рисунок 8 – Схема реактора

Для того, чтобы обеспечить синтез соединения, необходимо поддерживать температуры областей реактора постоянными. Для определения распределений температур в реакторе необходимо решить систему уравнений, где q = 10 выбрано из диапазона давлений, найденного в пункте 4, а m = 49 – значение рабочей точки, полученное в пункте 1:

сложив уравнения (1) и (2), получим:

тогда .

Полученные значения давлений:

Используя найденные значения парциальных давлений паров компонентов, по графикам на рисунках 6 и 7 можно определить температуры дополнительных источников: .

Распределение температур в реакторе показано на рисунке 9.

Рисунок 9 – Распределение температур в реакторе

6. Оценка возможности окисления германия

Рассмотрим процесс окисления германия:

Расчет при температуре 298 К:

Расчет при рабочей температуре 800 К:

Полученные значения термодинамических функций и для двух температур сведены в таблицу 5:

Таблица 5
Т, К	ΔН,	ΔS,	ΔG,
298	– 539740	– 195,11	– 481597	194,48
800	– 541089	– 197,76	– 382878	57,59

Реакция окисления будет происходить при . Анализ процесса приведен на рисунке 10.

ΔG_T > 0

ΔG_T < 0

Рисунок 10 – Анализ процесса окисления германия в реакторе

При максимальной откачке давление кислорода в реакторе составляет атм, при атмосферных условиях давление кислорода в реакторе – атм. Обозначив уровни давлений на диаграмме ( ), можно увидеть, что они лежат в области .

Таким образом, анализ показывает, что окисления германия в данной системе не избежать. При температуре до 700 К германий не вступает в реакцию с кислородом, при большей температуре можно использовать ингибиторы для замедления процесса окисления металла или заполнить реактор инертным газом (аргон).

Заключение

В курсовой работе был проанализирован процесс выращивания монокристаллов теллурида германия в реакторе. Была построена зависимость константы равновесия основного процесса по давлению от температуры, на основе которой найдена конкретная температура проведения синтеза 800 К, а также проанализированы условия равновесия и протекания реакции в прямом направлении.

В ходе анализа процессов сублимации компонентов Ge и Te были построены температурные зависимости равновесных давлений паров, по которым были определены температуры кипения компонентов. Для сравнения с теоретическими значениями были рассчитаны относительные погрешности температур, которые получились 3% и 13% для температур кипения германия и теллура соответственно. Погрешности находятся в допустимом диапазоне, из чего можно сделать выводы о правильности построенных температурных зависимостей давлений паров.

Были построены Р-Т-диаграммы и зависимости парциальных давлений паров Ge и Te₂. По взаиморасположению ГОГ и линий стехиометрии на графиках видно, что линии стехиометрии не входят в области гомогенности, и можно сделать вывод о том, что соединение обладаем только одним типом электропроводности (-р-). При оценке диапазонов изменения соотношения давлений германия и теллура в пределах области гомогенности при 800 К было установлено, что соединение обладает электропроводностью p-типа.

Для обеспечения протекания процесса необходимо поддерживать постоянные температуры дополнительных источников паров компонентов, которые при расчете получились равными 775 К для Ge и 750 для Te.

Анализ процесса окисления германия показал, что даже при максимальной откачке кислорода из реактора избежать окисления металла не удастся. Для замедления процесса окисления придется прибегнуть к добавлению ингибиторов, которые могут повлиять на основной процесс.