MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a620.11
■1001  ▼aMaria,  Eymana.
■24510▼aTowards  Predictive  Modeling  of  Crystal  Growth  and  Solid-State  Synthesis
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a183  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Guo,  L.  Jay;Thornton,  Katsuyo  S.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aComputational  models,  informed  by  experimental  characterizations,  provide  insights  into  the  processing  and  synthesis  of  materials  and  facilitate  the  design  of  processing  conditions  that  lead  to  desired  outcomes,  such  as  fast  synthesis  times,  high  completion  rates,  and  high-quality  solidified  crystals.  They  offer  a  fundamental  understanding  of  complex,  dynamic  phenomena  that  are  difficult  to  observe  experimentally.  This  dissertation  presents  two  sets  of  computational  models  and  methods:  one  for  predicting  heat  transfer  during  crystal  growth  processes  and  another  for  elucidating  reaction  progression  during  solid-state  synthesis  reactions.A  major  drawback  of  traditional  crystal  growth  processes  is  the  use  of  a  crucible  to  hold  the  molten  material,  which  can  contaminate  the  growing  single  crystal.  Therefore,  in  applications  where  single-crystal  wafers  with  very  low  impurity  content  are  required,  such  as  high-purity  silicon  wafers  in  power  control  devices,  the  floating  zone  (FZ)  crystal  growth  method  is  often  employed.  In  this  method,  the  molten  zone  is  held  by  surface  tension  without  a  crucible.  The  first  part  of  this  dissertation  presents  a  heat-transfer  model  developed  to  simulate  the  temperature  distribution  of  polycrystalline  feed  rods  in  an  optical  floating-zone  (OFZ)  crystal  growth  furnace.  This  model  is  validated  against  experimentally  measured  temperature  profiles  using  an  automated  optimization  algorithm.  A  parametric  study  is  then  conducted  with  this  validated  model  to  understand  the  impact  of  experimentally  controllable  parameters,  namely  the  feed  rod  radius,  length,  tip  shape,  the  environment  gas,  and  its  pressure,  on  the  temperature  profile  and  the  temperature  gradient  along  the  feed  rod,  both  of  which  play  crucial  roles  in  determining  the  quality  of  the  grown  crystal.Solid-state  metathesis  reactions  can  synthesize  both  stable  and  metastable  products  at  comparatively  lower  temperatures  than  those  required  in  traditional  solid-state  synthesis.  The  phases  formed  during  the  reaction  can  be  kinetically  controlled  by  altering  precursor  materials  and  synthesis  conditions.  The  second  part  of  this  dissertation  focuses  on  developing  computational  models  to  simulate  the  reaction  progression  during  solid-state  metathesis  reactions.  First,  an  electrical  conductivity  model,  coupled  with  a  phase-field  model  for  metathesis  reactions,  is  employed  to  simulate  the  mechanism  of  conductive  path  formation  during  the  synthesis  of  FeS2,  which  is  utilized  in  the  fields  of  solar  photovoltaics  and  batteries.  Additionally,  an  analytical  model  is  employed  to  gain  insight  into  the  reaction's  progression  when  the  stochastic  nature  of  the  microstructure  plays  a  dominant  role  and  leads  to  a  rare  formation  of  conductive  paths.  Next,  the  phase-field  model  is  applied  to  study  the  effect  of  precursor-particle  morphology  on  the  reaction  kinetics.  Two  quantitative  metrics,  namely  the  available  interface  length  per  unit  area  and  the  average  distance  to  the  nearest  reactive  interface,  are  defined  to  capture  this  effect.  Finally,  the  phase-field  model  is  extended  to  incorporate  phase-dependent  ion  mobility  using  several  effective  medium  approximations,  namely  the  Wiener  series  and  parallel  bounds,  and  the  Maxwell-Garnett  effective  medium  theory.  Simulations  are  performed  to  obtain  the  completion  of  the  metathesis  reaction  between  NaFeO2  and  LiCl  to  synthesize  LiFeO2,  which  has  significant  applications  in  lithium-ion  batteries,  and  the  simulated  completions  are  compared  to  the  experimental  data  from  the  fast  kinetic  regime  at  230 ºC  and  310 ºC.Overall,  the  computational  models  developed  in  this  dissertation  not  only  advance  the  fundamental  understandings  of  key  phenomena  in  materials  processing  but  also  provide  practical  guidance  for  optimizing  experimental  conditions.  These  insights  have  the  potential  to  enhance  synthesis  efficiency  and  product  quality,  ultimately  facilitating  more  effective  materials  design  and  manufacturing.
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aMaterials  science
■650  4▼aCondensed  matter  physics
■650  4▼aPhysical  chemistry
■650  4▼aOptics
■653    ▼aComputational  model
■653    ▼aOptical  floating  zone  crystal  growth
■653    ▼aSolid-state  synthesis
■653    ▼aMaxwell-Garnett  effective  medium  theory
■653    ▼aSolar  photovoltaics  
■690    ▼a0794
■690    ▼a0752
■690    ▼a0611
■690    ▼a0494
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bElectrical  and  Computer  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-03B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359961▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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