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晶体生长理论
作者:jzkegd  来源:本站  发表时间:2017/12/15 8:46:48  点击:1179

 晶核形成后,将进一步生长。就像其他的物理过程一样,晶体生长也有其内在的规律。研究晶体生长,就是研究天然晶体及人工晶体的产生、成长和变化的过程与机理,探询控制和影响晶体生长的诸多因素,寻找更加适合晶体生长的结晶条件,比如温度分布(温场)、气氛、组分浓度分布、压力、溶液/熔体的流动、生长速度等。深入研究晶体生长的理论,掌握晶体生长的内在规律,可以帮助我们获得现代科学技术所急需的晶体材料。

近几十年来,随着物理学、化学等基础学科和加工制备技术的不断进步,晶体生长理论研究也得到了迅速的发展,成为一门独立的分支学科。晶体生长理论已经从最初的研究晶体结构、和生长形态,进行经典的热力学分析,发展到在微观层面研究晶体生长中的物质、热量的输运、生长界面处液体/熔体的结构、界面反应等,并形成了许多晶体生长的理论或模型。

晶体生长理论主要研究晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系,以及晶体生长界面动力学问题两大方面内容,目前,主要有晶体生长的热力学理论、层生长理论、 螺旋生长理论、周期键链(PBC)理论、界面生长理论等。

一、层生长理论:

科塞尔(Kossel,1927)首先提出,后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格座位的最佳位置是具有三面凹入角的位置(图I中k)。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位置是能量上最有利的位置,即结合成键时应该是成键数目最多,释放出能量最大的位置。图I示质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置:
k为曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生长位置;其次是S阶梯面,具有二面凹入角的位置;最不利的生长位置是A。由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,然后长相邻的行列。在长满一层面网后,再开始长第二层面网。晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。这就是晶体的层生长理论,用它可以解释如下的一些生长现象。
1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。
2)在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造(图I)。它表明晶面是平行向外推移生长的。
3)由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。
4)晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或砂钟状构造。

然而晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。同时亦不一定是一层一层地顺序堆积,而是一层尚未长完,又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果,使晶体表面不平坦,成为阶梯状称为晶面阶梯。科塞尔理论虽然有其正确的方面,但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的。因为当晶体的一层面网生长完成之后,再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难,其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小,不易克服质点的热振动使质点就位。因此,在过度饱和或过冷却度较低的情况下,晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释。

 二、螺旋生长理论:

螺旋生长理论认为:在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源,促进光滑界面上的生长。 这样就解释了层生长理论所不能解释的现象,即晶体在很低温的过饱和度下能够生长的实际现象。位错的出现,在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失,从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是台阶并不直线式地等速前进扫过晶面,而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进。随着晶体的不断长大,最终表现在晶面上形成能提供生长条件信息的各种各样的螺旋纹。

 

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