《人工晶体》课件

人工晶体
材料科学与工程学院 xxx
第二章 晶体生长介绍
• 晶体的需求
伴随着科学技术的飞速发展，当今社会已 经全面进入以计算机、网络和通信等技术 为代表的信息时代，而作为信息主要载体 半导体材料的需求日益增加。
• 天然晶体的不足
随着科技进步和社会发展，人们对于功能 晶体需求的数量越来越大，对于功能晶体 性能要求也越来越高，自然界中出产的各 种天然晶体逐渐不能满足人们的要求
这一模型要讨论的是：组成晶体的 质点在一个正在生长的晶面上寻找出 最佳生长位置并稳定存在的问题。
晶体生长的科塞尔理论模型
晶体层生长过程
光滑平面层状生长模拟
粗糙平面层状生长模拟
台阶生长模拟
有杂质时台阶生长模拟
碳化硅晶体表面生长台阶
碳化硅晶体表面生长台阶
晶体中心的台阶
晶体中心的台阶
石英晶体的生长环带和条纹
• 晶体生长过程和形态
一旦晶核形成后，组成晶体的质点就 会按照晶体结构的排列方式堆积起来形成 晶体。
AB晶面垂直晶面的
生长速度为h1，
BC晶面垂直晶面的
生长速度为h2，
当h1 >h2时，
A’B’<AB
晶面消失过程示意图
所以，一般型
（1）层生长理论模型（科塞尔理论模 型）
热力学计算表明:
r＞r0时，称为稳定晶核 r =r0时，称为临界晶核 r ＜r0时，称为胚芽
晶核的形成是靠熔体的过冷度，造成 热运动的较大起伏克服势垒进行的过程。 成核速度与过冷度具有一定的关系。
能 量
（2）非均匀成核
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某 种不均匀性，例如悬浮的杂质颗粒，器壁 上凹凸不平等，他们有效地降低了表面能 成核的势垒，优先在这些具有不均匀性的 地点形成晶核。
• 晶体生长的途径
① 由气相转变为晶体，例如自然硫晶 体的形成，冬季玻璃上冰花的形成。
② 由液相转变为晶体，例如由熔融岩浆 结晶出的橄榄石、辉石。盐湖中结晶 出的食盐、硼砂等矿物，工业铸锭， 医用药品。
③ 由固相转变为晶体，包括： 非晶体→晶体，例如火山玻璃转变为石英 晶体→另一种晶体，包括： 同质多相转变，例如石英高温转变 固溶体分解，例如闪锌矿和黄铜矿的固 溶 再结晶作用，例如方解石的再结晶作用
在此转变过程中，质点的堆积方式 是遵循一定的规律的，这个规律就是 空间格子规律。晶体的几何多面体外 形便是这一规律导致的结果。
晶体生长过程中所遵循的规律， 本质上是晶体本身内部结构上的规律 性所决定的。
但另一方面，它不可避免地要受到 生长过程中外界条件的影响，结果导 致形成非理想的晶体。
除了晶体外形受到影响，其内部结 构质点的排列也要发生一定的改变， 形成所谓的结构缺陷。
• 晶体的形成包括两个步骤： 成核和晶体长大 成核是一个相变过程，即在母液相中
形成固相胚芽。 成核可分为均匀成核和非均匀成核。
（1）均匀成核
均匀成核是指在一理想体系中各处 有相同的成核概率。这一相变过程中 体系自由能的变化为：
ΔG=ΔGv+ΔGs
式中△Gv为新相形成时体积自由能的 变化，且△Gv＜0, △GS为新相形成时新 相与旧相界面的表面能，且△GS＞0。
（2）螺旋位错模型
螺旋位错形成示意图
螺旋生长过程
螺旋生长模拟
碳化硅的螺旋生长纹
针状莫来石晶体的螺位错生长
• 晶体生长的概述
晶体有着自己的发生、成长和变化 的历史。了解和研究晶体发生和成长 的规律是认识晶体的一个重要途径， 也是人工合成晶体的基本前提。
无论天然的还是人工晶体，其生 长过程，就是物质从其他相转变为结 晶相的过程。实际上，也就是质点从 不规则排列→有规则排列，从而形成 格子状构造的过程。