第六章晶体生长简介案例

五 晶面的发育
1.布拉维法则 1855（1866，1885）年，布拉维（法国人） 根据晶体上不同晶面的相对生长速度与面网上 结点的密度成反比的推论导出的。该法则阐明 了晶面发育的基本规律。 晶体上的实际晶面平行于面网密度大的面 网，即实际晶体通常由面网密度大的面网所包 围。
右图为一格子构造的切面,AB、 CD、BC为3个晶面的迹线，相应 的面网密度是AB＞CD＞BC，质 点优先堆积图（a）1的位置，次之 是2，最后是3的位置。显然，晶面 BC将优先生长，CD次之，而AB 则落在最后。
均匀成核和非均匀成核
• 均匀成核-是指晶核从均匀的单相熔体中产 生的几率处处是相同的成核过程。 • 非均匀成核-是指借助于表面、界面、微粒 裂纹，器壁以及各种催化位置等而形成晶 核的过程，这些部位成核率高于其他部位。 实际成核都是非均匀成核。 • 晶核成型后，在一定的过冷度和过饱和条 件下，晶体会逐渐长大。
当晶面上结点密度大时，面网间 距也大，面网对外来质点的引力小， 生长速度慢，晶面横向扩展，最终 保留在晶体上；而晶面上结点密度 小时，面网间距也小。面网对外来 质点引力大，生长速度快，横向逐 渐缩小以致于晶面最终消失。
2.居里-吴里弗原理
1885年皮埃尔· 居里（P.Curie）首先提出:在晶体与 其母液处于平衡条件下,对于给定的体积而言,晶体所发育 的形状(平衡形)应使晶体本身具有最小的总表面自由能,即
可以提供晶体生长条件信息的各式各样的螺旋纹。
解释了晶体过饱度较低时，生长的实际现象。
四
晶体生长的实验方法
1.水热法
水热法是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中 培养晶体的方法。用该方法可以合成水晶、刚玉（红 宝石、蓝宝石）、绿柱石（祖母绿、海蓝宝石）等。
2.提拉法 提拉法是一种直接从熔体中拉出单晶的方法。例： 单晶硅、白钨矿等。 3.下降法 下降法是也一种直接从溶体中生长单晶的方法。 例：钨酸铅、钛酸钡等。
二 成核
晶体生长过程的第一步,就是形成晶核。成 核（nucleation）是一个相变过程，这一相变 （液相~固相）过程中体系自由能的变化为： △ G = △ G v+ △ G s 式中 △Gv为新相形成时体系自由能的变化， 且 △Gv＜0；△Gs 为新相形成时新相与旧相 界面的表面能，且△Gs＞0。 显然，晶核的形成，一方面因形成固相而 使体系自由能下降，另一方面又由于增加了液 -固界面而使体系自由能增加。
晶体的层生长模型，可以解释如下的一些生长现象 (1)晶体常生长成面平、棱直的多面体形态。 (2)在晶体的生长过程中，生长环境的变化，可以 导致晶体成分和物理性质的微小变化，因而在晶体的 断面上常常可以看到带状构造，表明晶面是平行向外 推移生长的。例石英的带状构造。 (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 形成了以晶体中心为顶点的锥状体，称为生长锥或砂 钟状构造。 但在过饱度和过冷却度较低时，需其他模型解释。
三 晶体生长模型
1.层生长理论模型
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-经斯特兰斯基理论。
该理论认为晶体表面具有三面凹角的K面，
是最有利的生长位置；具有二面凹角S面次之；最
不利的生长位置是A。
由此可以得出以 下结论：晶体在理想 情况下生长时，质点 优先沿三面凹角位生 长一条行列，而后在 二面凹角处生长另一 行列，在长满一层面 网后，质点则在光滑 表面A位形成一个二 维核，提供新的三面 凹角和二面凹角，再 开始生长第二层面网.
结晶学及矿物学
吉林大学地球科学学院
第六章 晶体生长简介
一 晶体的形成方式
1.由液相转变为固相 (1). 从熔体结晶 体系处于过冷却状态，温度低于熔点。例：金属、 岩浆作用矿物的析出。 (2). 从溶液结晶 体系应处于过饱和状态。体系处于过饱和状态有 三种情况： ①温度降低体系可以处于过饱和状态。例：结晶 矾类矿物，岩浆期后热液矿物的析出。 ②水分蒸发体系可以处于过饱和状态。例：结晶 盐类矿物； ③发生化学反应体系可以形成难溶物质。锰结核
设晶核为球形，则上式可写为
△G =4/3πr2 △Gv0+4πr2△Gs0
式中△Gv0与△Gs0分别表示单位体积 的新相形成时自由能的下降和单位面积 的新旧界面自由能的增加。
用上式可以作△G与r曲线
图中虚线为△G总自由 能的变化，由图可见，随 着晶核的长大（即r增加）， 开始的时候体系自由能是 升高的，表明当晶核很小 时△Gs ＞△Gv，但是当晶 核半径达到某一值（rc）时， 体系自由能开始下降，表 明当晶核较大时 △Gs ＜ △Gv，此时的rc称为临界 半径。 只有当r＞rc时， △G 下降，晶核才能稳定存在。
2Biblioteka Baidu由气相转变为固相（凝华） 体系需要有足够低的蒸气压。例：火山口 附近形成的自然硫。 3.固相再结晶为固相 (1). 同质多像转变 例：α石英－β石英 (2). 原矿物的颗粒加大 例：再结晶的方解 石 (3). 固溶体分解 例：钾钠长石（条纹长石） (4). 变晶 如变质矿物 (5). 非晶质转变 例：火山玻璃转变成石英
4.低温溶液生长 在低温溶液（室温到75℃）中，溶解 结晶物质，使之处于饱和状态，再通过降 温或蒸发水分使晶体从溶液中生长出来。 例CuS04.5H20 5.高温溶液生长
在高温熔液（约300℃以上）中，将晶 体的原成分熔解于某一助熔剂中，以形成 均匀的饱和熔液，晶体是在过饱和熔液中 生长，因此也叫助熔剂法或盐熔法。例萤 石加入到铁矿石中。
2.螺旋生长理论模型
弗朗克(Frank)等人(1949—1951)根据实际晶体 结构中最常见的位错现象，提出了晶体的螺旋生长模 型。该模型认为，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，可以作为
晶体生长的台阶源，促进光滑界面的生长。
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。随着生长的进行，台阶将会以位错处 为中心呈螺旋状分布，质点围绕着螺旋位错的轴线螺 旋状堆积。随着晶体的不断长大，最终使晶面上形成