晶体的生长机理共22页文档
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对于玻璃聚合物, ΔT增加, 扩散系 数减小, DL/DLM起主导作用, ΔT增 加、I 增加。当DL到达极大值后减小, 则I减小, 一直到零。
2.均匀形核理论与实验结果的比较
50年代初，Turnbull等人作了实验，发现 Φ ~10μm的金属液滴的ΔT大约为TM（K）的
18%~20%左右。
基本原理: 以凝胶作为扩散和支持介质，使一 些在溶液中进行的化学反应通过凝胶扩散， 缓慢进行。
近似认为凝固时, ΔH、 ΔS与温度无关, 则
ΔGV= ΔH-T ΔS= ΔH-（ΔH/TM）T
= ΔH（1-T/TM）= ΔH[(TM-T)/TM]
= ΔHΔT/TM
ΔH为凝固潜热, 由系统放出, 为负值, 单 位为J/mol。
显然, 过冷度越大, 即凝固的驱动力越大。
单位体积的ΔGV=LΔT/ TM , L为相变潜热(KJ/mol)。
• 图示 •
循环流动育晶装置 1.原料 2.过滤器 3.泵 4.晶体 5.加热电阻丝
※ 蒸发法
• 基本原理: 将溶剂不断蒸发，使溶液保持在 过饱和状态，从而使晶体不断生长。
• 特点: 比较适合于溶解度较大而溶解温度系 数很小或者是具有负温度系数的物质。与 流动法一样也是在恒温条件下进行的。
※ 凝胶法
致密度低的晶体, 液态的密度略高于固体, 如 Si, Ge。
一般认为，在液体中会存在一些大小不等、 随机取向的短程有序原子团。原子团内部排列象 晶体那样有规则，原子团间有一定的自由空间， 随能量起伏，这些原子团时而形成，时而变大， 时而变小以致消失。
由热力学，一定温度下不同大小原子团的 相对数目为: .
第二编 相 变 与 相 图
第五章 晶体生长
2.1.3.3 (1)晶体的生长机理及生长速度 (连续生长)
3 晶体的生长方式和速度
晶体的生长方式， 晶体的生长方式 ， 是指液相中原子向某个晶粒表 面的堆砌方式。 面的堆砌方式。
根据 界面结构 的不同 ， 晶体可采取连续生长 ， 的不同， 晶体可采取连续生长， 侧向生长和从缺陷生长等方式; 侧向生长和从缺陷生长等方式
这三种生长方式相互联系又各具特征。 这三种生长方式相互联系又各具特征。
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(3)当DL值随温度变化很大时，如氧化物和有机化 当 值随温度变化很大时， 合物等 在某一过冷度∆T 合物 等 ， 在某一过冷度 K 时 ， 晶体长大速度 达到最大值 最大值； 达到最大值； 继续增大过冷度，晶体长大速度反而下降如图 继续增大过冷度 ， 晶体长大速度反而下降 如图 2-7(b)所示。 所示。 所示
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当光滑界面为完整的界面时， 当光滑界面为完整的界面时 ， 只能依靠能量起伏使液态 原子: 原子 首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核， 首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核， 在界面上形成单原子厚度的二维晶核 然后利用其周围台阶沿着界面 横向扩展 然后 利用其周围台阶沿着界面横向扩展 ， 直到长满一层 利用其周围台阶沿着界面 横向扩展， 界面就向液相前进了一个晶面间距。 后，界面就向液相前进了一个晶面间距。 这时，又必须利用二维形核产生新台阶，才能开始新 新台阶， 这时，又必须利用二维形核产生新台阶 一层的生长，周而复始地进行。 一层的生长，周而复始地进行。 不连续性， 横向生长的特点 界面的推移具有不连续性 并且有横向生长的特点。 界面的推移具有不连续性，并且有横向生长的特点。 台阶沿界面的运动是这种生长机理的基本特征。 又称侧 台阶沿界面的运动是这种生长机理的基本特征 。 又称 侧 面生长、沿面生长或层状生长。 面生长、沿面生长或层状生长。
晶体生长机理优秀课件
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放 大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着外加场 的变化发生如偏转、偏振面旋转等而达到控 制光传播的目的。这类晶体为电光晶体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导致晶 体表面电荷的现象称为压电效应，这类晶体 为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会 发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（~0.17m）到中红外 （~5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期性变 化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折射率 周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。
晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域，对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。
晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识，在实际应用中也有着广泛的应用价值。
晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面：1. 原子或分子的扩散。
晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。
这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。
原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。
2. 晶体表面的吸附和解吸。
当原子或分子到达晶体表面时，它们会发生吸附和解吸的过程。
吸附是指原子或分子附着在晶体表面，解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。
吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性，进而影响晶体生长的速率和形貌。
3. 晶体生长的动力学过程。
晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程，以及晶体内部的结构调整和排列。
这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响，对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。
4. 晶体生长的形貌控制。
晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。
在实际应用中，通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件，可以实现对晶体生长形貌的控制，获得特定形状和尺寸的晶体。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
在实际应用中，通过深入研究晶体生长的原理，可以实现对晶体生长过程的控制，获得具有特定形貌和性能的晶体材料，为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。
同时，对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律，对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。
晶体生长ppt
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
晶体生长的机理
晶体⽣长的机理第五章⼀、什么是成核相变、基本条件成核相变：在亚稳相中形成⼩体积新相的相变过程。
条件：1、热⼒学条件：ΔG=G S-G L<0；ΔT>0。
2、结构条件：能量起伏、结构起伏、浓度起伏、扩散→短程规则排列（⼤⼩不等，存在时间短，时聚时散，与固相有相似结构，之间有共享原⼦）→晶坯→晶胞。
相变驱动⼒：f=-Δg/ΩS；Δg每个原⼦由流体相转变成晶体相所引起的⾃由能降低；ΩS单个原⼦的体积。
⽓相⽣长体系：(T0 P0)→(T0 P1)，Δg=-kT0σ，σ=α-1= P1/ P0；溶液⽣长体系：(C0 T0 P0)→(C1 T0 P0)，Δg=-kT0σ，σ=α-1= C1/ C0；熔体⽣长体系：Δg=-l mΔT/T m，l m单个原⼦的相变潜热。
⼆、均匀成核、⾮均匀成核不含结晶物质时的成核为⼀次成核，包括均匀成核（⾃发产⽣，不是靠外来的质点或基底诱发）和⾮均匀成核。
三、均匀成核的临界晶核半径与临界晶核型成功临界晶核：成核过程中，能稳定存在并继续长⼤的最⼩尺⼨晶核。
ΔG=ΔG V+ΔG S，球形核ΔG=-4πr3Δg/ΩS+4πr2γSL→r C=2γSLΩS/Δg，r0，且随着r的增加，ΔG不断增⼤，r>r C时，ΔG<0，且随着r的增加，ΔG减⼩，r=r C时，往两边都有ΔG<0，称r C为临界半径。
临界晶核型成功：ΔG C(r C)=A CγSL/3由能量起伏提供。
熔体⽣长体系：r C=2γSLΩS T m/l m ΔT；ΔG C(r C)=16πγ3SLΩ2S T2m/3l2m(ΔT)2四、⾮均匀成核（体系中各处成核⼏率不相等的成核过程）表⾯张⼒与接触⾓的关系：σLB = σSB + σLS cosθΔG*(r)= (-4πr3Δg/ΩS+4πr2σSL)·f(θ)；r*C=2γSLΩS/Δg；ΔG*C(r*C)=ΔG C(r C) ·f(θ)f(θ)=(2+cosθ)(1-cosθ)2/4≤1→ΔG*C(r*C) ≤ΔG C(r C)；ΔG*C(r*C) = Δφ* C五、点阵匹配原理（“结构相似，尺⼨相应”原理）两个相互接触的晶⾯结构（点阵类型，晶格常数、原⼦⼤⼩）越近似，它们之间的表⾯能越⼩，即使只在接触⾯的某⼀⽅向上结构排列配合得⽐较好，也会使表⾯能有所降低。
晶体生长原理与技术
晶体生长原理与技术晶体生长是指无定形物质逐渐形成有序排列的晶体结构的过程。
晶体生长的原理和技术在材料科学、化学工程、地质学等领域都有着重要的应用。
本文将介绍晶体生长的基本原理和常见的生长技术，希望能够为相关领域的研究者和工程师提供一些参考。
晶体生长的原理主要包括热力学和动力学两个方面。
热力学上，晶体生长是在适当的温度、压力和化学势条件下，通过原子、分子或离子的有序排列形成晶体结构。
动力学上，晶体生长受到核形成、生长和形貌稳定性等多个因素的影响。
在实际应用中，热力学和动力学的相互作用决定了晶体生长的过程和结果。
晶体生长的技术包括自发晶体生长和人工晶体生长两种类型。
自发晶体生长是指在自然条件下晶体从溶液、气相或熔体中沉积生长的过程。
常见的自发晶体生长技术包括溶液结晶、气相沉积和熔融结晶等。
人工晶体生长是指通过人为控制条件来促进晶体生长的过程。
常见的人工晶体生长技术包括气相输运法、熔融法、溶液法和固相法等。
在晶体生长技术中，溶液法是应用最为广泛的一种技术。
溶液法是指将溶剂中的溶质逐渐沉积形成晶体的过程。
在溶液法中，溶剂的选择、溶质的浓度、溶液的温度和搅拌速度等因素都会对晶体生长的过程产生影响。
另外，溶液法还包括了一些特殊的技术，如悬浮溶液法、凝胶溶液法和水热法等，这些技术在不同领域都有着重要的应用。
除了溶液法，气相沉积也是一种常见的晶体生长技术。
气相沉积是指通过气相中的原子或分子沉积在基底表面上形成晶体的过程。
在气相沉积技术中，通常会选择适当的气相载体和反应条件来控制晶体的生长方向和形貌。
气相沉积技术在半导体材料、功能薄膜和纳米材料等领域有着广泛的应用。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和多种技术的相互作用。
通过深入理解晶体生长的原理和技术，可以更好地控制和应用晶体材料，为材料科学和工程技术的发展提供新的思路和方法。
希望本文能够对相关领域的研究和实践有所帮助。
晶体生长机理及应用
晶体生长机理及应用晶体是自然界中最具有周期性和规律性的物质之一，晶体生长机理是研究晶体形成过程中发生的物理、化学、热力学现象及其相互关系的学科。
在科技发展的过程中，晶体生长与制备技术已经被广泛应用于材料科学、化学、生物学、医学、电子学、光电子、纳米技术等领域，成为了现代科学技术的基础。
一、晶体生长的基本原理晶体生长是指从溶液、熔体或气相中生长出具有规则结晶面的晶体的过程。
在晶体生长的过程中，晶体生长速度、晶体形态、晶格畸变以及缺陷等多个参数都具有重要作用。
晶体生长主要的过程有三种：溶解、扩散和形核。
1. 溶解过程晶体的形成都需要一定的物质来提供能量，这些物质往往会以溶解度形式存在于溶液、熔体或气相中。
晶体生长过程中，物质的溶解度与温度、溶质浓度、溶剂的属性等因素都有关系。
当溶质的浓度超过溶解度限制时，就会开始形成晶体。
2. 扩散过程溶液中的溶质通过扩散来到达晶体表面，挤出溶剂，并在表面吸附析出。
扩散的速率与溶液的温度、深度、组分以及扩散系数等都有关，扩散速度越快、扩散系数越大，晶体生长速度也就越快。
3. 形核过程当溶液中的溶质达到饱和度时，会出现极小的“晶胞”形态的晶核，这个过程叫作形核。
然后周围的物质会聚集在晶核上，形成可以看见的晶体，并向外扩散生长。
在晶体形，成长的过程中，依照晶体的结构类型、生长条件、电场、磁场等因素会出现多种多样的形态。
二、晶体的分类晶体按其生长方式不同，可以分为单晶体、多晶体以及微晶体。
1. 单晶体：单晶体是指具有连续、完整结晶面、在空间中具有确定的取向关系和晶体结构，使用在电子器件、光电器件、晶体振荡器和欧姆管等方面。
2. 多晶体：多晶体是指由多个晶粒组成，在物理、化学等方面具有多种性质，可广泛应用于摩擦材料、耐火材料、磁性材料等方面。
3. 微晶体：微晶体是指晶粒大小在10nm至100nm之间的晶体，这种晶体的表面具有很大的比表面积，具有优异的光电性质，可应用于导电材料、高效电池、可见光催化等方面。
晶体生长的基本规律PPT参考课件
缺点：组分多，影响因素多，生长速度慢，周期长。
具体方法很多，比如降温法，蒸发法。
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2、高温溶液法
• 原理：高温下从溶液或熔融盐溶剂中生长晶体，可以使 溶质相在远低于熔点的温度下进行。
• 优点(1)适用性强。只要找到适当的助熔剂，就能生长 晶体。
• （2）许多难熔化合物或在熔点极易挥发或高温有相变， 不能直接从熔体中生长优质单晶，助熔剂法由于温度低， 显示出独特的能力。
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• 缓冷法 高温下，在晶体材料 全部熔融于助熔剂后， 缓慢降温冷却，使晶 体从饱和熔体中自发 成核并逐渐成长的方 法。
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3、熔融法
• 从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状单晶 最常用和最重要的一种方法。
• 原理：将生长晶体的原料熔化，在一定条件下使 其凝固，变成单晶。
• 优点：具有生长速度快，晶体的纯度和完整性高 等特点。
4)重结晶－小晶体长大的过程，有液体参与
5)脱玻化－非晶体自发地转化成晶体
6
§2.2晶核的形成
晶体形成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。
晶核：从结晶母相中析出，并达到某个临界大 小，从而得以继续成长的结晶相微粒。
成核作用：形成晶核的过程。
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以过饱和溶液情况为例，说明成核作用的过程
晶体成核过程示意图
饱和比等。 • 主要分为： • 物理气相沉积：用物理凝聚的方法将多晶原料经过气相转
为单晶，如升华法。 • 化学气相沉积：通过化学过程将多晶原料经过气相转为单
晶，气体合成法。
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• 升华法： • 在高温区将材料升华，
然后输送到冷凝区成为 饱和蒸气，经过冷凝成 晶体。 • 升华法生长速度慢，应 用于生长小块晶体，薄 膜或晶须。
晶体生长方式
一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距。
这时，又必须利用二维形核产生新台阶，才能开始新一层的生长，
周而复始地进行。
界面的推移具有不连续性，并且有横向生长的特点。
侧向生长、沿面生长或层状生长。
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粗糙界面的连续长大速度为（Turnbull）
R
DLH m aKTm2
TK
1 TK
式中μ1是连续长大系数。
二维形核的热力学能障较高； 由于界面的突变性质，其动力学能障比较大，生长比较困难。 因此过程需要较大的动力学过冷来驱动，生长速度也比连续生长
低。
定量：界面生长速度R与动力学过冷度ΔTK的关系？
R 2 e b TK
其中 μ2，b — 为动力学常数； ΔTK — 动力学过冷度。 当ΔTK低于某临界值时，R几乎为零； 一旦超过该值，R急剧地大。
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晶核长大后宏观形貌
不同温度梯度时 长大方式及组织 形态
非小平面(a)和小平面(b)生长形态
①在正温度梯度条件下－
②在负温度梯度条件下－
粗造界面：小平面方式长大，
树枝状方式长大，树枝状晶体；
平面状； 光滑界面：小平面方式长大，
规则几何外形。
较小时树枝方式长大,带有小平面的枝晶。
晶体生长机理及其培养共27页文档
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
晶体的生长机理
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
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