晶体相场模拟微观组织生长的讲义
【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件
体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体(Crystal)是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造,所以,晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明:晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(=空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order); 在原子近邻具有的周期性,叫短程有序(shortrange order), 液体具有短程有序;气体既无长程,也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2(KBBF) 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中,晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反,内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态(Non-crystal)。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状,虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质,在各个方 向上都是相同的,即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ,在熔化过程中,随着温度的升高,它首先变软,然后 逐渐由稠变稀,经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
,顾名思义,就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石,也有食盐、石英等 常见的晶体,也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体,普普通通的砂石泥土等常见的物质,以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。
《晶体生长机理》课件
晶体生长的原理
晶体生长是指晶体在适宜的条件下从溶液或气相中生长增大的过程。它受到 晶体生长条件和晶体形态影响,涉及物质输送、结晶核、晶体生长速率等因 素。
滴定法生长晶体
滴定法是一种常用的生长晶体的方法。它利用溶液中所含物质的滴定反应, 控பைடு நூலகம்条件使晶体从溶液中沉淀出来。
物质输送导致晶体生长
物质输送是晶体生长的重要因素之一。毛细管现象导致了溶液中物质传输的 变化,对晶体生长速率产生影响。晶体生长速率与传质系数密切相关。
结论
晶体生长机理的研究对于推动材料科学和生命科学的发展至关重要。未来的研究方向包括深入探究晶体 生长的动力学过程和机制,并应用于更广泛的领域。
《晶体生长机理》PPT课 件
晶体生长机理是研究晶体生长过程及其原理的学科。本课件将介绍晶体的定 义、组成、生长过程、条件,以及滴定法生长晶体、物质输送导致晶体生长 等内容。
什么是晶体?
晶体是具有确定的物理结构和几何形状的固体物质。它由阵列有序排列的原 子、离子或分子构成,因此具有独特的性质和形态。
晶体生长机制的研究方法
研究晶体生长机制的方法包括红外光谱法、X射线衍射法和晶体形态模拟法。 这些方法可以揭示晶体生长的分子结构、微观行为和晶体形态发展规律。
晶体生长机理的意义
晶体生长机理对新材料研究和生命科学具有重要意义。了解晶体生长原理可 以指导材料设计、制备和性能优化,以及研究细胞、蛋白质等生命科学领域。
半导体材料晶体生长通用课件
气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ,适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中,需要选择合适的气体原料,控制反应温度、压力和气 体流速等参数,以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期,随着科技的不断进 步,晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前,半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展,半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等,以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷,如金属杂质、非金属杂质、空
位等,以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加,需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
,以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料,如硅基氮化物、碳化物、氧化物等,以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程,涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中,需要了解液态和固态之间的相平衡关系,以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一,它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
南京大学晶体生长课件Chapter晶体生长动力学演示文稿
47种几何单形
• 一般说来,对于一个单形的描述,要注意晶面的数目、形状、 相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。
• 单形的晶面数目、形状(包括晶面、横切面的形状)常是命名 的主要依据。
• 记住一些单形名称的方法:
• 1、面类
等轴晶系:
2、柱类
1、四面体组
3、单锥类
2、八面体组
4、双锥类
and c are the FFT patterns of the corresponding HRTEM images, and inset in Fig. d is the SAED pattern taken from the [010]-zone axis. The {100} and (101) facets are indicated in Fig. c, and surface steps lying on the {100} planes are indicated in Fig. d.
第三十三页,共126页。
第三十四页,共126页。
HRTEM images of a single ZnZrO3 particle from the ZnZrO3 powders synthesized at different Zn/Zr molar ratios. (c) Zn/Zr = 3.0, and (d) Zn/Zr = 4.0. Insets in Figs. a
第五页,共126页。
第六页,共126页。
假想的某晶体截面图
在晶体中任意给定晶面(hkl)的生长速 度(在其垂直方向上的移动速率)Rhkl 与
该晶面的原子层间距 dhkl 成反比
第七页,共126页。
第八页,共126页。
晶体生长机理PPT课件
非平衡材料研究室
• A single molecule is denoted by C60 .
西安理工大学
非平衡材料研究室
• Each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to one another to form both hexagon (six-carbon atom) and pentagon (five-carbon atom) geometrical configurations.
• 应用:
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(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。
• 应用:
核医学、核技术、空间物理等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(9)半导体晶体
• 定义:
电阻率处于导电体(10 - 5 .cm)和绝缘 体(1010 .cm )之间的晶体为半导体晶体。
• 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。
西安理工大学
非平衡材料研究室
• 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。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(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。
晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型
晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型晶体生长是一种重要的物理化学过程,它在材料科学、化学工业、生物医药等领域都有着广泛的应用。
晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型是研究晶体生长过程中关键的问题,本文将从以下几个方面进行探讨。
一、晶体生长微观机理1. 晶体的结构与生长晶体是由原子、离子或分子按照一定规律排列而成的固态物质,其结构可以通过X射线衍射等手段进行表征。
在晶体生长过程中,溶液中的溶质分子会逐渐聚集形成固态结构,这个过程可以分为三个阶段:核化、成核和晶体生长。
2. 晶核形成与影响因素在溶液中,当达到饱和度时,就会出现小于临界尺寸的“原始胚”,随着时间的推移,“原始胚”会不断增大并发展成为稳定的“晶核”。
影响晶核形成的因素包括温度、浓度、pH值等。
3. 晶体生长速率与形貌晶体生长速率与晶体表面的形貌密切相关,通常情况下,高速生长的晶体表面比较光滑,低速生长的晶体表面则会出现棱角和凸起。
晶体生长速率受到溶液中溶质浓度、温度、流动状态等多种因素影响。
二、晶体生长边界层模型1. 晶体生长边界层概念在晶体生长过程中,由于溶液和固态晶体之间存在着物质交换和能量转移,因此会形成一个厚度很小的“边界层”,这个“边界层”被称为“晶体生长边界层”。
它是指在固液相变过程中,在固相表面与液相之间存在的一种物理化学过程。
2. 晶体生长边界层模型目前已经提出了多种不同的晶体生长边界层模型,其中最为广泛应用的是Kossel-Stranski模型。
该模型认为,在固态表面上形成了一层原子密度比周围低的单分子层,该单分子层可以吸附在固态表面上,并且能够引导下一层原子的沉积。
随着晶体生长,这个单分子层会不断向外扩散,直至达到平衡状态。
3. 晶体生长边界层的影响晶体生长边界层对晶体生长速率和形貌都有着重要的影响。
较厚的边界层会导致晶体表面形貌不规则,生长速率变慢;而较薄的边界层则会使晶体表面光滑,生长速率加快。
三、总结晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型是研究晶体生长过程中关键的问题。
《晶体生长理论》ppt课件
多次区熔的过程
○ 在凝固界面,对于k<1的杂质,由于分凝作用将部分被
排斥到熔区,并向后携带
○ 在熔化界面,锭料的熔化带入新的杂质,并从熔化界面向凝
固界面运动〔杂质倒流〕,其结果是使整个熔区杂质浓度添加
○ 随着区熔次数的添加,尾部杂质越来越多,浓度梯度越来越
陡,杂质倒流越严重
极限分布
○ 经过多次区熔提纯后,杂质分布形状到达一个
如Cu-Ni相图 :
相图分析:2个点、2条线、3个区。
测定方法:热分析法〔最常用〕。
③二元合金相图的建立——热分析法建立相图的过程
▲配制系列成分的铜镍合金
▲测出它们的冷却曲线,得到临
界点
▲把这些点标在T—成分坐标上
▲将具有一样意义的点衔接成线,
标明各区域内所存在的相, 即得到
Cu-Ni合金相图
2、分凝景象与分凝系数
④ l →大,Cs→小,提纯效果好⇒l越大越好
⑤ 极限分布时(K一定):
⑥ l →大,B →小, A →大,Cs(x)→大, 提纯效果差
⑦
⇒l越小越好
⑧ 运用:前几次用宽熔区,后几次用窄熔区。
②熔区的挪动速度
BPS公式:
Keff
K0
f
D
1K0e
K0
f越小,keff越接近k0,提纯效果好, 区熔次数少, 但是过低速
〔资料中的杂质量本来很少〕
由于存在分凝景象,正常凝固后锭条中的杂质分布不再是均匀的,
会出现三种情况:
K<1的杂质,杂质向尾部集中;
K>1的杂质,杂质向头部集中;
K≈1的杂质,根本上坚持原有的均匀分布的方式
正常凝固过程中,Cs沿锭长的分布
1
晶体生长中相图的介绍PPT课件
22
TP
1 V
2
T P
压缩系数 膨胀系数
特点:无相变潜热,无体积的不连续性,但有Cp、、的 不连续
二级相变:
相变发生时,两平衡相的化学势和化学势的一阶偏微 分相等,但化学势的二阶偏微分不相等。
由于这类相变中热容随温度的变化在相变温度T0时趋于无穷 大,因此可根据CP-T曲线具有λ形状而称二级相变为λ相变, 其相变点可称为λ点或居里点。 一般合金的有序-无序转变、铁磁性顺磁性转变、超导态转变 等均属于二级相变。 在许多一级相变中都重叠有二级相变的特征,因此有些相变 实际上是混合型
引言
一. 相变的分类
相变:指在一定外界条件下,体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。
1.按热力学分类 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相变点的 数学特征——连续或非连续,将相变分为一级相变、 二级相变或更高级的相变。 n级相变:在相变点系统的化学势的第(n-1)阶 导数保持连续,而其n阶导数不连续。
对 驴 讲 经 图
1966年诺贝尔奖得主 朗道
朗道:1908年-1968年 1922年:巴库大学物理系 1924年:转学列宁格勒大学 本科毕业后两年完成博士学位的学习 1929-1930年:博士后 (瑞士、德国、丹麦、英国、比利时和荷兰) 1938年4月-1939年4月:入狱
1962年:诺贝尔奖
高级相变
在临界温度,临界压力时,一阶,二阶偏导数相等,而 三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。 实例:量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。 依次类推,自由焓的n-1阶偏导连续,n阶偏导不连续时 称为n级相变。二级以上的相变称为高级相变,一般高级 相变很少,大多数相变为低级相变。
二级相变和高级相变:连续相变
晶体生长方法ppt课件
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17
3.蒸发法
基本原理:将溶剂不断蒸发移去, 而使溶液保持在过饱和状态, 从而使晶体不断生长。
这种方法比较适合于溶解度较大 而溶解度温度系数很小或是具有 负温度系数的物质。
蒸发法和流动法一样,晶体生长也 是在恒温下进行的。不同的是流动法 用补充溶质,而蒸发法用移去溶剂来
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三、从熔体中生长晶体
提拉法
焰熔法
坩埚下降法
熔体
区熔法
泡生法
弧熔法
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1. 提拉法
主要优点是: ➢ (1)在生长过程中,可以方便地观察晶体的生长状况; ➢ (2)晶体在熔体的自由表面处生长,而不与谢涡相接触,这样能显著减小晶体
的应力并防止坩埚壁上的寄生成核; ➢ (3)可以方便地使用定向籽晶和
可编辑课件ppt33焰熔法火焰法verneuilmethod是一种最简单的无坩埚生长方法十九世纪就被用来进行宝石的生长并且沿用至今焰熔法主要用来生长宝石氧化铝尖晶石氧化镍等高熔点晶体其原理是利用氢气和氧气在燃烧过程中产生的高温使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下熔融并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶
第三章 晶体生长
并且有较完整的外形。 ➢ (4)在多数情况下(低温溶液生长),可直接观察晶体生长。
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二、从溶液中生长晶体
溶液法的缺点: ➢ (1) 组分多; ➢ (2) 影响晶体生长的因素也比较复杂; ➢ (3) 生长周期长; ➢ (4) 低温溶液生长对控温精度要求很高,因为在一定的生长
温度(T)下,温度波动(ΔT)的影响主要取决于ΔT/T,在低 温下要求ΔT相对地小。对培养高质量的晶体,可容许的温 度波动一般不超过百分之几度,甚至是千分之几度。
相场模拟晶体生长
相场模拟晶体生长一、引言晶体生长是固态物质在凝聚态物质中不断积累,组成有序结构的过程。
准确地预测和控制晶体生长过程对于材料科学和工程领域具有重要意义。
而相场模拟作为一种重要的计算方法,可以模拟晶体生长中的微观过程,为研究者提供了一种全新的思路和方法。
二、相场模拟的基本原理相场模拟是一种基于能量泛函理论的计算方法,它通过描述系统中的相场变化来模拟物质的相变过程。
在晶体生长中,相场表示晶体的局部结构,其演化受到界面自由能、弹性能等多种能量贡献的影响。
通过求解相场的演化方程,可以得到晶体生长的过程和形貌变化。
三、相场模拟在晶体生长中的应用1. 界面形貌的模拟相场模拟可以模拟不同条件下晶体生长的形貌演化过程。
通过调整模型参数,可以控制晶体生长的速率、形状和尺寸等。
这对于设计和优化晶体生长过程具有重要意义,可以提高晶体生长的效率和质量。
2. 晶体缺陷的研究晶体生长过程中常常会出现缺陷,如晶体界面的错配、晶格缺陷等。
相场模拟可以模拟这些缺陷的形成和演化过程,为研究者提供了一种研究晶体缺陷的新方法。
通过分析晶体缺陷的形成机制,可以进一步改进晶体生长方法,提高晶体的质量和完整性。
3. 晶体生长机制的研究相场模拟可以模拟晶体生长的微观过程,揭示晶体生长的机制。
通过分析晶体表面的能量变化和晶体界面的动力学行为,可以研究晶体生长的驱动力和限制因素。
这对于理解晶体生长的基本原理,指导晶体生长的优化具有重要意义。
四、相场模拟的优势与挑战1. 优势相场模拟具有较高的计算效率和准确性。
相场模拟可以处理复杂的相变过程和界面演化,对于研究晶体生长的微观机制具有重要意义。
2. 挑战相场模拟需要建立适当的物理模型和合理的参数选择,对研究者的经验和理论基础要求较高。
此外,相场模拟所需的计算资源较大,对计算机性能要求较高。
五、总结相场模拟作为一种重要的计算方法,在晶体生长研究中具有广泛的应用前景。
通过模拟晶体生长的形貌演化、缺陷形成和生长机制等过程,可以为晶体生长的优化和控制提供理论指导。
《晶体的微观结构》精品讲义
第二节晶体的微观结构学习目标重点难点1.了解固体的微观结构,会区别晶体和非晶体,列举生活中常见的晶体和非晶体.2.了解材料科学技术的有关知识及应用,体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响. 1.区别晶体和非晶体.(重点)2.固体的微观结构.(难点)一、晶体的微观结构1.基本知识(1)晶体的微观结构假说的内容:晶体内部的微粒是有规则地排列着的.(2)假说提出的依据:晶体外形的规则性和物理性质的各向异性.(3)实验验证:人们用X射线对晶体的内部结构进行研究后证实了晶体的内部粒子有规则排列的假说是正确的.(4)微观结构理论的内容:①组成晶体的物质微粒(原子、分子或离子)按一定的规律在空间整齐排列.②晶体内部各微粒之间存在着很强的相互作用,微粒只能在一定的平衡位置附近做微小振动.2.思考判断(1)晶体的各向异性是由于它的微粒按空间点阵排列.(√)(2)单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列.(√)(3)石墨的硬度比金刚石的差得多,是由于它的微粒没有按空间点阵分布.3.探究交流晶体为什么有规则的几何外形【提示】由于晶体中的物质微粒在空间是按一定规律排列的,微粒只在一定平衡位置做微小振动,所以晶体有规则的几何外形.晶体的微观结构【问题导思】1.从微观结构上分析,单晶体为什么呈现出各向异性,而多晶体和非晶体为什么呈现出各向同性2.如何理解晶体具有固定的熔点3.同一种化学成分的物质,为什么有时会表现出不同的物理性质1.对各向异性的微观解释如图所示,这是在一个平面上晶体物质微粒的排列情况.从图中可以看出,在沿不同方向所画的等长线段AB、AC、AD上物质微粒的数目不同.线段AB上物质微粒较多,线段AD上较少,线段AC上最少.正因为在不同方向上物质微粒的排列情况不同,才引起晶体在不同方向上物质性质的不同.2.对熔点的解释晶体加热到一定温度时,一部分微粒有足够的动能,克服微粒间的作用力,离开平衡位置,使规则的排列被破坏,晶体开始熔化,熔化时晶体吸收的热量全部用来破坏规则的排列,温度不发生变化.3.有的物质有几种晶体,如何解释这是由于它们的物质微粒能够形成不同的晶体结构,例如碳原子按不同的结构排列可形成石墨和金刚石,二者在物理性质上有很大不同.白磷和红磷的化学成分相同,但白磷具有立方体结构,而红磷具有与石墨一样的层状结构.例1 (双选)下列说法正确的是( )A.晶体的各向异性是由于它的微粒在空间按一定的规律排列B.单晶体具有规则的几何外形是由于它的微粒按一定规律排列C.非晶体有规则的几何形状和确定的熔点D.石墨的硬度与金刚石差得太多,是由于它的微粒没有按一定的规律排列【审题指导】解答本题应注意以下两点:(1)晶体的微观结构决定着晶体的性质.(2)同种物质由于微粒的空间结构不同,从而有不同的物理性质.【解析】晶体内部微粒排列的空间结构决定着晶体的物理性质;也正是由于它的微粒按一定规律排列,使单晶体具有规则的几何形状.石墨与金刚石的硬度相差甚远是由于它们内部微粒的排列结构不同,石墨的层状结构决定了它的质地柔软,而金刚石的网状结构决定了其碳原子间的作用力很强,所以金刚石有很大的硬度.【答案】AB同种物质可以生成不同的晶体,而且它们具有不同的微粒排列的空间结构,因而也就具有不同的物理性质.除石墨和金刚石外,还有红磷和白磷,白磷原子排列具有立方体结构,红磷原子排列具有层状结构.1.(双选)关于各向异性的说法正确的是( )A.不是所有晶体都具有各向异性的特点B.单晶体和多晶体都具有各向异性的物理性质C.晶体具有各向异性是由于晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同D.晶体的物理性质都是各向异性的【解析】单晶体具有各向异性,而多晶体具有各向同性,故A正确;多晶体具有各向同性的物理性质,故B错误;由于晶体在不同方向上物质微粒的排列情况不同,即为各向异性,则为单晶体,故C正确;只有单晶体具有各向异性,而多晶体和非晶体是各向同性的,故D错误.故选A、C.【答案】AC1.(双选)某球形固体物质,其各向导热性能相同,则该物体( )A.一定是非晶体B.可能具有确定的熔点C.一定是单晶体,因为它有规则的几何外形D.一定不是单晶体,因为它具有各向同性的物理性质【解析】该固体物质各向导热性能相同,说明物理性质具有各向同性,因此可能是多晶体,也可以是非晶体,但一定不是单晶体,所以A、C错.多晶体有一定的熔点,而非晶体则没有一定的熔点,所以B、D对.【答案】BD。
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。
晶体生长科学与技术PPT课件-03(共六部分)
固相生长法
总结词
通过控制固体物质的温度、压力等参数,使固体在一定条件 下结晶的方法。
详细描述
固相生长法是一种传统的晶体生长技术,适用于制备各种类 型的晶体材料。通过控制固体的温度、压力等参数,使固体 在一定条件下结晶形成单晶。该方法的关键在于选择合适的 结晶条件和原料,以获得高质量的晶体。
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晶体生长设备与工艺控制
详细描述
熔体生长法是最早的晶体生长方法之一,适用于制备大尺寸、高质量的单晶材料。通过将原料加热至熔化,然后 控制温度和冷却速度,使熔体结晶形成单晶。该方法的关键在于控制熔体的成分、温度和冷却速度,以获得理想 的晶体结构。
溶液生长法
总结词
通过控制溶液的浓度、温度等参数,使溶质在溶剂中结晶的方法 。
详细描述
随着计算机科学和人工智能的发展,将会有更多 的计算模拟和人工智能技术应用于晶体生长科学 与技术的研究中,以实现更加精准和高效的晶体 材料设计和制备。
未来,将会有更多的研究关注于新型晶体材料的 探索和开发,如拓扑晶体、量子晶体等,为未来 的科技发展提供新的材料基础。
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100%
化学成分与晶体纯度
在晶体生长过程中,控制化学成 分是获得高纯度晶体的关键。杂 质的存在会影响晶体的光学、电 学等性能。
80%
化学反应与晶体形态
化学反应速率和条件影响晶体生 长的形态。通过控制化学反应条 件,可以调控晶体的生长形态。
晶体生长的动力学基础
扩散与传输过程
在晶体生长过程中,物质通过 扩散和传输过程在晶体与熔体 之间迁移。这些动力学过程决 定了晶体生长的速度和微观结 构。
05
晶体生长的应用与前景
晶体生长在材料科学领域的应用
晶体学《晶体生长》课件
第六章一、概念解释晶体生长学:研究晶体生长过程及其涉及的物理化学原理、实验设计等内容。
均匀成核:在体系内任何部位成核率相等。
非均匀成核:在体系中存在的外来质点(尘埃,固体颗粒,籽晶等),在外来质点上成核。
晶核:成为结晶生长中心的晶胚。
临界半径:体系自由能由升高到降低转变时所对应的晶核半径。
成核速度:在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称为成核速度。
二、填空题1、均匀成核是指在一个体系内,各处成核概率相等,这要克服相当大的表面势垒,即需要相当大的过冷度才能成核。
2、晶体形成的方式有气相转变为晶体、液相转变为晶体、固相转变为晶体。
3、影响晶体生长的外部因素有涡流、温度、杂质、结晶速度、粘度。
4、晶体的熔体生长过程中的热量输送主要包括辐射、传导、对流。
5、晶体在溶液中生长的质量输送方式为扩散,扩散的驱动力为溶液的浓度梯度。
6、晶体在溶液中生长的动量输送表现为流体的内部磨擦作用。
7、从熔体中生长单晶体的方式有直拉法、区熔法、外延法。
8、从低温溶液中生长单晶的方法有降温法、蒸发法、凝胶法。
三、论述题1、化学气相沉淀法的优缺点答:优点:(1)所得的薄膜或材料一般纯度很高,致密性好,且容易形成结晶定向好的材料、广范用于高纯材料和单晶材料的制备;(2)能在较低温度下制备难溶物质;(3)适应性广,便于制备各种单质或化合物材料以及各种复合材料。
缺点:(1)需在高温下反应,衬底温度高,沉积数率较低;(2)参加沉积反应的源和反应后的余气都有一定的毒性,因此应用不如真空蒸发镀膜和溅射镀膜广泛。
2、为什么再杂质容器壁上容易成核答:成核是一种相变过程,即母液中形成固相小晶芽的过程。
成核需要界面杂质和容器壁正好提供了界面,杂质越多,容器面越大,界面则越大。
成核过程也是越垒过程,越过垒才可以进行晶体生长,容器正是这个垒,所以在杂质、容器上更容易成核。
3、为什么人工合成晶体要放籽晶答:晶体需要晶核才能形成,籽晶正是晶体的晶核,晶体很小时表面能大于自由能,而籽晶能克服界面能,所以人工合成需要籽晶。
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However there are situations where atomic length and time scales are needed and therefore MD might be better suited. An example of this is the effect of grain boundaries on ion bombardment. The benefit here is that PFC method has generated a blurred atomic picture but to some degree can be used to represent the atomic positions. The resulting microstructures from PFC can be used by MD simulations, this is a rare example where information across scales occurs in reverse. An example of a 3D generated polycrystalline BCC sample using PFC is shown in 3.
More recently the PFC method has shown promise in addressing the short-comings of PF. The primary difference between PFC and PF is that the order parameter is refashioned as a temporally coarse but spatially described by an atomic probability density (APD)5. This is done by choosing
∗stefanb@emergy functional which is minimized by an APD that is spatially periodic for crystalline solids and constant for liquids. It so happens that such description incorporates the necessary physics to describe things like surface tension, elasticity, anisotropy, dislocations etc. Additionally diffusive behaviour can be studied as a consequence of the time scale. In Fig. 1 an example from Provatas and Elder 6 is showing the ADP field of a partially solidified simulation. Many aspects such as orientation, liquid/solid interface, and dislocations are highlighted.
Growing Microstructures using Phase-Field Crystal
Stefan Bringuier∗1
1University of Arizona, Department of Materials Science and Engineering
December 16, 2013
1 Overview
The phase-field (PF) and phase-field-crystal (PFC) methods are relatively new approaches to modelling materials based on the variational principles of minimizing the free energy of a given system. More specifically, PFC is concerned with minimizing the free-energy functional by considering density fields that have periodic spatial variation1. Thus for crystalline solids this inherently captures the periodic description. Furthermore such model naturally incorporates elastic/plastic deformations and captures varying grain boundary orientations.
2
experimental or other computational methods. Phase-field-crystal may provide some value insight since it is possible
to grow microstructures and interfaces.These structures can then be subjected to external fields or non-equilibrium events to extract properties7. For example in Fig. 2 the dislocation glide velocity and crack propagation behaviours have been study.
Figure 1: PFC simulation showing ADP field and the various micro structure properties captured.6
2 Proposed Research
The importance of structural information such as grain boundary (GB) interfaces is crucial to understand the properties of a given material. For this reason computational methods such as molecular dynamics (MD) and first principle calculations are utilized to subject these interfaces to varies conditions. However, due to constraints from time and spatial scales it is computational difficult to grow crystals/polycrystals and furthermore interfaces using MD or first principle calculations. In some cases the use of mathematical geometric constructions make ease in building GB, an example of such approach are the coincident-site lattice model and Voronoi tessellation method. Although very useful, such methods are limiting and do not necessarily provide agreement with experimental microstructures. In addition even after considerable annealing and equilibration cycles the resulting interfaces might still reside in local minima. Thus determining the most suitable initial configuration requires some prior knowledge from
Computational investigation of microstructure evolution using PF to date has been well studied2–4. The PF method makes use of field variables such as impurity concentration and temperature to evolve the system microstructure. This has been extensively used to study dendritic growth in metals and alloys as well as spinodal decomposition. The dynamics of the system are driven by the dissipative minimization of a phenomenological determined free-energy functional. One of the limitations concerning phase field modelling is that the formulation requires uniform fields that are in equilibrium. As a result of this properties such as elasticity, anisotropy, and grain orientations are not inherent in the physical description. Although this has been addressed via different methods, PF has yet been unable to handle diffusive phase transformations and anisotropic surface energy to name a few 1,5.