固液界面结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
率的关系式（3-21），其中的系数
：
a Sm ( )
k
13
14
第2课时
质疑与讨论
界面类型的判别——图3-23
界面原子沉积50%时，自由能变化最小。 这种界面形态即粗糙界面（非小晶面）。— —A小于2 界面原子沉积0%或100%，自由能变化最 小。这种界面形态即光滑界面（小晶 面）。——A大于5， 混合界面——A介于2和5之间。
4
第1课时
质疑：界面类型的微观实质？
界面类型的实质：能量最低时的原子沉积几率 不同。（画图讲解图3-23）
能量最低时原子沉积几率近似为0或1，说明是光 滑界面。 能量最低时原子沉积几率近似为远离0或1，说明 是粗糙界面。 用a来判断：a小于2时，为粗糙界面。a大于5的
合金，为光滑a界面。H 0 kTm
过冷度大时，生长速度快，界面的原子层数较多， 容易形成粗糙面结构。 过冷度ΔT增大到一定程度时，小晶面界面可能转 变为非小晶面。如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面
界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。
过冷度对不同物质存在不同的临界值， 越大的 物质，变为粗糙 面的临界过冷度也就越大。 合金的浓度有时也影响固-液界面的性质。
界面结构与晶面族
根据
a
H m kTm
当固相表面为密排晶面时， 值高，如面心立方 的（111）面， 6 12 0.5
对于非密排晶面， 值低，如面心立方的 （001）面， 0.33 。
值越低， 值越小。这说明非密排晶面作为
晶体表面（液-固界面）时，容易成为粗糙界面。
界面结构与冷却速度及浓度
最低。大部分金属属此类；
凡属 ＞5的物质凝固时界 面为光滑面， 非常大时， ΔGA的两个最小值出现在 x→0或1处（晶体表面位置 已被占满）。有机物及无 机物属此类；
=2～5的物质，常为多种 方式的混合，Bi、Si、Sb等 属于此类。
界面结构与熔融熵
a
L m
kTm
( Sm R
)
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。
5
1.5
相 对 1.0 自 由 0.5 能 变 化0
-0.5 0
a=10.0
a=5.0
a=3.0
a=2.0
a=1.0
0.5
1.0
界面上原子所占位置分数
6
问：什么因素影响能量最低时 的原子沉积几率（界面类型）
熔化熵：式3-22的理解
注意到：熔化熵ΔSm=ΔHm/Tm，所以 ΔSm直接影响a值。
熔化熵如何影响界面类型？Sm越大，a越大， 能量最低情况越趋向小晶面
表面原子与内部原子的配位数比，受晶
体结构和界面的晶面控制。界面是密排
面时最高。
7
如何建立自由能变化与原子沉积 几率的相关关系？
P94
一个结合键的能量 表面层排满时的结合能 表面层排不满时的结合能 表面层排不满造成的结合能差 原子沉积过程的自由能变化 熔点时原子沉积过程的自由能变化
8
第2课时
模型的应用
第2课时
练习
参照图3-26、3-24，试画出两种界面结 构的原子堆积模型 P106第3.5题：Bi和水凝固时体积膨胀， 试推测它们的固液界面是小晶面还是非 小晶面。
宏观上光 无任何结晶面
滑
特征
金属和某些有机物
10
固-液界面的微观结构
粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原 子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子 所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光 滑的界面结构。 光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。
利用自由能变化与原子沉积几率关系分 析界面沉积类型
做图发现，a不同，曲线明显不同！ 观察最小值 最小值位置的意义
微观结构与宏观表现的关系
微观上小晶面（光滑），宏观上粗糙界面 微观上非小晶面（粗糙），宏观上光滑界面
9
第2课时
图解
固液界面类型
小晶面
非小晶面
宏观上 锯齿状
显示结晶 面特征
类金属，金属 间化合物，矿 物，某些有机 物
§2.3 固液界面结构
2学时
1
序
晶核形成的标志：
出现了固相和液相两个紧密相关的相 出现了固—液相界面
固—液相界面：
原子长程有序与长程无序的过渡区，厚度很小。 是一个区域，不是一个面。
固—液相界面结构的作用：
决定了原子继续附着与堆积的行为 决定了晶体长大后的形貌
2
序
固—液相界面的结构形式
微观粗糙界面（非小晶面nonfaceted） 微观光滑界面（小晶面faceted）
粗糙界面与光滑 界面是在原子尺 度上的界面差别， 注意要与凝固过 程中固－液界面 形态差别相区别， 后者尺度在μm 数量级。
第2课时
§2.3 固液界面结构与晶体生长
固液界面类型的决定因素——熔化熵值
界面处原子的能量高于固体内部原子的能量
每个结合键的能量=一个固体原子具有的结
合 熔 界能 化 面/熵 上配值 相位对数自由S能m 变化THm与0 界面上沉积原子几
界面结构与长大方式、形貌的联系
微观粗糙界面——非小晶面长大——宏观无结晶面 特征 微观光滑界面——小晶面长大——宏观有结晶面特 征
影响界面结构的因素
材料类别：金属多为粗糙界面，类金属和金属间化 合物多为光滑界面 熔化熵：熔化熵大，多为光滑界面。
3
第1课时
思考关键问题
固液界面的微观结构是什么样的？其实 质是什么？ 不同的界面结构与长大后的晶体形貌的 联系？ 界面结构受哪些因素影响？ 为什么会有不同类型界面？ 如何判定界面类型？ 界面类型和长大方式可以控制吗？
x(1
x)
x ln
x (1
x) ln(1
x)
ax(1 x) xln x (1 x)ln(1 x)
a
L m
kTm
( Sm R
)
被称为Jackson因子，
≤2的物质，凝固时固-液 界面为粗糙面，因为x=0.5 （晶体表面有一半空以缺上是位Jacks置on ）
时有一个极小值，即自由能
15
界面结构类型的判据
如何判断凝固源自文库面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一
晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
位置有NA个原子（
x N）A，则在熔
N
点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固
相上沉积的相对自由能变化为：
GA NkTm
L m
kTm
：
a Sm ( )
k
13
14
第2课时
质疑与讨论
界面类型的判别——图3-23
界面原子沉积50%时，自由能变化最小。 这种界面形态即粗糙界面（非小晶面）。— —A小于2 界面原子沉积0%或100%，自由能变化最 小。这种界面形态即光滑界面（小晶 面）。——A大于5， 混合界面——A介于2和5之间。
4
第1课时
质疑：界面类型的微观实质？
界面类型的实质：能量最低时的原子沉积几率 不同。（画图讲解图3-23）
能量最低时原子沉积几率近似为0或1，说明是光 滑界面。 能量最低时原子沉积几率近似为远离0或1，说明 是粗糙界面。 用a来判断：a小于2时，为粗糙界面。a大于5的
合金，为光滑a界面。H 0 kTm
过冷度大时，生长速度快，界面的原子层数较多， 容易形成粗糙面结构。 过冷度ΔT增大到一定程度时，小晶面界面可能转 变为非小晶面。如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面
界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。
过冷度对不同物质存在不同的临界值， 越大的 物质，变为粗糙 面的临界过冷度也就越大。 合金的浓度有时也影响固-液界面的性质。
界面结构与晶面族
根据
a
H m kTm
当固相表面为密排晶面时， 值高，如面心立方 的（111）面， 6 12 0.5
对于非密排晶面， 值低，如面心立方的 （001）面， 0.33 。
值越低， 值越小。这说明非密排晶面作为
晶体表面（液-固界面）时，容易成为粗糙界面。
界面结构与冷却速度及浓度
最低。大部分金属属此类；
凡属 ＞5的物质凝固时界 面为光滑面， 非常大时， ΔGA的两个最小值出现在 x→0或1处（晶体表面位置 已被占满）。有机物及无 机物属此类；
=2～5的物质，常为多种 方式的混合，Bi、Si、Sb等 属于此类。
界面结构与熔融熵
a
L m
kTm
( Sm R
)
熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。 因此固-液微观界面究竟是粗糙面还是光滑面主要取决于 合金系统的热力学性质。
5
1.5
相 对 1.0 自 由 0.5 能 变 化0
-0.5 0
a=10.0
a=5.0
a=3.0
a=2.0
a=1.0
0.5
1.0
界面上原子所占位置分数
6
问：什么因素影响能量最低时 的原子沉积几率（界面类型）
熔化熵：式3-22的理解
注意到：熔化熵ΔSm=ΔHm/Tm，所以 ΔSm直接影响a值。
熔化熵如何影响界面类型？Sm越大，a越大， 能量最低情况越趋向小晶面
表面原子与内部原子的配位数比，受晶
体结构和界面的晶面控制。界面是密排
面时最高。
7
如何建立自由能变化与原子沉积 几率的相关关系？
P94
一个结合键的能量 表面层排满时的结合能 表面层排不满时的结合能 表面层排不满造成的结合能差 原子沉积过程的自由能变化 熔点时原子沉积过程的自由能变化
8
第2课时
模型的应用
第2课时
练习
参照图3-26、3-24，试画出两种界面结 构的原子堆积模型 P106第3.5题：Bi和水凝固时体积膨胀， 试推测它们的固液界面是小晶面还是非 小晶面。
宏观上光 无任何结晶面
滑
特征
金属和某些有机物
10
固-液界面的微观结构
粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原 子所占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子 所占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光 滑的界面结构。 光滑界面也称“小晶面”或“小平面”。
利用自由能变化与原子沉积几率关系分 析界面沉积类型
做图发现，a不同，曲线明显不同！ 观察最小值 最小值位置的意义
微观结构与宏观表现的关系
微观上小晶面（光滑），宏观上粗糙界面 微观上非小晶面（粗糙），宏观上光滑界面
9
第2课时
图解
固液界面类型
小晶面
非小晶面
宏观上 锯齿状
显示结晶 面特征
类金属，金属 间化合物，矿 物，某些有机 物
§2.3 固液界面结构
2学时
1
序
晶核形成的标志：
出现了固相和液相两个紧密相关的相 出现了固—液相界面
固—液相界面：
原子长程有序与长程无序的过渡区，厚度很小。 是一个区域，不是一个面。
固—液相界面结构的作用：
决定了原子继续附着与堆积的行为 决定了晶体长大后的形貌
2
序
固—液相界面的结构形式
微观粗糙界面（非小晶面nonfaceted） 微观光滑界面（小晶面faceted）
粗糙界面与光滑 界面是在原子尺 度上的界面差别， 注意要与凝固过 程中固－液界面 形态差别相区别， 后者尺度在μm 数量级。
第2课时
§2.3 固液界面结构与晶体生长
固液界面类型的决定因素——熔化熵值
界面处原子的能量高于固体内部原子的能量
每个结合键的能量=一个固体原子具有的结
合 熔 界能 化 面/熵 上配值 相位对数自由S能m 变化THm与0 界面上沉积原子几
界面结构与长大方式、形貌的联系
微观粗糙界面——非小晶面长大——宏观无结晶面 特征 微观光滑界面——小晶面长大——宏观有结晶面特 征
影响界面结构的因素
材料类别：金属多为粗糙界面，类金属和金属间化 合物多为光滑界面 熔化熵：熔化熵大，多为光滑界面。
3
第1课时
思考关键问题
固液界面的微观结构是什么样的？其实 质是什么？ 不同的界面结构与长大后的晶体形貌的 联系？ 界面结构受哪些因素影响？ 为什么会有不同类型界面？ 如何判定界面类型？ 界面类型和长大方式可以控制吗？
x(1
x)
x ln
x (1
x) ln(1
x)
ax(1 x) xln x (1 x)ln(1 x)
a
L m
kTm
( Sm R
)
被称为Jackson因子，
≤2的物质，凝固时固-液 界面为粗糙面，因为x=0.5 （晶体表面有一半空以缺上是位Jacks置on ）
时有一个极小值，即自由能
15
界面结构类型的判据
如何判断凝固源自文库面的微观结构？
—— 这取决于晶体长大时的热力学条件。
设晶体内部原子配位数为ν，界面上（某一
晶面）的配位数为η，晶体表面上N个原子
位置有NA个原子（
x N）A，则在熔
N
点Tm时，单个原子由液相向固-液界面的固
相上沉积的相对自由能变化为：
GA NkTm
L m
kTm