浙大5第五章 晶体生长方法与技术

第五章晶体生长方法与技术结晶体内部的微粒在三维

单晶:空间呈有规律地、周期性地排

列，或者说晶体的整体在三维

晶方向上由同一空间格子构成，

整个晶体中质点在空间的排列

为长程有序体：

为长程有序。

多晶是众多取向晶粒的单晶的

金刚石单晶

集合。多晶与单晶内部均以点

阵式的周期性结构为其基础

阵式的周期性结构为其基础，对同一品种晶体来说，两者本

质相同多晶硅

晶体:(从成健角度分为)

•离子晶体（离子键：NaCl）

阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键.

•原子晶体(共价键:金刚石)

原子间通过共享电子所形成的化学键

•分子晶体(分子间作用力:范德华力和氢键,冰）

与电负性大的原子X（氟、氧、氮等）共价结合的氢，若与电负性大的原子Y（与X

相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为

相同的也可以）接近在

媒介，生成X‐H…Y形式的键，称为氢键。

•金属晶体(金属键:铜）

(金属键

由自由电子及排列成晶格状的金

属离子之间的静电吸引力组合而成.

单晶硅锭单晶硅片

单晶硅片太阳能电池

粉体（固体）熔体溶体气体

晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。实际上人工晶体多半由熔体达到一定

的过冷或溶液达到一定的过饱和而得。

而得

晶体生长是用一定的方法和技术，使晶体由液态或气态结晶成长。

气态结晶成长

由液态结晶又可以分成熔体生长或溶液生长两大类。

5.1‐1晶体生长：相变的过程

晶核的形成

•初级成核：无晶种存在。

成核高度成核 均相成核:在高过饱和度下，自发地生成晶核的过程，称为初级均相成核；

初级非均相成核:在外来物（如大气中的微尘）的诱导下生成晶核的过程；

•二次成核：有晶种存在的成核过程.

•晶核的形成是一个新相产生的过程，需要消耗一定的能量才能形成固液界面；

临界半径与成核功

•假定晶核形状为球形，半径为r，则

ΔG v4/3(πrΔG v)；若以σ代表液固界面的表=4/3(3

= σ ΔA=4 πr2σ；

面张力，则ΔG

s

•因此，在恒温、恒压条件下，形成一个半径为r 的晶核，其总吉布斯自由能的变化为：

ΔG=4 πr2(σ+(r/3) ΔG v)

G4πΔ

形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化

—形成单位体积晶体的吉布斯自由能变化ΔG

v

临界半径（r

c

）

•临界晶核半径是指ΔG为最大值时的晶核半径；

•r

c 时，ΔG

s

占优势，故

ΔG>0，晶核不能自动形成；

•r>r

c 时，ΔG

v

占优势，故

ΔG<0，晶核可以自动形成，并可以稳定生长；

过饱和度

临界晶体半径

晶核的成核速度

定义：单位时间内在单位体积溶液中生成新核的数目。

是决定结晶产品粒度分布的首要动力学因素；

成核速度大：导致细小晶体生成

因此，需要避免过量晶核的产生

液态到固态

2.螺旋生长理论

晶面上的螺旋纹

F.C.Frank,W.K.Burton等人提出。

位错—凹角—行列—螺旋生长

螺旋位错

凹角

Science, 2008, 320, 1060

2008320

速

率

生

长

多面体

台阶式分级结构球粒状

分形状

螺旋式生长二维形核生长附着型生长

Crystal growth technology: Hans J. Scheel, Tsuguo Fukuda, Springer.

5.2溶液中晶体生长

1.溶质、溶剂和溶液

溶质溶入溶剂形成单一均质溶体，为溶液。

通常溶液包括水溶液，有机等溶剂的溶液和熔盐（高温溶液）。

溶液熔体？溶解熔化？

溶液－熔体？溶解－熔化？

2.溶解度曲线

饱和溶液：与溶质固相处于平衡的溶液称为该平衡状态下该物质的饱和溶液。

L S (给定温度，压力)

溶解度曲线：一定状态下，饱和溶液浓度为该物质的溶解度。

不同温度下溶解度的连线为该物质的溶解度曲线。

溶液浓度表示法：

◆体积摩尔浓度（mol）：溶质mol数/1L溶液；

l）溶质l溶液

◆重量摩尔浓度（mol）：溶质mol数/1000g溶剂中

◆摩尔分数（x）：溶质摩尔数/溶液总摩尔数；

◆重量百分数：100g溶液中含溶质g数。

4.相图

饱和曲线（溶解度曲线）：不饱和区（稳定区）：

过饱和区（不稳定区）过饱和区（不稳定区）：

亚稳过饱和区（晶体生长区）：

不稳和亚稳过饱和区：1897年，Ostwald 定义，无晶核存在条件下，能够自发过溶解度曲线

定无核存在条件能够自发析出固相的过饱和溶液称为不稳过饱和溶液；把不能够自发析出固相的过饱和溶液称为亚稳过饱和溶液。

溶解度曲线（相图）

5.晶体生长区

由溶解度曲线可见，稳定区晶体不可能生长；不稳定区晶体可以生长，但是，不可能获得单一晶体；在亚稳过体但是能获得单体；在饱和区，通过籽晶生长可以获得单晶。

谈过饱和度，必须标明温度

◆

过饱和度：浓度驱动力Δc ，Δc ＝c －c *，其中，c 溶液的实际浓度，c *同一温度下的平衡饱和浓度；◆过饱和过饱和比比：s ＝c /c *

◆

过冷过冷度度：ΔT =T *－T ;温度为T *的过饱和溶液冷却到温度T 时溶液发生过饱和。