NaCo2O4晶体的生长形貌和生长机理英文
02-晶体生长(结晶学与矿物学)
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第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式
(a)
(b)
第二章 晶体生长理论
2-2 晶核的形成
晶体生长过程的第一步,就是形成晶核。
成核是一个相变过程,即在母液相中形成固相小晶芽,这一相变 过程中体系自由能的变化为: ΔG= ΔGv +ΔGs ΔGs为新相形成时新旧相界面的 表面能,ΔGv为新相形成时的体系 自由能 rc为体系自由能由升高到降低转 变时所对应的晶核半径值——临界 半径 只有当r>rc时, ΔG下降,晶核才 能稳定存在。 也就是说,晶核的形成,一方 面由于体系从液相转变为内能更小 的晶体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 体系自由能升高。
准晶体是其内部质点排列具有远程规律,但没有平移周期(赵 珊茸,2003),或不体现周期重复(潘兆橹,1993),即不 具格子构造。这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态,
人们称之为准晶态或准晶体(quasicrystal)。 中国大百科全书,1993: 准晶体:原子等呈定向长程有序排列,但不作周期性平移重复, 具有与空间格子不相容的对称(如五次对称轴)的固体。
2-1 晶体的形成方式
1.液相→结晶固相 a)熔体中结晶 b)溶液中结晶
条件:
a)降低温度-熔体过冷却 b)分散质达到过饱和 c)分散剂减少 d)化学反应生成不溶物质。
c)蒸发结晶
d)化学反应结晶
第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式
2.气相—固相 条件:足够低的蒸气压
3.固相→结晶固相 ①非晶固相→结晶固相
第二章 晶体生长理论
1层生长理论模型 (layer growth)
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。
CrystalGrowth-生长技术
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(4)主要优缺点 (a)可以直接观察晶体的生长状况,为控制晶体 外形提供了有利条件。 (b)晶体在熔体的自由表面处生长,而不与坩埚 相接触,能够显著减小晶体的应力并防止坩埚壁 上的寄生成核。 (c)可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺, 得到不同取向的单晶体,降低晶体中的位错密度, 减少嵌镶结构,提高晶体的完整性。 最大优点:较快的速率生长较高质量的晶体。
(3)主要设备
单晶炉:国产型号较多,有高压、低压之分
加热器:有石墨和碳硅棒、硅钼棒等
控制器:主要为精密数字控温仪,例如欧陆表,REX、
FP控温仪等 坩埚:石英、铂、铱、钼、石墨等。 坩埚材料对熔体生长关系重大,坩埚材料的选择应遵 从如下原则:
坩埚材料选择的基本原则:
(a)不溶或仅微溶于熔体; (b)尽可能地不含有能运输到熔体中去的杂支; (c)容易清洗,表面杂质都能除去; (d)在正常使用条件下,有高强度和物理稳定性; (e)有低的孔隙率以利于排气; (f)易于加工或者制成所需形状的坩埚。
α—HgI2—气相生长!
生长条件: P:<10-3Pa ∆T:2∽3℃
图6.1.3HgI2气相定点生长装置
四、气相法生长晶体的质量
常压升华(Pt>1atm):As、P、CdS、等 减压升华(Pt>1atm):雪花、ZnS、CdI2、HgI2等
2)蒸汽输运法
在一定的环境相下,利用运载气体来帮助源的挥发和 输运,从而促进晶体的生长的方法。通常用卤素作输 运剂。 在极低的氯气压力下观察钨的输运,发现在加热的钨 丝中,钨从较冷的一根转移到较热的一根上: 冷端:W+3Cl2 ⇌ WCl6 W以氯化物的形式挥发; 热端:分解、沉积出W,规则排列,生长出单晶体。 此法常用来提纯材料和生长单晶体。 不仅可生长纯金属单晶,也可用于生长二元或三元化 合物。
晶体形貌和连生
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其中又可分为:接触双晶(contact twin) :两个单体间只以一个明显而规则的接合面相接触。 其两侧的二单体以接合面为界面晶格互不平行连续,两者的取向亦不一致。
5.2. 双晶பைடு நூலகம்在异种晶体之间的规律取向连生, 就称为衍生.
例如底面双晶、负菱面双晶等。
如正长石的卡尔斯巴律贯穿双晶。
(2)转变双晶(transformation twin):在同质多象转变的过程中所产生的双晶。 例如钠长石律、尖晶石律、云母律、文石律等等; 双晶律(twin law) 衍生(heterotaxy)
双晶类型(一)
除了双晶律之外,我们还可按照双晶单体间接方式的不同而分出不同的双晶类型。在 矿物学中常用的分类是:
(1)简单双晶(simple twin):由两个单体构成的双晶。其中又可分为:接触双晶(contact twin) :两个单体间只以一个明显而规则的接合面相接触。如锡石的膝状双晶; 贯穿双 晶(penetrate twin):两个单体相互穿插,接合面常曲折而复杂。如正长石的卡尔斯巴 律贯穿双晶。
的双晶。 (3)机械双晶(mechanical twin):又称滑移双晶(gliding twin)或形变双
晶(deformation twin)。晶体在生成以后,由于受到应力的作用,导 致部分晶格中的一连串相邻原子面之间依次发生均匀滑移,即其中
晶体生长方法简介课件
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02
晶体生长的热力学条件
熔体中的溶解与析
溶解过程
在高温下,物质被加热并溶解成 液态。在溶解过程中,晶体物质 与其他物质混合,形成均匀的溶
液。
析出过程
当溶液冷却时,溶解的物质开始 以晶体的形式析出。析出的晶体 通常具有与原始溶液中相同的化
学组成和结构。
相平衡条件
在溶解和析出的过程中,需要满 足一定的相平衡条件。这些条件 包括温度、压力和组成,以确保 物质在溶液和晶体之间的转移是
晶体生长的环保与节能问题
节能技术
01
环保材料
02
废弃物处理
03
THANK YOU
05
晶体生长的设备及应用
水平管式炉
结构特点
工作原理 优缺点
立式炉
01
结构特点
02 工作原理
03 优缺点
悬浮炉
结构特点
工作原理
优缺点
连熔炉
结构特点
工作原理
优缺点
应用举例:LED晶体生长
LED晶体生长是晶体生长领域的一个重要应用方向,主要使用水平管式炉、立式炉和连熔炉 等设备。
LED晶体生长要求设备精度高、稳定性好、生产效率高,同时需要严格控制工艺参数,如温 度、时间、气氛等。
LED晶体生长的原料一般为化合物半导体材料,如GaN、InGaN等,这些材料具有宽禁带、 高发光效率等优点,是LED照明、显示等领域的重要基础材料。
06
晶体生长的最新研究进展及挑战
新型晶体生长方法研究
激光诱导晶体生长 化学气相沉积法 外延生长法
晶体生长过程的数值模拟与优化
计算机建模与仿真 量子力学计算 材料基因工程
晶体生方法介件
01
针状晶体生长机理(英文)
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ARTICLE IN PRESS
Journal of Crystal Growth 310 (2008) 110–115
/locate/jcrysgro
Crystallization mechanisms of acicular crystals
Franc- ois PueTaulelleb, Christine Bebona, Didier Colsona, Jean-Paul Kleina, Ste´ phane Veeslerb,Ã
2. Materials and methods
2.1. Materials
The four organic molecules studied were:
(i) Irbesartan (C25H28N6O), an active pharmaceutical ingredient crystallized in 2-propanol and used by Sanofi-Aventis in the treatment of hypertension;
These results provide valuable information on the unique crystallization mechanisms of acicular crystals, and show that it is important to know these threshold and critical values when running a crystallizer in order to obtain easy-to-handle crystals. r 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.
晶体生长理论部分
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的过程, 晶体生长过程是物质从其它相转变为结晶相的过程, 实际上是组成它的质点从不规则排列到规则排列形成格子
构造的过程。 构造的过程。
一)晶体生长理论
1、层生长理论(Kossel-Stranski模型) 层生长理论(Kossel-Stranski模型) 模型 (Stranski) 科塞尔在1927年提出, 由科塞尔在1927年提出,后经斯特兰斯基(Stranski) 加以发展。 加以发展。
1839年所创的符号, 于1839年所创的符号,也称为米氏符号。
工艺矿物学Ⅰ 工艺矿物学Ⅰ 第一篇 矿物通论 适用专业: 适用专业:矿物加工工程
米氏符号用晶面在三个晶轴上的截矩系数的倒数比来 表示。 例如:如果晶面ABC在 例如:如果晶面ABC在x、y、z三个晶轴上的截距分别为 ABC 2a、3b、6C。 2a、3b、6C。
工艺矿物学Ⅰ 工艺矿物学Ⅰ
第一篇 矿物通论
适用专业: 适用专业:矿物加工工程
二)晶面符号与单形符号
1、晶面符号(简称面号) 晶面符号(简称面号) 1)晶面符号概念 晶体定向后,各晶面在空间的相对位置就可确定, 晶体定向后,各晶面在空间的相对位置就可确定, 表示晶面在空间的相对位置的符号,称为晶面符号。 晶面在空间的相对位置的符号, 2)关于晶面符号的说明 晶面符号种类很多, 晶面符号种类很多,通常采用英国人米勒尔(W.Hmiler)
轴率:定义轴单位a 的连比值a:b:c 轴率。 a:b:c为 轴率:定义轴单位a0、b0 、c0的连比值a:b:c为轴率。
晶体常数:定义轴率a:b:c及轴角αβγ总称为晶体常 晶体常数: 轴率a:b:c及轴角αβγ总称为晶体常 a:b:c及轴角αβγ 数,它表示坐标系特征的一组常数。 它表示坐标系特征的一组常数。
晶体生长的机理
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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,r<r C时,ΔG>0,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。
《晶体的生长》课件
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目录
• 晶体简介 • 晶体生长的原理 • 晶体生长的方法 • 晶体生长的实验技术 • 晶体生长的应用实例 • 未来展望与挑战
01 晶体简介
晶体的定义
晶体是由原子、分子 或离子按照一定的规 律排列而成的固体物 质。
晶体的内部原子或分 子的排列方式决定了 晶体的物理和化学性 质。
界面反应与扩散
界面过程涉及界面反应和 扩散过程,研究晶体生长 过程中界面物质交换和化 学反应的规律。
界面动力学与控制
界面过程还探讨界面动力 学与控制因素,分析不同 条件下界面形态变化的动 力学过程和机制。
03 晶体生长的方法
熔体生长法
总结词
通过将原料加热至熔化后进行冷却结晶的方法。
详细描述
熔体生长法是一种常见的晶体生长方法,通过将原料加热至熔化,然后控制冷却 速度和温度梯度,使熔体中的原子或分子重新排列成晶体结构。这种方法适用于 制备大尺寸、高质量的单晶材料,如硅单晶和锗单晶等。
LED晶体材料的生长与应用
总结词
LED晶体材料是制造LED灯的关键材料,具有高效、节能、环保等特点,广泛应用能够将电能转化为光能的半导体材料。通过控制LED晶体材料的生 长和掺杂过程,可以获得具有特定能带结构和光学性质的LED晶体。LED晶体在照明、
技术创新
通过技术创新,改进晶体生长设备、 工艺和流程,提高晶体生长效率和产 量。
自动化与智能化
引入自动化和智能化技术,实现晶体 生长过程的远程监控、自动调节和控 制,提高生产效率和产品质量。
环境友好型的晶体生长方法
环保意识
随着环保意识的提高,环境友好型的 晶体生长方法成为研究重点,以减少 对环境的负面影响。
晶体具有规则的几何 外形和内部结构,其 原子排列具有周期性 。
晶体生长机理与晶体形貌的控制
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晶体生长机理与晶体形貌的控制张凯1003011020摘要:本文综述了晶体生长与晶体形貌的基本理论和研究进展,介绍了层生长理论,分析了研究晶体宏观形貌与内部结构关系的3种主要理论,即布拉维法则、周期键链理论和负离子配位多面体生长基元理论。
关键词:晶体生长机理晶体结构晶体形貌晶体1.引言固态物质分为晶体和非晶体。
从宏观上看,晶体都有自己独特的、呈对称性的形状。
晶体在不同的方向上有不同的物理性质,如机械强度、导热性、热膨胀、导电性等,称为各向异性。
晶体形态的变化,受内部结构和外部生长环境的控制。
晶体形态是其成份和内部结构的外在反映,一定成份和内部结构的晶体具有一定的形态特征,因而晶体外形在一定程度上反映了其内部结构特征。
今天,晶体学与晶体生长学都发展到了非常高的理论水平,虽然也不断地有一些晶体形貌方面的研究成果,但都停留在观察、测量、描述、推测生长机理的水平上。
然而,在高新技术与前沿理论突飞猛进的今天,晶体形貌学必然也会受到冲击与挑战,积极地迎接挑战,与前沿科学理论技术接轨,晶体形貌学就会有新的突破,并且与历史上一样也会对其它科学的发展做出贡献。
2.层生长理论科塞尔(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—斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置。
质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。
因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位置是能量上最有利的位置,即结合成键时应该是成键数目最多,释放出能量最大的位置。
质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置:k为曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生长位置;其次是S阶梯面,具有二面凹入角的位置;最不利的生长位置是A。
由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,然后长相邻的行列。
晶体的生长机理
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晶体生长机理本质上就是理解晶体内部结构、 缺陷、 生 长条件和晶体形态之间的关系。通过改变生长条件来控 制晶体内部缺陷的形成 ,从而改善和提高晶体的质量和性 能 ,使材料的强度大大增强 ,开发材料的使用潜能。
晶体生长研究已从一种纯工艺性研究逐步发展形成晶体 制备技术研究和晶体生长理论研究两个主要方向。
2、界面层与晶体生长
晶体生长的过程可分为两个步骤:即原子、离子或分子集团 (即生长基元)从过饱和溶液中形成和输运到晶体生长界面的过程 以及这些生长基元在晶体界面上叠合的过程。晶体生长实际上是 晶体表面向外扩展的过程:是晶体相 - 环境相(蒸汽、 溶液、 熔体) 界面向环境相中不断推移的过程 ,也就是包含组成晶体单元的母 相由低秩序相向高度有序晶相的转变图。这是一个具有界面反应 的结晶化学过程:是外延生长的过程。从另一方面上说 ,晶体生长 过程是晶体的体积增大过程 ,晶体的体积增大与晶体的晶面生长 是分不开的 ,晶面的生长与晶面上键链的延伸有关 ,而键链的延伸 与晶面上各生长扭结点的特性是分不开的。也就是说 ,晶体生长 是与晶体的表面性质息息相关。
阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
总之,层生长理论的中心思想是:晶体生长过程是晶面层层 外推的过程。
但是,层生长理论有一个缺陷:当将这一界面上的 所有最佳生长位置都生长完后,如果晶体还要继续生长, 就必须在这一平坦面上先生长一个质点,由此来提供最 佳生长位置。这个先这个二维核需要较大的过饱和度,但许 多晶体在过饱和度很低的条件下也能生长,为了解决这 一理论模型与实验的差异,弗兰克(Frank)于1949年提 出了螺旋位错生长机制。
3、安舍列斯理论
质点依次多分子层粘附,阶梯状生长,分子层的厚度与过饱和度有 关。
举例:金刚石馁成稳定阶段中由于压力温度作用使岩浆结晶作用处 于十分稳定状态,充足的原生碳,充分的结晶时间,金刚石晶芽大 量生长,并成长为较大的平面八面体金刚石,这时岩浆基性程度很 高,Ti元素尚为分散状态,由“Ti”所产生的制约金刚石生长的触 媒作用,还能阻止金刚石生长,岩浆转为侵入阶段后,金刚石完全 处于溶蚀状态,第一世代平面八面体金刚石向浑圆桩菱形十二面体 转化,形成了内成稳定性特征。
晶体的生长机理及生长速度

net Ls sL Ls [1 exp( Gm KT )]
由于
Gm
H m TK Tm
式中ΔTK为动力学过冷度。当KT值很大,而ΔGm很小时,净频率表达式
net Ls sL Ls [1 exp( Gm KT )]
生长速率R与动力学过冷度的关系:
R
e b TK
2
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。
此临界值约为1~2 K,比连续生长所需的过冷度约大两个数量级。
由于二维晶核各生长表面在长大过程中始终保持平整,最后形成的晶体是以许多 小平面为生长表面的多面体。 粗糙的外表面
的台阶。 这种台阶不限于一层原子,甚至存在于几个 原子层内。 沉积到界面上的原子受到前方和侧面固态原子 的作用,结合牢固且不易反弹或
脱落,如图。 晶体在生长过程中界面上的台阶始终存在(保持粗糙界面) 因此,液体中的原子可以在整个界面上连续沉积,促使界面便连续、均匀地垂直
生长。这种生长被称为连续生长、垂直生长或正常生长 。
因此在界面处始终存在着两种方向相反的原子迁移运动):
固相原子迁移到液相中的熔化反应(m); 液相原子迁移到固相中为凝固反应(F)。
m
液相
固相
F
图2-5 固—液界面处的原子迁移
单位面积界面处的反应速率为 :
dN dt
F
NL
f
L
AF
L
exp(
Q k Ti
)
dN dt
m
NS
南京大学-晶体生长-Chapter 5 晶体生长动力学 ppt课件

根据晶体学有理指数定律,晶体几何形态所出现的 晶面符号(hkl)或晶棱符号[uvw]是一组互质的简 单整数。
根据Bravais法则,当晶体生长到最后阶段,保留下 来的一些主要晶面是具有面网密度较高而面间距 dhkl较大的晶面。
不论是高级晶系或是中、低级晶系晶体,晶格面间 距dhkl 、晶格常数(a,b,c,α,β,γ)和面族{hkl}三者 之间存在着一定的关系。
晶体生长过程中的热量输运主要有三种方式:即 辐射、传导和对流。
一般来说,在高温时,大部分热量是从晶体表面 辐射出来,传导、对流是其次的;低温时,热量 输运主要靠传导进行的。
PPT课件
17
中级晶族
6)偏方面体类:晶面为偏四方形,与双锥类似,
上下与高次轴各交于上一点,但错开一定角度,此类 有:三方偏方面体,四方偏方面体,六方偏方面体。 且分左右形。
PPT课件
18
高级晶族:共有15个
1)四面体组:
晶面为四个等边三角形或将等边三角形分割成三个或 六个三角形、四边形、五边形,晶面垂直L3,晶棱中点 垂直L2或Li4。有四面体,三角三四面体,四角三四面体, 五角三四面体,六四面体。
PPT课件
1
本章主要内容: §5.1 晶体生长形态 §5.2 晶体生长的输运过程 §5.3 晶体生长边界层理论 §5.4 晶体生长界面的稳定性 §5.5 晶体生长界面结构理论模型 §5.6 晶体生长界面动力学
PPT课件
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§5.1 晶体生长形态
晶体生长形态是其内部结构的外在反映,晶体 的各个晶面间的相对生长速率决定了它的生长 形态。
上不同形、也不等大的晶面,这种晶体的理 想形态为聚形,聚形是由数种单形构成的。
晶体生长中的形貌研究

晶体生长中的形貌研究晶体生长一直是材料科学和化学等领域的研究方向之一。
在这个过程中,晶体的形貌也是一个重要的研究领域。
晶体生长中,晶体的形貌不仅具有美观性,而且对晶体的物理、化学性质会产生影响。
晶体形貌是晶体学的重要领域。
研究晶体形貌不仅有助于提高晶体生长方面的科学理论,还有助于制备更具有实用价值的晶体材料。
晶体的形貌是由晶体各个晶面之间的生长速率差异所决定。
晶体形貌可以分为众多的形态,包括平面、棱柱、角柱、四面体等。
同一种化合物的晶体可以有不同的形貌,这反映了该物质内部晶体结构存在多种结构,在晶体生长中所表现出来的形态差异。
因此,晶体形貌对物质的性质和性能具有很大的影响。
现代科学技术的发展为晶体形貌研究提供了更为先进的技术手段,如原子力显微镜、扫描电镜等仪器。
这些工具提供了更详细和准确的晶体表面信息。
晶体的形貌不仅受到晶体自身的物理化学性质的控制,还受到外部因素的影响。
晶体生长在不同的温度、压力、溶液中进行时,一定程度上影响晶体形貌的形成。
因此在晶体生长研究中,考虑这些外在因素的影响也是一个重要的研究方向。
晶体形貌研究在研究领域中的重要性逐渐得到了广泛认可。
能够精确控制和制备出复杂的晶体形态能够解决许多材料科学和生物医学领域的问题。
以生物医学研究为例,与普通晶体不同,药物晶体的形貌是制备过程中最重要的监测指标之一。
它必须被控制在特定的大小和形状才能达到最佳的生物效应,因此研究晶体形貌具有广泛的研究领域和应用前景。
总之,研究晶体形貌的重要性已经引起了越来越多的科学家关注。
晶体形貌研究的成果不仅可以为材料科学提供更可靠的物质基础,同时也能够为生物医学、物理化学等领域的研究提供更多的科学数据。
【凝固科学基础】3.3晶体生长(1)

3.3 Crystal Growth
• 动力学过冷 • 生长机制 • 凝固形成的晶体缺陷 • 晶界 • 生长速率
晶体长大时,可能产生的晶体缺陷: • 空位(vacancy) • 位错(dislocation) • 孪晶(twin)等。
• 空位:以金属为例,空位指晶格结点上缺少一个 原子,是一种点缺陷(point defects)。由于破坏原 子的规则排列,使周围晶体产生弹性畸变。 • 各种形式的点缺陷起着增大熵值的作用,在热力 学上都是稳定的
金属通常为多晶体 Grain sizes vary from 1 µm to 1 mm
The grains of this hypereutectoid ironcarbon alloy are packed in a similar way to the bubbles in the previous photographs
1 2
ss
形态? 2) FeS脆性大,降低钢的力学性能,改进
办法?
例题
解答:
1) 由于
1 2
ss
LS
FeS呈网状分布在晶界,
2 ) 加 Mn 形 成 MnS, , 改 变 了 界 面张力平衡,形貌网状( FeS ) 颗粒状( MnS )。
稳定的晶界形貌
• 原子光滑界面生长有强烈的晶体学取向,凝固时倾向 在低指数密排面生长。因为这种晶面上原子间结合力 较强。
• 生长过程的缺陷机理:缺陷造成的界面台阶提供生长 台阶,在晶体生长时总要形成生长缺陷,包括螺形位 错和孪晶等。
• Tk ≈1~2ºK
连续生长Continuous Growth
• 粗糙界面有很多位置适合生长, 或者讲,有很多台阶。生长比光 滑界面要容易得多。界面的推进 是比较均匀的。它的生长被称为 连续生长(continuous growth), 或非小平面生长(non-faceted growth)。
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第41卷第3期人工晶体学报Vol.41No.32012年6月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS June ,2012Growth ,Morphology and Growth Mechanismof NaCo 2O 4CrystalsHAN Shu-juan 1,WANG Ji-yang 1,LI Jing 1,GUO Yong-jie 1,WANG Yong-zheng 1,ZHAO Lan-ling 1,YAO Shu-hua 2,CHEN Yan-bin 2,Boughton R.I.3(1.State Key Laboratory of Crystal Materials ,Shandong University ,Jinan 250100,China ;2.College of Materials Science and Engineering ,Nanjing University ,Nanjing 210093,China ;3.Department of Physics and Astronomy ,Bowling Green State University ,Bowling Green ,Ohio 43403,USA )(Received 28September 2011,accepted 5March 2012)Abstract :Millimetre-sized NaCo 2O 4crystals were grown from a molten flux based on NaCl-Na 2CO 3byspontaneous nucleation method.Details of the preparation and growth procedures are provided.The as-grown crystals were characterized by X-ray powder diffraction (XRPD ).The morphology and growthmechanism were investigated by scanning electron microscopy (SEM )and atomic force microscopy(AFM ).The results show that the obtained crystal are well crystallized and indexed in a hexagonalcrystal system with lattice parameters a =b =0.2842nm ,c =1.0894nm ,and V =0.0761997nm 3.Thegrowth of NaCo 2O 4single crystals was controlled by a two-dimensional (2D )layer-by-layer mechanismacting along the c -axis.Furthermore ,the morphology of the crystals was also interpreted in the viewpointof anionic coordination polyhedron growth units.Key words :layered compounds ;crystal growth ;microstructureReceived date :2011-09-28;accepted date :2012-03-05Foundation item :National Natural Science Foundation of China (50872066);National Fundamental Research Project (2010CB833103);GraduateIndependent Innovation Foundation of Shandong University (GIIFSDU )Biography :HAN Shu-juan (1983-),female ,from Shandong province ,Doctor.E-mail :shujuanhan84@163.comCorresponding author :WANG Ji-yang ,professor.E-mail address :jywang@sdu.edu.cnCLC number :O78Document code :A Article ID :1000-985X (2012)03-0573-05NaCo 2O 4晶体的生长,形貌和生长机理研究韩树娟1,王继扬1,李静1,郭永解1,王永政1,赵兰玲1,姚淑华2,陈延彬2,Boughton R.I.3(1.山东大学晶体材料国家重点实验室,济南250100;2.南京大学材料科学与工程学院,南京210093;3.博林格林州立大学天文和物理学系,俄亥俄博林格林43403)摘要:采用自发成核方法,以NaCl-Na 2CO 3为助熔剂,生长了毫米级的NaCo 2O 4晶体。
通过X 射线衍射对晶体作了表征。
利用扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了晶体的形貌和生长机理。
结果表明:所得晶体是NaCo 2O 4,属于六方晶系,晶胞参数:a =b =0.2842nm ,c =1.0894nm ,V =0.0761997nm 3。
NaCo 2O 4晶体是沿c 轴层状生长的,同时从阴离子配位多面体的角度分析了晶体的形貌。
关键词:层状化合物;晶体生长;微观结构574人工晶体学报第41卷1IntroductionRecently ,a number of studies have been carried out to investigate the thermoelectric properties of cobalt oxides as potential candidates for thermoelectric applications ,motivated by their attractive advantages such as high thermal and chemical stability ,excellent oxidation resistance ,low costs and weak toxicity [1-3].Layered compounds ,such as NaCo 2O 4[4]and Ca 3Co 4O 9[5]are found to exhibit interesting thermoelectric performance ,which is attributed to their unique layered structure and the presence of mixed Co valences [6-8].There has been increasing interest in the growth and characterization of NaCo 2O 4since single crystal NaCo 2O 4was discovered to be a potentially important thermoelectric material by Terasaki [9].Ken Kurosaki et al.[10],Shin Tajima et al.[11]and Jinguang Cheng et al.[12]reported the thermoelectric properties of NaCo 2O 4polycrystal and indicated its potential for high-temperature thermoelectric application.The electronic structure of NaCo 2O 4was studied by Woosuck et al.[13]and Ying Xu et al.[14]using different methods.They reported that the compound showed metallic character and had large effective mass of the charge carrier.The Na ions played the role of providing valence electrons.In addition ,Santi et al.fabricated the NaCo 2O 4nanofibers [15]by electrospinning.However ,no detailed investigation of the morphology and growth mechanism of NaCo 2O 4crystals has yet been reported.In this paper ,The details of NaCo 2O 4crystals growth from the flux system based on NaCl-Na 2CO 3by the spontaneous nucleation method were reported.The morphology and growth mechanism of the as-grown crystals were investigated by SEM and AFM.And the morphology of the crystals was also interpreted in the viewpoint of anionic coordination polyhedron growth units for the first time.2Experimental 2.1Crystal growthThe NaCo 2O 4crystals were grown from the flux melt based on NaCl-Na 2CO 3.The raw materials were analytical pure reagents Co 2O 3(99.9wt%),Na 2CO 3(99.5wt%)and NaCl (99.5wt%).The crystal growth experiment was performed in a vertical electric furnace controlled by an FP21digital microprocessor temperature programmer-controller (Programmable PID regulator ,Island Power Company ,Japan )in air.The temperature was measured using a thermocouple.Fig.1SEM images of the selected NaCo 2O 4crystalsThe starting materials Co 2O 3,Na 2CO 3and NaCl in a weight ratio of 1ʒ6ʒ10were completely mixed and put into a platinum crucible with dimensions of 40mm in diameter and 50mm in height.The platinum crucible was placed in the center of a vertical ,programmable temperature furnace which was not sealed.So the crucible containing the raw materials was open to air.The mixture was heated to 900ħat a rate of 100ħ/h and held at this temperature for two days to provide a mix as homogeneous as possible.Then the temperature was lowered to 830ħat a rate of 9ħ/h.After this stage ,the melt was lowered to 710ħat a rate of 2ħ/h ,and then cooled第3期HAN Shu-juan et al:Growth,Morphology and Growth Mechanism of NaCo2O4Crystals575to room temperature naturally.Finally,millimeter-sized crystals were obtained.The as-grown crystals were mechanically separated from the flux without washing in water.A typical millimeter-sized crystal that was obtained is shown in Fig.1a.2.2X-ray powder diffraction analysisX-ray powder diffraction was used to estimate lattice parameters of the as-grown crystals at room temperature.The crystals were ground into powder form for examination.XRD data was recorded on Japan Burker by Bruker,(which is a German brand,not Japan one)diffractometer system with graphite monochromatized Cu Kαirradiation (λ=0.15418nm),together with a diffractometer scan step size of2θ=0.02ʎ,and a counting time of2s/step,over a2θrange of10ʎ-70ʎ.2.3Surface morphology and microstructureThe surface morphology and microstructure of the NaCo2O4crystals were investigated using scanning electronmicroscopy(SEM,Hitachi,S-4800)and atomic force microscopy(AFM).The AFM images were collected in ambient atmosphere at room temperature in contact mode using a commercial Nanoscope IIIa MultiMode AFM instrument.A J-type scanner and a standard SiN cantilever integrated with NP tips were used.3Results and discussion3.1Flux growth and characteristics of NaCo2O4crystalFig.2XRD patterns of the as-grown crystalsBy comparison with other crystal growth methods,the flux growth technique is especially preferable because it readily allows crystal growth at a temperature well below the melting point of the solute.In addition,crystals grown from the flux have regular morphology[16].Blackhexagonal-plate crystals of NaCo2O4were obtained.Theimages obtained from the SEM studies of the selectedNaCo2O4crystals are shown in Fig.1.It can be foundthat the crystals obtained are millimeter-sized.Due tohexagonal layered structure of NaCo2O4crystals,somecrystals are thin platelets and exhibit the expected hexagonal shape,as shown in Fig.1a.However,during the crystal growth,owing to the fluctuation of the temperature gradient or composition,the atomic deposition and arrangement to form the crystal at the melt-crystal interface are very easily interrupted,leading to the forming of the crystals with the unperfect hexagonal shape,such as Fig.1b.3.2Phase identification of the crystalsFig.2shows the X-ray powder diffraction pattern of the as-grown crystals.All of the peaks in Fig.2can beindexed in accordance with the standard JCPDS Card File27-682for NaCo2O4.The lattice parameters were calculated using the program TOPASS from the observed2values(see Table1).All the results are in agreement with the report of Ken Kurosaki[10].Table1Lattice parameters of NaCo2O4crystalLattice parameters a/nm b/nm c/nmReference[10]0.28340.28341.0899 This work0.28420.28421.08943.3Surface morphology and growth mechanism analysisFrom observations of the SEM(Fig.3)and AFM(Fig.4)results on the NaCo2O4crystals,it is clear that the576人工晶体学报第41卷crystal growth is controlled by a two-dimensional (2D ),layer-by-layer mechanism acting along the c -axis.NaCo 2O 4crystallizes in hexagonal structure.As reported elsewhere [4],the layered hexagonal structure of NaCo 2O 4is described as formed by Na and CoO 2layers arranging themselves alternately along the c -axis ,and shows a high degree of two-dimensionalcharacter.Fig.3SEM images of the as-grown crystals (a )and (b )Surface micro-morphological study of the crystals ,(c )and (d )Side view of the crystalsSurface micro-morphological examinations (Fig.3a ,b )reveal that there are some growth steps on the surface ,which indicate that the growth mode of layered steps is formed [17].The side views of the crystals (Fig.3c ,d )indicate that growth takes place via a two-dimensional layer-by-layer mechanism.The growth mechanism of the crystal was further investigated by AFM and growth steps were observed as shown in Fig.4.The AFM measurements reveal a step-and-terrace surface structure with a step height of 40nm and terraces of 100-300nm breadth.Fig.4Growth steps on the surface observed by AFM (a )Scanning areas are 3.0ˑ3.0μm 2;(b )Scanning areas are 2.6ˑ2.6μm 2Growth progresses by the propagation of steps in two-dimensions with 2D nuclei acting as the growth center.The appearance of 2D nuclei provides step source forfurther growth and the step terraces can also becomenucleation sites [18].Steps with wide terraces are thepreferential positions for nucleation.Step movement ismainly determined by surface diffusion.Initially ,thesolution aroundthe steps has almost the same supersaturation [19].Therefore ,steps can advance at anequal speed.However ,if the growth environment haslittle diversity during the growth ,such as the fluctuation of the thermal or composition ,the supersaturation around the steps changes ,the solute will deposit too rapidly at the position with the high supersaturation.So the steps could not move at the same speed.The step lined with hexagonal characterization is destroyed ,leading to the forming of the crystals with the unperfect hexagonal shape ,such as Fig.1b.Zhong and co-workers put forward the theory of growth basic structural unit of negative ion coordination polyhedron [20].They put forward that the growth and morphology of coordination polyhedron crystal depend on the link style of negative ion coordination polyhedron growth units :corner ,edge ,and face of the coordination polyhedron presenting at interface ,which lead to the different growth rate at different interface.The direction of the crystal face with the corner of the coordination polyhedron occurring at the interface has the fastest growth rate ;the direction of the crystal face with the edge of the coordination polyhedron occurring at the interface has the second fastest growth rate ;the direction of the crystal face with the face of the coordination polyhedron occurring at theinterface has the slowest growth rate [21,22].It is well accepted that with the corner ,face or edge of the negative ioncoordination polyhedron occurring at interface ,the corresponding crystal face will easily disappear ,appear or occasionally appear ,respectively.NaCo 2O 4belongs to the hexagonal crystal system and has a hexagonal layered第3期HAN Shu-juan et al:Growth,Morphology and Growth Mechanism of NaCo2O4Crystals577structure consisting of the two-dimensional(2D)layers of CoO2and Na+ions.In NaCo2O4structure[4],CoO6octahedrons,as the growth unit,are connected together by edge to form the CoO2layers.Na+ions are in a prismsite between CoO2blocks.Na+ions and CoO2layers alternately stack along the c axis to form layered hexagonalstructure.In the direction[001],the face of CoO6octahedron occurs at interface,so growth rate was slowest in the direction[001]and the corresponding face tended to appear.When the supersaturation increases,CoO6octahedrons will combine with each other and form the growth unit which is larger than one unit cell dimension.Such a growth unit can exist steady and already has the feature of nucleus.And it is easy to form an epiphytic crystal(see Fig.1c)[23]or coalescence crystal[24](see Fig.1d).Actually,it is an oriented crystallization of surface-induced during the growth units superimpose themselves onto the crystal interface.4ConclusionsTo summarize,NaCo2O4crystals have been grown by the flux method.The crystals are black hexagonalplatelets.Investigations of the SEM and AFM results reveal that the crystal growth is controlled by a two-dimensional(2D)layer-by-layer mechanism along the c-axis.Reference[1]Zhou A J,Zhu T J,Zhao X B.Thermoelectric Properties of Perovskite Oxides La1-x Sr x CoO3Prepared by Polymerlized Complex Method[J].J Mater.Sci.,2008,43:1520-1524.[2]Singh S K,Kumar J.Ac Conductivity,Dielectric Losses,Permittivity Behavior of Ba x Sr1-x Fe0.8Co0.2O3-d(x=0,0.5and1)Ceramics[J].J Mater.Sci.,2007,42:2105-2111.[3]Androulakis J,Migiakis P,Giapintzakis J.La0.95Sr0.05CoO3:An 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