晶体生长的基本过程电子教案

2020/7/30
• 因此，最佳生长位置是三面凹角位，其次 是两面凹角位，最不容易生长的位置是平坦 面。
这样，最理想的晶体生长方式就是:先在三面凹角上生长 成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质 点，以形成三面凹角，再生长一行，重复下去。但是，实际 晶体生长不可能达到这么理想的情况，也可能一层还没有完 全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长，后可在晶 面上留下生长层纹或生长阶梯。 • 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
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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。
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• 成核控制机理
在晶体生长过程中 ,成核控制远不如扩散控制那么 常见。但对于很小的晶体 ,可能不存在位错或其它缺陷 ,生长是由分子或离子一层一层地沉积而得以实施 ,各 层均由离子、分子或低聚合度的基团沉积所成的 “排 ” 所组成 ,因此 ,对于成核控制的晶体生长 ,成核速率 可看作是晶体生长速率。当晶体的某一层长到足够大 且达到一定边界时 ,由于来自溶液中的离子在完整表面 上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止 ,单个表面 晶核和溶液之间达成不稳定状态。
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• 位错控制机理
当溶液的饱和比小于 2 时 ,表面成核速率极低 ,如果每个表面晶 核只能形成一个分子层 ,则晶体生长的实际速率只能是零。事实上 , 很多实验表明 ,即使在 S = 1101 的低饱和比条件下 ,晶体都能很容 易地进行生长 ,这不可能用表面成核机理来解释。1949 年 Frank[3 ]指出 ,在这种情况下晶体的生长是由于表面绕着一个螺旋位错进行 的缠绕生长,螺旋生长的势能可能要比表面成核生长的势能大 ,但是 , 表面成核一旦达到层的边界就会失去活性 ,而螺旋位错生长却可生 长出成百万的层。由于层错过程中 ,原子面位移距离不同 ,可产生不 同类型的台阶(如图 1) 。台阶的高度小于面间距 ,被称为亚台阶;高 度等于面间距的台阶则称为全台阶。这两类台阶都能成为晶体生长 中永不消失的台阶源。
• 两者相互渗透、 相互促进。晶体制备技术研究为晶体生 长理论研究提供了丰富的对象;而晶体生长理论研究又力 图从本质上揭示晶体生长的基本规律 ,进而指导晶体制备 技术研究。
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二、晶体生长的基本过程
• 从宏观角度看 ,晶体生长过程是晶体 — 环境相(蒸 气、 溶液、 熔体)界面向环境相中不断推移的过程 ,也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高 度有序晶相的转变。
一旦晶核形成后，就形成了晶－液界面， 在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、 离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形 成晶体。
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1．层生长理论模型（科赛尔-斯兰特斯基理论理论模型 ）
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科赛尔首先提出，后经斯 兰特斯基加以发展的晶体的 层生长理论 这一模型要讨论 的关键问题是：在一个正在 生长的晶面上寻找出最佳生 长位置，有平坦面、两面凹 角位、三面凹角位。其中平 坦面只有一个方向成键，两 面凹角有两个方向成键，三 面凹角有三个方向成键，见 图：
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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。这个先生长在平坦面上的 质点就相当于一个二维核，形成这个二维 核需要较大的过饱和度，但许多晶体在过
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2．螺旋生长理论模型（BCF理 论模型）
• 位Байду номын сангаас的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源。 随着生长的进行，台阶将会以位错处为中心呈螺旋状分布，螺旋 式的台阶并不会随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋生 长持续下去。螺旋状生长于层状生长不同的是台阶并不直线式地 等速前进扫过晶面，而是围绕着螺旋位错的轴线螺旋状前进（图 8-8）。随着晶体的不断长大，最终表现在晶面上形成能提供生长 条件信息的各种样式的螺旋纹。
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• 综合控制机理
晶体生长事实上是极为复杂的过程 , 特别是自溶液中的生长 ,一般情况下 ,控 制晶体生长的机理都不止一种 ,而是由单 核层机理、 多核层机理和扩散控制生长 机理的综合作用 ,控制着晶体的生长。
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四、晶体的生长模型
晶体生长的三个阶段：首先是介质达到 过饱和、过冷却阶段；其次是成核阶段，即 晶核形成阶段；最后是晶体的生长阶段。
• 从微观角度来看 ,晶体生长过程可以看作一个 “基 元” 过程 ,所谓 “基元” 是指结晶过程中最基本 的结构单元 ,从广义上说 , 可以是原子、 分子 ,也 可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体。
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三、晶体的生长机理
• 扩散控制机理
从溶液相中生长出晶体 ,首 要的问题是溶质必须从过饱和溶 液中运送到晶体表面 ,并按照晶 体结构重排。若这种运送受速率 控制 ,则扩散和对流将会起重要 作用。当晶体粒度不大于10μm 时 ,在正常重力场或搅拌速率很 低的情况下 ,晶体的生长机理为 扩散控制机理。
• 即在晶体生长界面上，螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸 所形成的二面凹角（6.12）可以作为晶体生长的台阶源，促进光 滑界面上的生长。这样就解释了晶体在很低的过饱和度下能够生 长的实际现象。印度结晶学家弗尔麻（Verma）1951年对SiC晶 体表面上的生长螺旋纹（图8-7）及其他大量螺旋纹的观察，证实 了这个模型在晶体生长中的重要作用。
一、概述
• 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。