晶体生长的基本规律课件
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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
§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。
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
• 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
晶体生长过程模拟
二.螺旋生长理论
根据实际晶体结构的螺旋位错现象，提出 了晶体的螺旋生长理论。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 的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光 滑界面上的生长，这种台阶永不消失。
螺旋位错的形成
在晶体生长过程中，由于杂质或热应力的不均匀分布， 在晶格内产生内应力，当此力超过一定限度时，晶格便沿 某个面网发生相对剪切位移，位移截止处形成一条位错线， 即螺旋位错。
1、布拉维法则 2、居里－吴里佛原理 3、周期键链理论
一．布拉维法则
早在1885年，法国结晶学家布拉维从晶体具有 空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与 空间格子构造中面网之间的关系。
布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的晶面所包围
晶面生长速度：晶面在单位时间内沿其法线方向向外 推移的距离
图释
成核几率越大。
成核作用分为： 1、均匀成核：在均匀无相界面的体系内，自发
发生相变形成晶核 2、不均匀成核：晶核借助外来物质的诱导产生
如溶液中悬浮地杂质微粒，容器壁 上凹凸不平，或人为地放入籽晶或
成核剂等。
§2.3晶体的生长
晶核形成后，质点继续在晶核上堆积，体系 的总自由能随晶核的增大而下降，晶核得以不断 长大，晶体进入生长阶段。
介绍两种被广泛接受的理论。
一．层生长理论
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 置有平坦面、两面凹角位、三面凹角三种。
晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解
假设晶核为由同一种原子组成的立方格子，其相邻 质点的间距为a
1—三面凹角 2－二面凹角 3－一般位置
晶体生长的基本 规律
§2.1形成晶体的方式
晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种， 即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由 气相、液相转变成固相时形成固体，固相之间也可以 直接产生转变。
在一定条件下，物质从其它状态转变为晶体，称为 结晶作用。结晶作用是相变过程，伴随产生热效应。
1.气-固结晶作用
三．周期键链(PBC)理论
△G＝－(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0
+
G
△Gs
0
rc
r0
G
△Gv
-
r
粒径为rc的胚芽为 临界晶核
r＜rc ,△G随r增大而增大，胚芽易消 失 rc＜r＜r0 ,△G＞0，胚芽可存在，很难 长大 r＝r0 ,△G=0，胚芽可存在，可消失 r＞r0 ,△G＜0，胚芽长大
rc与溶液的过饱和度有关， 过饱和度越高， rc值越小，
石英的带状构造
Байду номын сангаас
蓝宝石中的环带
（3）同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。 （4）某些晶体内部的沙钟构造
普通辉石的生长锥(a)和砂钟状构造(b)
• 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，最后可在晶 面上留下生长层纹或生长阶梯。
过饱和溶液中
设结晶相（胚芽）产生使自由能降低△Gv 两相界面表面能使自有能增加△Gs 体系总自由能的变化为△G＝ －△Gv＋ △Gs
设胚芽为球形，半径为r,则上式可表示为 △G＝－(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0 △Gv0为单位体积新相形成时自由能的下降 △Gs0为单位面积的新旧相界面自由能的增加
条件：气态物质具有足够低的蒸汽压、处于较低的 温度下。
火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积
2.液-固结晶作用
1)从溶液中结晶 条件：溶液过饱和。
青海察尔汗盐湖中盐花结晶体
2)从熔体中结晶
条件 ：熔体过冷却。 天然熔体：岩浆。 人工熔体：金属熔体、玻璃熔体等。
天然熔体：岩浆
3、固-固结晶作用
1)同质多像转变－某种晶体，在一定条件下，转变成另一 种晶体 2)晶界迁移结晶－高温下，晶粒间界面处质点发生转移，进 行重新排列，小晶粒逐渐长大 3)固相反应结晶－两种以上粉料混合高温烧结，发生化学反 应，形成新的化合物
A
面网密度 AB>CD>BC
a＞b
3
B
1
CA
B
2
C
a
D
b
D
结论：面网密度大—对生长质点吸引力小—生长速度慢—
在晶形上保留
面网密度小—对生长质点吸引力大— 生长速度快— 消失
缺点：
1. 布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格 子，而非真实的晶体结构。
2. 只考虑了晶体的本身，而忽略了生长晶体的介质条 件。 因此，在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离。
质点的堆积顺序 三面凹角→二面凹角→一般位置
晶体的理想生长过程
晶体在理想情况下生长时，先长一条行 列，再长相邻的行列；在长满一层原子面后， 再长相邻的一层，逐层向外平行推移。
生长停止后，最外层的面网就是实际晶 面，相邻面网的交棱是实际晶棱。整个晶体 成为被晶面包围的几何多面体。
此结论可解释如下一些生长现象 （1）晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。 （2）晶体中的环带构造
形成螺旋位错示意图
晶体螺旋生长示意图
质点先落在凹角处。随着晶体的生长，凹角不 会随质点的堆积而消失，仅仅是凹角随质点的堆积而不 断地螺旋上升，导致整个晶面逐层向外推移。
螺旋生长过程模拟
SiC晶体表面的生长螺旋纹 石墨底面上的生长螺纹
§2.4晶面发育
晶体生长所形成的几何多面体外形，是由所 出现晶面的种类和它们的相对大小来决定的。哪 种类型的晶面出现及晶面的大小，本质上受晶体 结构所制，遵循一定规律。
二．居里—吴里夫原理
• 1885年居里(P．Curie)指出，在温度、晶体体 积一定时，晶体生长的平衡态应具有最小的表 面能。
1901年吴里夫进一步扩展了居里原理。
居里－吴里夫原理：对于平衡形态而言，晶 面的生长速度与晶面的表面能成正比
优点：从表面能出发，考虑了晶体和介质两个方面。 但是由于实际晶体常都未能达到平衡形态，从而影响 了这一原理实际应用。
5)脱玻化－非晶体自发地转化成晶体
§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。
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
• 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
晶体生长过程模拟
二.螺旋生长理论
根据实际晶体结构的螺旋位错现象，提出 了晶体的螺旋生长理论。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 的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光 滑界面上的生长，这种台阶永不消失。
螺旋位错的形成
在晶体生长过程中，由于杂质或热应力的不均匀分布， 在晶格内产生内应力，当此力超过一定限度时，晶格便沿 某个面网发生相对剪切位移，位移截止处形成一条位错线， 即螺旋位错。
1、布拉维法则 2、居里－吴里佛原理 3、周期键链理论
一．布拉维法则
早在1885年，法国结晶学家布拉维从晶体具有 空间格子构造的几何概念出发，论述了实际晶面与 空间格子构造中面网之间的关系。
布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的晶面所包围
晶面生长速度：晶面在单位时间内沿其法线方向向外 推移的距离
图释
成核几率越大。
成核作用分为： 1、均匀成核：在均匀无相界面的体系内，自发
发生相变形成晶核 2、不均匀成核：晶核借助外来物质的诱导产生
如溶液中悬浮地杂质微粒，容器壁 上凹凸不平，或人为地放入籽晶或
成核剂等。
§2.3晶体的生长
晶核形成后，质点继续在晶核上堆积，体系 的总自由能随晶核的增大而下降，晶核得以不断 长大，晶体进入生长阶段。
介绍两种被广泛接受的理论。
一．层生长理论
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 置有平坦面、两面凹角位、三面凹角三种。
晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解
假设晶核为由同一种原子组成的立方格子，其相邻 质点的间距为a
1—三面凹角 2－二面凹角 3－一般位置
晶体生长的基本 规律
§2.1形成晶体的方式
晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种， 即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由 气相、液相转变成固相时形成固体，固相之间也可以 直接产生转变。
在一定条件下，物质从其它状态转变为晶体，称为 结晶作用。结晶作用是相变过程，伴随产生热效应。
1.气-固结晶作用
三．周期键链(PBC)理论
△G＝－(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0
+
G
△Gs
0
rc
r0
G
△Gv
-
r
粒径为rc的胚芽为 临界晶核
r＜rc ,△G随r增大而增大，胚芽易消 失 rc＜r＜r0 ,△G＞0，胚芽可存在，很难 长大 r＝r0 ,△G=0，胚芽可存在，可消失 r＞r0 ,△G＜0，胚芽长大
rc与溶液的过饱和度有关， 过饱和度越高， rc值越小，
石英的带状构造
Байду номын сангаас
蓝宝石中的环带
（3）同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。 （4）某些晶体内部的沙钟构造
普通辉石的生长锥(a)和砂钟状构造(b)
• 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，最后可在晶 面上留下生长层纹或生长阶梯。
过饱和溶液中
设结晶相（胚芽）产生使自由能降低△Gv 两相界面表面能使自有能增加△Gs 体系总自由能的变化为△G＝ －△Gv＋ △Gs
设胚芽为球形，半径为r,则上式可表示为 △G＝－(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0 △Gv0为单位体积新相形成时自由能的下降 △Gs0为单位面积的新旧相界面自由能的增加
条件：气态物质具有足够低的蒸汽压、处于较低的 温度下。
火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积
2.液-固结晶作用
1)从溶液中结晶 条件：溶液过饱和。
青海察尔汗盐湖中盐花结晶体
2)从熔体中结晶
条件 ：熔体过冷却。 天然熔体：岩浆。 人工熔体：金属熔体、玻璃熔体等。
天然熔体：岩浆
3、固-固结晶作用
1)同质多像转变－某种晶体，在一定条件下，转变成另一 种晶体 2)晶界迁移结晶－高温下，晶粒间界面处质点发生转移，进 行重新排列，小晶粒逐渐长大 3)固相反应结晶－两种以上粉料混合高温烧结，发生化学反 应，形成新的化合物
A
面网密度 AB>CD>BC
a＞b
3
B
1
CA
B
2
C
a
D
b
D
结论：面网密度大—对生长质点吸引力小—生长速度慢—
在晶形上保留
面网密度小—对生长质点吸引力大— 生长速度快— 消失
缺点：
1. 布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格 子，而非真实的晶体结构。
2. 只考虑了晶体的本身，而忽略了生长晶体的介质条 件。 因此，在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离。
质点的堆积顺序 三面凹角→二面凹角→一般位置
晶体的理想生长过程
晶体在理想情况下生长时，先长一条行 列，再长相邻的行列；在长满一层原子面后， 再长相邻的一层，逐层向外平行推移。
生长停止后，最外层的面网就是实际晶 面，相邻面网的交棱是实际晶棱。整个晶体 成为被晶面包围的几何多面体。
此结论可解释如下一些生长现象 （1）晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。 （2）晶体中的环带构造
形成螺旋位错示意图
晶体螺旋生长示意图
质点先落在凹角处。随着晶体的生长，凹角不 会随质点的堆积而消失，仅仅是凹角随质点的堆积而不 断地螺旋上升，导致整个晶面逐层向外推移。
螺旋生长过程模拟
SiC晶体表面的生长螺旋纹 石墨底面上的生长螺纹
§2.4晶面发育
晶体生长所形成的几何多面体外形，是由所 出现晶面的种类和它们的相对大小来决定的。哪 种类型的晶面出现及晶面的大小，本质上受晶体 结构所制，遵循一定规律。
二．居里—吴里夫原理
• 1885年居里(P．Curie)指出，在温度、晶体体 积一定时，晶体生长的平衡态应具有最小的表 面能。
1901年吴里夫进一步扩展了居里原理。
居里－吴里夫原理：对于平衡形态而言，晶 面的生长速度与晶面的表面能成正比
优点：从表面能出发，考虑了晶体和介质两个方面。 但是由于实际晶体常都未能达到平衡形态，从而影响 了这一原理实际应用。