三种晶体生长理论

三种晶体生长理论：

一、层生长理论

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亦称为科赛尔-斯兰特斯基理论。这一模型主要讨论的关键问题是：在一个面尚未生长完全前在一界面上找出最佳生长位置。图8-2表示了一个简单立方晶体模型中一界面上的各种位置，各位上成键数目不同，新支点就位后的稳定程度不同。每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。图8-2所示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，具有三面凹角，是最有利的生长位置；其次是S阶梯面，具有两面凹角的位置；最不利的生长位置是A。由此可以得出如下的结论：警惕在理想情况下生长时，一旦有三面凹角位存在，质点则优先沿着三面凹角位生长一条行列；而当这一行列长满后，就只有二面凹角位了，质点就只能在二面凹角处就位生长，这时又会产生三面凹角位，然后生长相邻的行列；在长满一层面网后，质点就只能在光滑表面上生长，这一过程就相当于在光滑表面上形成一个二维核，来提供三面凹角和二面凹角，再开始生长第二层面网。晶面（最外的面网）是平行向外推移而生长的。这就是晶体生长的层生长模型，它可以解释如下一些生长现象：（1）晶体常生长成面平棱直的多面体形态。

（2）晶体在生长的过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性（如颜色）和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造

（图8-3）。它表明晶面是平行向外推移生长的。

（3）由于晶面是向外推移生长的，所以同种矿物不同晶面上对应晶面间的夹角不变。

（4）晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体，成为生长锥或砂钟状构造（图8-4，图8-5）在薄片中常常能看到。

然而晶体生长的实际情况要比简单层生长模型复杂得多，往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。同时亦不一定是一层一层的顺序堆积，而是一层尚未长完，又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果，使晶面表面不平坦，成为阶梯状，称为晶面阶梯。

层生长模型虽然有其正确的方面，在实际晶体生长过程中并非完全按照二维层生长的机制进行。因为当晶体的一层面网生长完成之后，再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难，其原因是已生长好的面网对溶液中质点的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。因此，在过饱和度或过冷却度较低的情况下，晶体生长就需要用其他的生长机制加以解释。

二、螺旋生长理论

弗朗克（Frank）等人（1949、1951）研究了气相中晶体生长的情况，估计二维层生长所需的过饱和度不小于25%~50%。然而自实际中却发现在过饱和度小于1%的气相中晶体也能生长。这种现象并不是层生长模型所能解释的。他们根据实际晶体结构的各种缺陷中最常见的位错现象，提出了晶体的螺旋生长模型（BFC模型，由Burton、Cabrera、Frank3人提出），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（图8-6）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。

位错的出现，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。

三、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。

这证明初始碳源充足环境合适时，质点依据多分子层粘附，阶梯状生长，饱和度越高，分子层越厚，宝石长得越大，当饱和度降低时，生长逐渐缓慢至停止。

用钻石来解释布拉维法则

布拉维法则：实际晶体的晶面常常平行于那些面网密度大的面网，晶体在垂直面网方向上的生长速度与面网上节点密度成反比。

钻石是立方面心格子

从面网密度看(见图1—1和图1—2)有1、2、3三个位置,面网密度是AB>CD>BC。在晶体生长时,如果其它条件保持不变,则各晶面间相对的生长速度与他们本身的面网密度大小成反比。也就是说面网密度越大的,其生长速度越慢,而面网密度越小的,其生长速度就越快。从图1~2可以看出BC面网密度最小,所以生长速度就最快,最后被淹没掉了。在金刚石中为什么(110)的菱形十二面体很难见到呢?原因就在于它的面网密度最小;其生长速度快,所以最先被淹没了,就很难见到。

我们可从下面的图2看(100)、(111)和(110)的晶面指数和晶面间距:

图中明显看出面网指数(110)>(111)>(100),而以(110)最先尖灭,而(111)次之,(100)最难。从立方体和八面体上去找其三个面网指数,见图3和图4,在立方体上都可找到(100)、(111)和(110),而八面体上只可找到(100)和(111),而(110)那里去了呢?大多数已经尖灭。

从图形中不难看出晶面为什么有的发育,有的尖灭,这完全符合布拉维法则,只有正确运用它,才可获得我们所需要的各种晶体的特定形状。

当然晶体在生长时也有不被淹没,而同时长大的,如图(5一a)由于受晶面夹角的影响, CD被淹没了,最后由AB、BD、DE晶面在发育,而图(5—b)则因晶面夹角比较符合均匀生长,所以AB、BC、CD、DE均能同时发育而不被淹没。淹没不淹没受周围环境影响是相当大的,如温度、压力、碳离子组份浓度、杂质等等。