14.晶体生长的界面形态

四，晶体生长的界面形状

晶体的形态问题是一个十分复杂而未能彻底解决的问题

自然界中存在的各式各样美丽的雪晶就体现了形态的复杂性

影响晶体形态的因素：

晶体的形态不仅与其生长机制有关，螺型位错在界面的露头处所形成的生长蜷线令人信服地证明了这一点，而且还与界面的微观结构、界面前沿的温度分布及生长动力学等很多因素有关。

鉴于问题的复杂性

鉴于问题的复杂性，下面仅就界面的微观结构和界面前沿温度分布的几种典型情况叙述力如下：

()一在正的温度梯度下生长时界面形态：

结晶潜热散失：

在这种条件下，结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失，

相界面推移速度：

相界面向液相中的推移速度受其散热速率的控制。

根据界面微观结构的不同晶体形态有两种类型：

规则的几何外形和平面长大方式

()A正温度梯度光滑界面的情况

正温度梯度下的光滑界面：

对于具有光滑界面的晶体来说，其显微界面为某一品体学小平面，它们与散热方

T等温面呈一定角度，但从宏观来看，仍为平向成不同的角度分布着，与熔点

m

行于Tm等温面的平直面，如图2.25 a所示。

这种情况有利于形成具有规则形状的晶体，现以简单立方晶体为例进行说明 晶面不同原子密度不同表面能不同长大速度不同：

在讨论形核问题时曾经假定，形成一个球形晶核时，其界面上各处的表面能相同。但实际上晶体的界面是由许多晶体学小平面所组成，晶面不同，则原子密度不同，从而导致其具有不同的表面能。热力学的研究结果表明，原子密度大的晶面长大速度较小；原子密度小的晶面长大速度较大。

但是长大速度大的晶面易于被长大速度小的晶面所制约，这个关系可示意的用图

2.26来说明

图中实线八角形代表晶体从1τ开始生长，一次经历432τττ等不同时间时的截面，箭头表示长大速度。由图可以看，简单立方晶体的{001}晶面为密排面，{110}为非密排面，因此[]101方向长大速度大, []100、[]001等方向的生长速度小，非密排面将逐渐缩小而消失，最后晶体的界面将完全变为密排品面，显然这是一个必然的结果

所以以光滑界面结晶的晶体

如Al Si ,及合金中的某些金属化合物，若无其它因素干扰，大多可以成长为以密排晶面为表面的晶体，具有规则的几何外形

()B 正温度梯度光滑界面的情况

粗糙界面和熔点等温面的关系：

具有粗糙界面结构的晶体，在正的温度梯度下成长吋，其界面为平行于熔点m T 等温面的平直界面，它与散热方向垂直，如图2.25 b 所示

正温度梯度粗糙界面平面长大方式：

一般说来,这种晶体成长时所需的过冷度很小，界面温度差不多与熔点

T相重合，

m

所以晶体在成长时界面只能随着液体的冷却而均匀一致地向液相推移，如果一旦局部偶有突出，那么它便进入低于临界过冷度甚至熔点

T以上的温度区域，成

m

长立刻减慢下来，甚至被熔化掉，所以固液界面始终可以近似地保持平面。这种长大方式称为平面长大方式。

()二在负的温度梯度下生长的界面形态

()A负温度梯度粗糙界面

具有粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长时很快长成一个细长的晶体

1.具有粗糙界面的晶体在负的温度梯度下生长时，由于界面前沿的液体中的过

冷度较大，如果界面的某一局部发展较快而偶有突出，则它将伸入到过冷度更大的液体中，从而更加有利于此突出尖端向液体中的成长。

2.虽然此突出尖端在横向也将生长，但结晶潜热的散失提高了该尖端周围液体

的温度，而在尖端的前方，潜热的散失要容易的多，因而其横向长大速度远比朝前方的长大速度为小，故此突出尖端很快长成一个细长的晶体，称为主干

一次晶轴和二次晶轴：

1.假如刚开始形成的晶核为多面体晶体，那么这些光滑的小平面界面在负的温

度梯度下也是不稳定的，在多面体晶体的尖端或棱角处，很快长出细长的主干。

2.这些主干即为一次品轴或一次品枝。

3.在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳定的，主干上同样

会出现很多凸出尖端，它们长大成为新的品枝，称为二次晶轴或二次品枝

一次晶轴和二次晶轴的角度：

对一定的晶体来说，二次晶轴与一次晶轴具有确定的角度，如在立方品系中，二者是相互垂直的。

三次晶枝及树枝晶：

二次晶枝发展到一定程度，又在它上面长出三次品枝，如此不断地枝上生枝，同时各次枝又在不断的伸长和壮大，由此而形成如树枝状的骨架，故称为树枝晶,简称枝品

每一个枝晶长成为一个晶粒

最后晶体的形态

1.当所有的枝晶都严密合缝地对接起来，并且液相也消失时，就分不出树枝状

了，只能看到各个晶粒的边界，如图2.28b

2.如果金属不纯，则在枝与枝之间最后凝固的地方留存杂质，其树状轮廓仍然

可见

3.如若在结晶过程中间，在形成了一部分金属晶体之后，立即把其余的液态金

属抽掉，这时就会看到，正在长大着的金属晶体确实呈树枝状。

4.有时在金属锭的表面最后结晶终了时，由于晶枝之间缺乏液态金属去填充，

结果就留下了树枝状的花纹。

图2.29为在钢锭中所观察到的树枝晶

不同结构的晶体其晶轴的位向可能不同如表2-2所示

面心立方品格和体心立方晶格的金属，其树枝晶的各次品轴均沿<100>的方向长大，各次晶轴之间相互垂直。其它不是立方晶系的金属，各次晶轴彼此可能并不垂直。

长大条件不同则树枝晶的晶轴在各个方向上的发展程度也会不同

1.如果枝晶在三维空间得以均衡发展，各方向上的一次轴近似相等，这时所形

成的晶粒叫做等轴晶粒。

2.如果枝晶某一个方向上的一次轴长的很长，而在其它方向长大时受到阻碍，

这样形成的细长晶粒叫柱状晶粒。

()B负的温度梯度下光滑界面

具有光滑界面的物质在负的温度梯度下长大时

1.如果杰克逊因子α值不太大，仍有可能长成树枝状晶体，但往往带有小平面

的特征，例如锑出现带有小平面的树枝状晶体即为此例

2.但是负的温度梯度较小时，仍有可能长成规则的几何外形。

3.对于α值很大的晶体来说，即使在较大的负温度梯度下，仍有可能形成规则

形状的品体

()B负的温度梯度下光滑界面

1.杰克逊因子α值不太大，负温度梯度较大，树枝状晶体带有小平面特征

2.杰克逊因子α值不太大，负温度梯度较小，规则的几何外形

3.杰克逊因子α值很大，即使负温度梯度较大，规则的几何外形