实验二 螺旋位错生长过程观察

实验二螺旋位错生长过程观察

一、实验目的

1. 了解水溶液中的溶解度与结晶原理；

2. 认识枝晶生长的基本过程；

3. 观察晶体生长的螺旋位错，计算台阶横向生长速率及其与驱动力的关系。

4. 观察手性晶体。

二、实验设备及材料

1、带CCD的显微镜；

2、载玻片；

3、盖玻片；

4、偏光片；

5、加热装置；

6、碘化镉；

7、氯酸钠；

8、有机晶体（Phenyl salicylate,对羟基苯甲酸苯酯，

HOC6H4COOC6H5，熔点：42-44o C）；9、去离子水；10、药勺；11、烧杯；12、玻璃棒；13、滴管；14、培养皿；15、量筒；16、投影仪。

三、实验原理

（1）溶解度

一定的温度下，在一定量的水中，所能溶解的溶质量是有限的，常用溶解度来表示。溶解度指的是，在一定温度下，某固态物质在100g水中达到饱和状态时所溶解的质量。图一和图二分别是碘化镉和氯酸钠的溶解度曲线（数据见表一和表二）。大多数固体物质的溶解度随温度的升高而增大。因此利用较高温度配置溶液达到饱和后，再降低温度，水溶液在高温中溶解度较高，一旦降温后，溶解度也降低，但溶质的量不减，因此，水溶液的浓度大于最大溶解度，此时的溶液成为“过饱和溶液”。过饱和溶液是一种不稳定状态，过量的溶质会结晶析出而成为饱和溶液。常利用此种方法进行结晶提纯。另外随着溶剂水分的蒸发，饱和溶液浓度逐渐变浓而达到饱和，继而也会开始结晶。降温和溶剂蒸发是晶体结晶的两种最主要的方式。

图一碘化镉的溶解度曲线

图二氯酸钠的溶解度曲线

（2）晶体生长过程

图三晶体的生长机制与驱动力的关系

一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：1、介质达到过饱和、过冷却阶段；2、成核阶段；3、生长阶段。晶体的外形以及表面形态与晶体生长过程中的驱动力有关，当驱动力很小时，晶体的生长模式为缺陷生长，形成多面体外形，表面呈现以生长源为中心的凸起；当驱动力增加到一定的程度，可以克服表面势垒时，就会出现形核生长，此时生成的晶体也大多成多面体，但表面往往出现中间凹陷的特征；进一步增大驱动力，晶体会从平滑的横向生长模式向垂直生长模式转化，因此晶体呈现枝晶等形状（见图三）。

在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。成核速度还与介质的粘度有关，粘度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。晶核形成后，将进一步成长，其生长速度与驱动力直接相关。

（3）枝晶的生长过程

熔点较低的室温下为固体的有机晶体加热到熔点以上时，则会熔融成液体。在载玻片上放上少量的有机晶体，将其放在加热套上加热，使有机晶体熔融，盖上盖玻片，在盖玻片的边缘放上一点有机晶体粉末，将其放在显微镜下观察。随

着温度的降低，有机晶体很快就开始异质结晶。我们可观察到其结晶过程大致是：晶体首先开始于放有有机晶体粉末的边缘，因该处有异质核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶，接着形成较粗大的柱状晶。位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。然后形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙。这是因液滴已越来越薄，晶核亦易形成，然而由于已无充足的熔体补充，结晶出的晶体填不满枝晶间的空隙，从而能观察到明显的枝晶。

（4）螺旋生长理论

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，提出了晶体螺旋生长模型，即在晶体生长界面上，螺旋位错露头点所出现的凹角及其衍射所形成的二面凹角（图四）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Verma1951年对SIC晶体表面的生长螺旋纹（图五）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。

图四晶体的位错图五SiC晶体表面的生长螺旋

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。螺旋式的台阶并不随着原子面网一层层生长而消失，从而使螺旋式生长持续下去。螺旋状生长与层状生长不同的是

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（图六）。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各样的螺旋纹。

图六螺旋生长理论模型

在螺旋生长中，晶体中的螺旋位错露头点是晶体生长的台阶源。上面所示为螺旋生长的模拟，从中可以看到，随着晶体的不断生长，不断出现螺旋位错露头点，螺旋位错会不停地前进。

如图六（d）所示，a表示台阶的高度，λ表示台阶宽度，v表示台阶横向扩展速率，R sp表示晶体纵向生长速率。由于实验条件的限制，本实验要测的是台阶横向扩展速率v。用带有CCD的显微镜，拍摄速率采用1张/5s，录下螺旋状生长的碘化镉晶体的生长过程。在录下晶体生长的照片中，选取某一固定点，对比不同时间拍摄的照片，量取此点的横向生长距离，除上照片的放大倍数和时间，即可得到台阶的横向扩展速率。随着生长的继续，溶液中的溶质减少，溶剂不变，因此溶液过饱和度下降，生长的驱动力下降，此时台阶横向扩展速率也将减少。

因此，可以测不同时间的台阶横向扩展速率，感受驱动力对台阶横向扩展速率的影响。

由于实际晶体中经常存在着螺旋位错，使得晶格中出现凹角，从而质点优先在凹角处堆积。螺旋位错的晶格中台阶源永远不会因晶体的生长而消失，于是，在质点堆积过程中，随着晶体的生长，位错线不断螺旋上升，形成生长螺纹。有着很多螺旋位错生长的晶体，比如下面所示的碳化硅晶体和针状莫来石晶体，都可以看见螺位错生长的痕迹。

图七碳化硅晶体的螺位错生长图八针状莫来石晶体的螺位错生长（5）晶体的手性

什么是“手性”？这种情形像是镜子里和镜子外的物体那样，看上去互为对应。由于是三维结构，它们不管怎样旋转都不会重合，如果你注意观察过你的手，你会发现你的左手和右手看起来似乎一模一样，但无论你怎样放，它们在空间上却无法完全重合。如果你把你的左手放在镜子前面，你会发现你的右手才真正与你的左手在镜中的像是完全一样的，你的右手与左手在镜中的像可以完全重叠在一起。实际上，你的右手正是你的左手在镜中的像，反之亦然。在化学中，这种现象被称之为“手性”。几乎所有的生物大分子都是手性的。两种在分子结构上呈手性的物质，它们的化学性质完全相同，唯一的区别就是：在微观上它们的分子结构呈手性，在宏观上它们的结晶体也呈手性。

作为生命的基本结构单元，氨基酸也有手性之分。也就是说，生命最基本的东西也有左右之分。组成地球生命体的几乎都是左旋氨基酸，而没有右旋氨基酸。研究已经发现的氨基酸有20多个种类，除了最简单的甘氨酸以外，其它氨基酸