晶体生长理论
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• 气—固结晶作用━由气相物质直接结晶成晶体，即升华
• 液—固结晶作用━由液相物质结晶成晶体 • 固—固结晶作用━由一种固相物质转变为另一种固相物
质，如同质多相转变、再结晶作用等
晶体生长理论
气—固结晶作用
• 必要条件
– 足够低的蒸汽压
• 在人工宝石领域中的应用
– 单晶体：碳化硅（－碳硅石）、蓝宝石 – 多晶体：金刚石薄膜
Tm——晶体成长的线速度最大时的温度
Tm 、V 和 J 三者之间有以下三种典型关系：
晶体生长理论
熔体中晶核形成和晶体成长的关系
V
J
J
V
V J
J V
V J
J
V
T° Tm A
不自发晶出
T° Tm
B
晶出，但慢且少
晶体生长理论
T°
Tm
C
较快晶出
熔体的非均一性成核
• 体系中存在某种不均匀性，能有效地降低表面 能成核时的位垒，优先在具有不均匀性的地方 形成晶核。因此在过冷度很小时亦能局部成核
第二章
晶体生长理论
晶体生长理论
本章要点
• 复习巩固晶体和非晶体的基本概念 • 扩展晶体的形成过程及影响晶体生长的因素 • 认识晶体缺陷的种类及其产生机理
晶体生长理论
§1 晶体与非晶体
晶体：具格子构造 固体
非晶体：非格子构造，冷却了的液体
水晶、食盐、沥青、金红石、人造钛酸锶、树 脂、红宝石、玻璃…….
• 退玻璃化作用（晶化作用—马来玉、金星石）
晶体生长理论
§3 晶核的形成
• 晶体从液相中生长有三个阶段：
① 介质达到过饱和、过冷却阶段； ② 成核阶段； ③ 生长阶段。
• 人工宝石晶体大多数是从液相中生长出来的。
着重介绍在液体中，特别是在熔体中发生结晶作用时， 晶核形成所遵循的基本规律。
晶体生长理论
C （石墨） C（金刚石）
细小的晶粒在一定温度和压力下，晶体结构中质点重新排列而使晶体长大
天然大理岩的形成、陶瓷材料和耐火材料的烧结以及金刚石的人工合成
• 固溶体脱溶作用
温度降低到一定限度时，固溶体的两种组分将互相分离结晶成单独的晶体
助熔剂结晶作用（烧结＋反应）
• 重结晶过程（固－液－固结晶过程）
晶体生长理论
晶体与非晶体的区别
• 内部结构不同
“近程及远程均有序”/“近程有序但远程无序”
• 外部形状不同
自发形成封闭的多面体几何外形/ 人为地制成各种形状
• 均一性不同
“结晶均一性”各向异性/ “统计均一性”等向性
• 热稳定性不同
最小内能，熔点一定/内能较大，无一定熔点
• 分布范围不同
十分广泛，种类繁多/有限，品种较少
固体或固态物质被周围液体溶蚀或被高温熔体熔蚀后，立即与溶液或熔 体中部分物质发生化学反应而结晶出新的矿物晶体：霞石和白榴石
晶体生长理论
固—固结晶作用
• 同质多象（同质异构、同质异型）转变
化学组成相同而内部构造不同的晶体为同质多象变体—多型变体。
－Al2O3 － Al2O3 （蓝宝石）
• 再结晶作用
化学沉淀法
晶体生长理论
液—固结晶作用
板钛矿
• 从溶液中结晶
– 降低饱和溶液温度：明矾 KAl3（SO4）2(OH)6 – 蒸发饱和溶液：食盐 – 化学反应法：水热法合成水晶、祖母绿。。。
• 从熔体中结晶
过冷却（T<熔点）：助熔剂法合成红宝石、蓝宝石；熔壳法CZ、 熔体法合成YAG、GGG。。。
• 溶（熔）蚀反应结晶
• 难熔的杂质
在熔体内 异性
• 熔体的局部组成不均匀 出现相界面 衬底成核
• 例如悬浮的杂质微粒、容器壁上凹凸不平等
• 引入晶核剂制作微晶玻璃便是根据此原理进行生产的
晶体生长理论
临界晶核
熔体中单独存在并能继续发育成晶体的最小晶 核颗粒
• 晶核尺寸>临界晶核 • 晶核尺寸<临界晶核
晶核 晶核
晶体（自动） 熔化（自动）
临界晶核
（10—100nm）
结晶物质 过冷度 （反比）
晶体生长理论
§4 晶体的成长
• 过冷却的熔体中，当超过临界晶核尺寸的晶核形成以 后，在适合晶体成长的条件下，晶核就可逐渐长大而 成为具有一定几何形态的晶体。
• 不同学者根据不同的事实提出了不同的晶体生长理论 •
① 科塞尔(W·Kossel)－斯特兰斯基(T.N.Stranski)晶体成长理论 ② 安舍列斯(O．M．Ahgenec)晶体阶梯状生长理论 ③ 晶面螺旋状生长理论(BCF理论) • 布拉维法则 • 晶体生长速度
长第二层面网
晶体生长理论
晶体生长的科塞尔理论图解 山东蓝宝石晶体的环带状构造
3 2
1
晶体生长理论
安舍列斯(O．M．Ahgenec)晶体阶梯状生长理 论
许多晶体的晶面上具有阶梯状条纹——一次粘附在晶面上的 不是一个分子层，而是几万个甚至几十万个分子层。
晶体成长的过程如下：
晶面边缘长出一个由许多分子层构成的突起边缘 长成一层晶体 边缘突起 长一层晶体 新的突起边缘。。。
成核作用
形成大小达到临界值以上微晶粒子的作用 晶核——这些微晶粒子，是晶体成长的中心。
• 在过冷却熔体中晶核形成的理想过程：
两个或两个以上的质点 → 线晶 → 面晶 → 晶芽 条件允许：晶芽 → 晶核→ 晶体
不稳定（内能较大）熔体中：晶芽 晶核（分散而消失）
稳定（过冷却）熔体中： 晶芽 → 晶核
熔体中晶核的形成有均一性成核和非均一性成核两类
晶体生长理论
熔体的均一性成核
• 均一性成核（过冷成核）
过冷却、自发形成晶核的作用 晶核在熔体内各处的成核机率相同，需要克服相当大的表
面能位垒，即需要相当大的过冷度才能成核
T0 ——晶体的熔点(也是晶体的结晶温度) T ——熔体的过冷却温度 ΔT=T0-T 则为熔体的过冷度 J ——熔体中晶核的形成速度 V ——晶体成长的线速度
• 转化能力不同
玻璃化作用较困难/自发地产生脱玻化（晶化）作用
晶体生长理论
石英SiO2晶体与石英玻璃的结构示意图
近程及远程均有序
(a)
晶体生长理论
近程有序但远程无序
(b)
晶体的加热曲线 非晶体的加热曲线
温度 温度
熔点
时间
晶体生长理论
时间
§2 晶体的形成方式
• 自然界中物态：气态、液态、固态
• 结晶作用的基本方式：
晶体生长理论
科塞尔(W·Kossel)－斯特兰斯基(T.N.Stranski) 晶体成长理论
晶体的成长——结晶物质的质点向晶核上粘附，即质点按晶体 格子构造规律排列在晶体上。
晶体总是趋向于具有最小的内能，质点首先粘附在引力最大、可释 放能量最大的最稳定的部位，晶体成长的过程如下：
长一条行列
长相邻行列 长满一层面网 晶面逐层向外平行推移
• 液—固结晶作用━由液相物质结晶成晶体 • 固—固结晶作用━由一种固相物质转变为另一种固相物
质，如同质多相转变、再结晶作用等
晶体生长理论
气—固结晶作用
• 必要条件
– 足够低的蒸汽压
• 在人工宝石领域中的应用
– 单晶体：碳化硅（－碳硅石）、蓝宝石 – 多晶体：金刚石薄膜
Tm——晶体成长的线速度最大时的温度
Tm 、V 和 J 三者之间有以下三种典型关系：
晶体生长理论
熔体中晶核形成和晶体成长的关系
V
J
J
V
V J
J V
V J
J
V
T° Tm A
不自发晶出
T° Tm
B
晶出，但慢且少
晶体生长理论
T°
Tm
C
较快晶出
熔体的非均一性成核
• 体系中存在某种不均匀性，能有效地降低表面 能成核时的位垒，优先在具有不均匀性的地方 形成晶核。因此在过冷度很小时亦能局部成核
第二章
晶体生长理论
晶体生长理论
本章要点
• 复习巩固晶体和非晶体的基本概念 • 扩展晶体的形成过程及影响晶体生长的因素 • 认识晶体缺陷的种类及其产生机理
晶体生长理论
§1 晶体与非晶体
晶体：具格子构造 固体
非晶体：非格子构造，冷却了的液体
水晶、食盐、沥青、金红石、人造钛酸锶、树 脂、红宝石、玻璃…….
• 退玻璃化作用（晶化作用—马来玉、金星石）
晶体生长理论
§3 晶核的形成
• 晶体从液相中生长有三个阶段：
① 介质达到过饱和、过冷却阶段； ② 成核阶段； ③ 生长阶段。
• 人工宝石晶体大多数是从液相中生长出来的。
着重介绍在液体中，特别是在熔体中发生结晶作用时， 晶核形成所遵循的基本规律。
晶体生长理论
C （石墨） C（金刚石）
细小的晶粒在一定温度和压力下，晶体结构中质点重新排列而使晶体长大
天然大理岩的形成、陶瓷材料和耐火材料的烧结以及金刚石的人工合成
• 固溶体脱溶作用
温度降低到一定限度时，固溶体的两种组分将互相分离结晶成单独的晶体
助熔剂结晶作用（烧结＋反应）
• 重结晶过程（固－液－固结晶过程）
晶体生长理论
晶体与非晶体的区别
• 内部结构不同
“近程及远程均有序”/“近程有序但远程无序”
• 外部形状不同
自发形成封闭的多面体几何外形/ 人为地制成各种形状
• 均一性不同
“结晶均一性”各向异性/ “统计均一性”等向性
• 热稳定性不同
最小内能，熔点一定/内能较大，无一定熔点
• 分布范围不同
十分广泛，种类繁多/有限，品种较少
固体或固态物质被周围液体溶蚀或被高温熔体熔蚀后，立即与溶液或熔 体中部分物质发生化学反应而结晶出新的矿物晶体：霞石和白榴石
晶体生长理论
固—固结晶作用
• 同质多象（同质异构、同质异型）转变
化学组成相同而内部构造不同的晶体为同质多象变体—多型变体。
－Al2O3 － Al2O3 （蓝宝石）
• 再结晶作用
化学沉淀法
晶体生长理论
液—固结晶作用
板钛矿
• 从溶液中结晶
– 降低饱和溶液温度：明矾 KAl3（SO4）2(OH)6 – 蒸发饱和溶液：食盐 – 化学反应法：水热法合成水晶、祖母绿。。。
• 从熔体中结晶
过冷却（T<熔点）：助熔剂法合成红宝石、蓝宝石；熔壳法CZ、 熔体法合成YAG、GGG。。。
• 溶（熔）蚀反应结晶
• 难熔的杂质
在熔体内 异性
• 熔体的局部组成不均匀 出现相界面 衬底成核
• 例如悬浮的杂质微粒、容器壁上凹凸不平等
• 引入晶核剂制作微晶玻璃便是根据此原理进行生产的
晶体生长理论
临界晶核
熔体中单独存在并能继续发育成晶体的最小晶 核颗粒
• 晶核尺寸>临界晶核 • 晶核尺寸<临界晶核
晶核 晶核
晶体（自动） 熔化（自动）
临界晶核
（10—100nm）
结晶物质 过冷度 （反比）
晶体生长理论
§4 晶体的成长
• 过冷却的熔体中，当超过临界晶核尺寸的晶核形成以 后，在适合晶体成长的条件下，晶核就可逐渐长大而 成为具有一定几何形态的晶体。
• 不同学者根据不同的事实提出了不同的晶体生长理论 •
① 科塞尔(W·Kossel)－斯特兰斯基(T.N.Stranski)晶体成长理论 ② 安舍列斯(O．M．Ahgenec)晶体阶梯状生长理论 ③ 晶面螺旋状生长理论(BCF理论) • 布拉维法则 • 晶体生长速度
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晶体生长理论
晶体生长的科塞尔理论图解 山东蓝宝石晶体的环带状构造
3 2
1
晶体生长理论
安舍列斯(O．M．Ahgenec)晶体阶梯状生长理 论
许多晶体的晶面上具有阶梯状条纹——一次粘附在晶面上的 不是一个分子层，而是几万个甚至几十万个分子层。
晶体成长的过程如下：
晶面边缘长出一个由许多分子层构成的突起边缘 长成一层晶体 边缘突起 长一层晶体 新的突起边缘。。。
成核作用
形成大小达到临界值以上微晶粒子的作用 晶核——这些微晶粒子，是晶体成长的中心。
• 在过冷却熔体中晶核形成的理想过程：
两个或两个以上的质点 → 线晶 → 面晶 → 晶芽 条件允许：晶芽 → 晶核→ 晶体
不稳定（内能较大）熔体中：晶芽 晶核（分散而消失）
稳定（过冷却）熔体中： 晶芽 → 晶核
熔体中晶核的形成有均一性成核和非均一性成核两类
晶体生长理论
熔体的均一性成核
• 均一性成核（过冷成核）
过冷却、自发形成晶核的作用 晶核在熔体内各处的成核机率相同，需要克服相当大的表
面能位垒，即需要相当大的过冷度才能成核
T0 ——晶体的熔点(也是晶体的结晶温度) T ——熔体的过冷却温度 ΔT=T0-T 则为熔体的过冷度 J ——熔体中晶核的形成速度 V ——晶体成长的线速度
• 转化能力不同
玻璃化作用较困难/自发地产生脱玻化（晶化）作用
晶体生长理论
石英SiO2晶体与石英玻璃的结构示意图
近程及远程均有序
(a)
晶体生长理论
近程有序但远程无序
(b)
晶体的加热曲线 非晶体的加热曲线
温度 温度
熔点
时间
晶体生长理论
时间
§2 晶体的形成方式
• 自然界中物态：气态、液态、固态
• 结晶作用的基本方式：
晶体生长理论
科塞尔(W·Kossel)－斯特兰斯基(T.N.Stranski) 晶体成长理论
晶体的成长——结晶物质的质点向晶核上粘附，即质点按晶体 格子构造规律排列在晶体上。
晶体总是趋向于具有最小的内能，质点首先粘附在引力最大、可释 放能量最大的最稳定的部位，晶体成长的过程如下：
长一条行列
长相邻行列 长满一层面网 晶面逐层向外平行推移