第十二節(jié)晶體生長(zhǎng)方式

1、4-3 晶體生長(zhǎng)方式晶體生長(zhǎng)方式4-3-1 垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng)4-3-2 側(cè)向生長(zhǎng)側(cè)向生長(zhǎng)4-3-3 非完整界面的生長(zhǎng)非完整界面的生長(zhǎng)4-3-4 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與晶體形態(tài)與晶體形態(tài)生長(zhǎng)方式和速度？生長(zhǎng)方式和速度？u晶體的生長(zhǎng)晶體的生長(zhǎng)方式方式 液液相中原子向某個(gè)晶粒表面的相中原子向某個(gè)晶粒表面的堆砌堆砌方式。方式。 根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的不同，晶體可采取根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的不同，晶體可采取連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng)，側(cè)側(cè)向生長(zhǎng)向生長(zhǎng)和和從缺陷生長(zhǎng)從缺陷生長(zhǎng)等方式等方式; ;u晶體生長(zhǎng)的晶體生長(zhǎng)的速度速度 固液界面的推進(jìn)速度固液界面的推進(jìn)速度4-3-14-3-1粗糙界面的生長(zhǎng)粗糙界面的生長(zhǎng)存在于存在于幾個(gè)幾個(gè) 原子

2、層原子層內(nèi)內(nèi)空位空位作為液相中原子堆砌的作為液相中原子堆砌的臺(tái)階臺(tái)階晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中界晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中界面上的臺(tái)階始終存在面上的臺(tái)階始終存在（保持粗糙界面）保持粗糙界面）因此因此，液體中的原子可以在整個(gè)界面上，液體中的原子可以在整個(gè)界面上連續(xù)沉積連續(xù)沉積，促使，促使界面便界面便連續(xù)、均連續(xù)、均勻地垂直生長(zhǎng)勻地垂直生長(zhǎng)。4-3-14-3-1粗糙界面的生長(zhǎng)粗糙界面的生長(zhǎng)沉積到界面上的沉積到界面上的原子原子 受到受到前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用較大前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用較大，結(jié)合牢固、，結(jié)合牢固、不易反彈或脫落不易反彈或脫落。連續(xù)生長(zhǎng)連續(xù)生長(zhǎng)、垂直生長(zhǎng)垂直生長(zhǎng)或或正常生長(zhǎng)正常生長(zhǎng) 生長(zhǎng)過(guò)程：生長(zhǎng)過(guò)程：

3、 隨風(fēng)潛入夜、潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲隨風(fēng)潛入夜、潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲生長(zhǎng)方式：生長(zhǎng)方式： 雨打沙灘雨打沙灘生長(zhǎng)形態(tài)：生長(zhǎng)形態(tài)： 沙沙 堆堆原子尺度光滑界面其原子尺度光滑界面其單個(gè)原子單個(gè)原子與與晶面晶面的的結(jié)合較弱結(jié)合較弱，容易脫離界面，容易脫離界面，液，液相中的原子要在完整晶面上相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困難直接堆砌很困難。由于。由于缺少現(xiàn)缺少現(xiàn)成的臺(tái)階作為接納新原子的角落，堆砌上去的原子也很不穩(wěn)定，成的臺(tái)階作為接納新原子的角落，堆砌上去的原子也很不穩(wěn)定，極易脫落或極易脫落或彈回。彈回。因此因此不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)生長(zhǎng)機(jī)不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)制進(jìn)行生長(zhǎng)。 4-3-24-3

4、-2光滑界面的生長(zhǎng)光滑界面的生長(zhǎng) 界面的推移具有界面的推移具有不連續(xù)性不連續(xù)性，并且有，并且有橫向生長(zhǎng)橫向生長(zhǎng)的特點(diǎn)的特點(diǎn)。側(cè)向生長(zhǎng)側(cè)向生長(zhǎng)、沿面生長(zhǎng)或?qū)訝钌L(zhǎng)、沿面生長(zhǎng)或?qū)訝钌L(zhǎng)。 能量起伏能量起伏首先首先在界面上形成單原子厚度的在界面上形成單原子厚度的二維二維晶核晶核然后然后利用其周圍臺(tái)階沿著界面利用其周圍臺(tái)階沿著界面橫向擴(kuò)展橫向擴(kuò)展，直到長(zhǎng)滿，直到長(zhǎng)滿一層后，界面就向液相前進(jìn)了一個(gè)晶面間距。一層后，界面就向液相前進(jìn)了一個(gè)晶面間距。 這時(shí)，又必須利用二維形核產(chǎn)生這時(shí)，又必須利用二維形核產(chǎn)生新臺(tái)階新臺(tái)階，才能開(kāi)始新一層的生長(zhǎng)，才能開(kāi)始新一層的生長(zhǎng)，周而復(fù)始地進(jìn)行。周而復(fù)始地進(jìn)行。 粗糙粗糙界

5、面的連續(xù)長(zhǎng)大速度界面的連續(xù)長(zhǎng)大速度為（為（TurnbullTurnbull） 式中式中1 1是連續(xù)長(zhǎng)大系數(shù)是連續(xù)長(zhǎng)大系數(shù)。KKmmLTTaKTHDR12 一般一般1 1 1 1100cm/(100cm/(s sK K) )，因此在很小的過(guò)冷度下就可以獲得，因此在很小的過(guò)冷度下就可以獲得極極高的生長(zhǎng)速度高的生長(zhǎng)速度。 實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)速度約為實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)速度約為1010-2-2cm/scm/s，由此推算出的，由此推算出的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度T TK K1010-2-21010-4-4 K K，小到無(wú)法測(cè)量的程度。，小到無(wú)法測(cè)量的程度。 動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度是晶體生長(zhǎng)的必要條件動(dòng)力

6、學(xué)過(guò)冷度是晶體生長(zhǎng)的必要條件近期研究：近期研究：其它過(guò)冷度大于其它過(guò)冷度大于 TkTk時(shí)，用實(shí)際過(guò)冷度代替時(shí)，用實(shí)際過(guò)冷度代替生長(zhǎng)過(guò)程：生長(zhǎng)過(guò)程：大珠小珠落玉盤(pán)大珠小珠落玉盤(pán)生長(zhǎng)方式：生長(zhǎng)方式： 突擊隊(duì)員突擊隊(duì)員生長(zhǎng)形態(tài)：生長(zhǎng)形態(tài)： 樓樓 梯梯 層生長(zhǎng)理論層生長(zhǎng)理論 （Kossel 1927）晶體在理想情況下生長(zhǎng)時(shí)，先長(zhǎng)一條行列，然后長(zhǎng)相鄰的行列；在長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)后，再開(kāi)始長(zhǎng)第二層面網(wǎng)；晶面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生長(zhǎng)的。二維形核特點(diǎn)二維形核特點(diǎn)u二維形核的二維形核的熱力學(xué)熱力學(xué)能障較高；能障較高；u由于界面的突變性質(zhì)，其由于界面的突變性質(zhì)，其動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)能障比較大，能障比較大，生長(zhǎng)比較

7、困難。生長(zhǎng)比較困難。u因此過(guò)程需要因此過(guò)程需要較大的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷較大的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷來(lái)驅(qū)動(dòng)，生長(zhǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，生長(zhǎng)速度速度也比連續(xù)生也比連續(xù)生長(zhǎng)長(zhǎng)低低。u定量：界面生長(zhǎng)速度定量：界面生長(zhǎng)速度R與與動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度TK的關(guān)系？的關(guān)系？KTbeR2 其中其中 2，b 為動(dòng)力學(xué)常數(shù)；為動(dòng)力學(xué)常數(shù)； TK 動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度。動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度。 當(dāng)當(dāng)TK低于某臨界值時(shí)，低于某臨界值時(shí)，R幾乎為零；幾乎為零； 一旦超過(guò)該值，一旦超過(guò)該值，R急劇地大。急劇地大。 此臨界值約為此臨界值約為12 K，比連續(xù)生長(zhǎng)所需的過(guò)冷度約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。，比連續(xù)生長(zhǎng)所需的過(guò)冷度約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 由于二維晶核各生長(zhǎng)表面在長(zhǎng)大過(guò)程中始終保持由

8、于二維晶核各生長(zhǎng)表面在長(zhǎng)大過(guò)程中始終保持平整，最后形成的晶體是平整，最后形成的晶體是以許多小平面為生長(zhǎng)表以許多小平面為生長(zhǎng)表面的面的多面體多面體。 粗糙的外表面粗糙的外表面 這種這種晶體棱角分明晶體棱角分明,稱為多面體晶體，其生長(zhǎng)方式稱為多面體晶體，其生長(zhǎng)方式稱為稱為小平面生長(zhǎng)小平面生長(zhǎng)。 以以粗糙界面粗糙界面長(zhǎng)大形成表面光滑的晶體則稱為長(zhǎng)大形成表面光滑的晶體則稱為非多非多面體晶體。面體晶體。 4-3-3 4-3-3 非完整界面的生長(zhǎng)非完整界面的生長(zhǎng) 從缺陷處生長(zhǎng)從缺陷處生長(zhǎng)利用晶體缺陷利用晶體缺陷 實(shí)際結(jié)晶時(shí)，晶體生長(zhǎng)表面上往往難以避免因原子錯(cuò)排而造成實(shí)際結(jié)晶時(shí)，晶體生長(zhǎng)表面上往往難以避免因

9、原子錯(cuò)排而造成缺陷，例如螺型位錯(cuò)與孿晶。缺陷，例如螺型位錯(cuò)與孿晶。 這些缺陷為晶體生長(zhǎng)這些缺陷為晶體生長(zhǎng)(原子堆砌原子堆砌)提供現(xiàn)成的臺(tái)階提供現(xiàn)成的臺(tái)階，從而，從而避免了避免了二維晶核二維晶核生長(zhǎng)的必要性。生長(zhǎng)的必要性。 如鑄鐵中的石墨和鋁合金中的硅，就是利用晶體本身缺陷實(shí)如鑄鐵中的石墨和鋁合金中的硅，就是利用晶體本身缺陷實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)的典型例子?，F(xiàn)生長(zhǎng)的典型例子。 光滑界面生長(zhǎng)困難晶體怎么偷懶？ 螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制(a)螺旋位錯(cuò)及生長(zhǎng)臺(tái)階螺旋位錯(cuò)及生長(zhǎng)臺(tái)階 (b)螺旋線的形成螺旋線的形成 螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制 在光滑界面上一旦發(fā)生螺旋位錯(cuò)時(shí)，界面就由平面變成螺旋面，在光滑

10、界面上一旦發(fā)生螺旋位錯(cuò)時(shí)，界面就由平面變成螺旋面，并產(chǎn)生并產(chǎn)生與界面垂直的壁而構(gòu)成臺(tái)階與界面垂直的壁而構(gòu)成臺(tái)階 。因此，通過(guò)原子在臺(tái)階上的不斷堆砌，因此，通過(guò)原子在臺(tái)階上的不斷堆砌，圍繞著壁而旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，不斷地圍繞著壁而旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，不斷地向著液相縱深發(fā)展，向著液相縱深發(fā)展，最終在晶體表面形成螺旋形的螺線。最終在晶體表面形成螺旋形的螺線。由于由于臺(tái)階在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)消失臺(tái)階在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)消失，所以生長(zhǎng)可以一圈接一圈地連續(xù)，所以生長(zhǎng)可以一圈接一圈地連續(xù)進(jìn)行，其生長(zhǎng)所需的進(jìn)行，其生長(zhǎng)所需的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度比二維形核小得多，生長(zhǎng)速動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度比二維形核小得多，生長(zhǎng)速率也較大率也較大。生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)速率R與動(dòng)力

11、學(xué)過(guò)冷度與動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度TK之間為拋物線關(guān)系，即之間為拋物線關(guān)系，即 式中的動(dòng)力學(xué)系數(shù)式中的動(dòng)力學(xué)系數(shù) 310-210-4 cm(s，K)。 23KTR 螺型位錯(cuò)對(duì)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)有重要影響。螺型位錯(cuò)對(duì)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)有重要影響。 鑄鐵中的石墨屬于小平面相，它的鑄鐵中的石墨屬于小平面相，它的形態(tài)取決于各個(gè)晶向的生長(zhǎng)速率形態(tài)取決于各個(gè)晶向的生長(zhǎng)速率的差別：的差別： 當(dāng)當(dāng)R 小于小于 R 時(shí)，就會(huì)形成由時(shí)，就會(huì)形成由0001面所包圍的面所包圍的片狀片狀石墨；石墨； 如果如果R小于小于R時(shí)，則將形成六棱柱狀，并趨向于時(shí)，則將形成六棱柱狀，并趨向于徑向生長(zhǎng)，其顯微形狀呈徑向生長(zhǎng)，其顯微形狀呈球形球形

12、，因此稱為球墨鑄鐵。，因此稱為球墨鑄鐵。旋轉(zhuǎn)孿晶旋轉(zhuǎn)孿晶和和反射孿晶反射孿晶的面缺陷提供的臺(tái)階，也不會(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中消失。的面缺陷提供的臺(tái)階，也不會(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中消失。 旋轉(zhuǎn)孿晶對(duì)片狀石墨的生長(zhǎng)有重要作用。旋轉(zhuǎn)孿晶對(duì)片狀石墨的生長(zhǎng)有重要作用。 石墨晶體具有以六角形晶格為基面的石墨晶體具有以六角形晶格為基面的層狀層狀結(jié)構(gòu)，基結(jié)構(gòu)，基面之間面之間的結(jié)合較的結(jié)合較弱弱。在結(jié)晶過(guò)程中原子排列在結(jié)晶過(guò)程中原子排列層錯(cuò)層錯(cuò)使上下層之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的角度，如圖所示。使上下層之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的角度，如圖所示。 在在旋轉(zhuǎn)邊界周圍旋轉(zhuǎn)邊界周圍提供若干提供若干生長(zhǎng)位置生長(zhǎng)位置，使石墨晶體沿著側(cè)面，使石墨晶體沿著

13、側(cè)面100方向很快長(zhǎng)方向很快長(zhǎng)大成為片狀。大成為片狀。 通過(guò)孿晶生長(zhǎng)的機(jī)制通過(guò)孿晶生長(zhǎng)的機(jī)制 石墨的石墨的旋轉(zhuǎn)孿晶旋轉(zhuǎn)孿晶及及其生長(zhǎng)臺(tái)階其生長(zhǎng)臺(tái)階 由由反射孿晶反射孿晶的兩個(gè)的兩個(gè)(l11)面構(gòu)成的面構(gòu)成的凹角凹角也是可供晶體生長(zhǎng)的也是可供晶體生長(zhǎng)的臺(tái)階源臺(tái)階源, 原子可以原子可以直接向凹角溝槽的根部堆砌直接向凹角溝槽的根部堆砌，當(dāng)生長(zhǎng)沿著孿晶面，當(dāng)生長(zhǎng)沿著孿晶面橫向進(jìn)橫向進(jìn)行行時(shí)，時(shí)，凹角不會(huì)消失凹角不會(huì)消失，從而保證了連續(xù)生長(zhǎng)。，從而保證了連續(xù)生長(zhǎng)。 這種生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)這種生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)AlSi合金中合金中Si的結(jié)晶有重要作用。的結(jié)晶有重要作用。 面心立方晶體面心立方晶體反射孿晶反射孿晶及其凹角邊

14、界及其凹角邊界 （1）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長(zhǎng)大仍須）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長(zhǎng)大仍須 再再產(chǎn)生二維晶核；產(chǎn)生二維晶核；(間斷式生長(zhǎng)間斷式生長(zhǎng))（2）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)消失；）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)消失；（3）孿晶面機(jī)制：長(zhǎng)大過(guò)程中溝槽可保持下去，長(zhǎng)大不斷地進(jìn)行。）孿晶面機(jī)制：長(zhǎng)大過(guò)程中溝槽可保持下去，長(zhǎng)大不斷地進(jìn)行。對(duì)于依賴缺陷生長(zhǎng)，請(qǐng)給出形象的比喻對(duì)于依賴缺陷生長(zhǎng)，請(qǐng)給出形象的比喻生長(zhǎng)過(guò)程：生長(zhǎng)過(guò)程：繞樹(shù)三匝，鵲鳥(niǎo)可依繞樹(shù)三匝，鵲鳥(niǎo)可依 曹操詩(shī)句:繞樹(shù)三匝,何枝可依.”生長(zhǎng)方式：生長(zhǎng)方式： ？

15、生長(zhǎng)形態(tài)：生長(zhǎng)形態(tài)： ？1、垂直生長(zhǎng)、垂直生長(zhǎng)2、二維形核生長(zhǎng)、二維形核生長(zhǎng)3、螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)、螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)21mkmTRTHDRkTbRexp22233kTR4-3-4 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)與晶體形態(tài)與晶體形態(tài)立方晶體開(kāi)始時(shí)以立方晶體開(kāi)始時(shí)以(100)晶面晶面(左側(cè)圖左側(cè)圖)為外表面生長(zhǎng)，由于為外表面生長(zhǎng)，由于(100)面比面比(111)面生面生長(zhǎng)得更快，它將會(huì)變成以長(zhǎng)得更快，它將會(huì)變成以(111)面為外表面生長(zhǎng)面為外表面生長(zhǎng)(a)。雜質(zhì)往往會(huì)改變特定面的。雜質(zhì)往往會(huì)改變特定面的生長(zhǎng)特性，使同一種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)形態(tài)。如果生長(zhǎng)特性，使同一種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)形態(tài)。如果(110)面

16、生長(zhǎng)得最面生長(zhǎng)得最慢，將會(huì)形成菱形十二面體慢，將會(huì)形成菱形十二面體(b)。由于。由于低指數(shù)面一般都是生長(zhǎng)最慢的面低指數(shù)面一般都是生長(zhǎng)最慢的面，因此，因此，它們決定著晶體的生長(zhǎng)特性。由最小生長(zhǎng)速率所確定的生長(zhǎng)模式與沒(méi)有生長(zhǎng)它們決定著晶體的生長(zhǎng)特性。由最小生長(zhǎng)速率所確定的生長(zhǎng)模式與沒(méi)有生長(zhǎng)的平衡模式并不相同，后者是以保持總界面能最小為原則的。的平衡模式并不相同，后者是以保持總界面能最小為原則的。小平面晶體生長(zhǎng)形態(tài)的演變過(guò)程小平面晶體生長(zhǎng)形態(tài)的演變過(guò)程晶核晶核長(zhǎng)大后宏觀形貌長(zhǎng)大后宏觀形貌不同溫度梯度時(shí)不同溫度梯度時(shí)長(zhǎng)大方式及組織長(zhǎng)大方式及組織形態(tài)形態(tài)在正溫度梯度條件下在正溫度梯度條件下光滑界面：小平

17、面方式長(zhǎng)大，光滑界面：小平面方式長(zhǎng)大， 規(guī)則幾何外形。規(guī)則幾何外形。粗造界面：小平面方式長(zhǎng)大，粗造界面：小平面方式長(zhǎng)大， 平面狀；平面狀；在負(fù)溫度梯度條件下在負(fù)溫度梯度條件下樹(shù)枝狀方式長(zhǎng)大，樹(shù)枝狀晶體；樹(shù)枝狀方式長(zhǎng)大，樹(shù)枝狀晶體； 較小時(shí)樹(shù)枝方式長(zhǎng)大較小時(shí)樹(shù)枝方式長(zhǎng)大, ,帶有小平面的枝晶。帶有小平面的枝晶。較大時(shí)平面方式長(zhǎng)大較大時(shí)平面方式長(zhǎng)大, ,帶有小平面特征的帶有小平面特征的 的規(guī)則的幾何外形。的規(guī)則的幾何外形。非小平面非小平面(a)和小平面和小平面(b)生長(zhǎng)形態(tài)生長(zhǎng)形態(tài)美麗美麗、實(shí)用的晶體、實(shí)用的晶體寶石寶石帶有彩虹光澤的美麗鉍晶體帶有彩虹光澤的美麗鉍晶體水晶體水晶體磷酸氧鈦鉀（簡(jiǎn)稱）是一種性能優(yōu)異的激光倍頻晶體，早先美國(guó)杜磷酸氧鈦鉀（簡(jiǎn)稱）是一種性能優(yōu)異的激光倍頻晶體，早先美國(guó)杜邦公司是用邦公司是用“水熱法水熱法”進(jìn)行生長(zhǎng)。這種晶體的價(jià)格非常昂貴，一截火柴棍進(jìn)行生長(zhǎng)。這種晶體的價(jià)格非常昂貴，一截火柴棍大小的激光倍頻器，售價(jià)就近美元大小的激光倍頻器，售價(jià)就近美元參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.閔乃本，晶體生長(zhǎng)的物理基礎(chǔ)閔乃本，晶體生長(zhǎng)的物理基礎(chǔ)2.張克從，晶體生長(zhǎng)科學(xué)與技術(shù)張克從，晶體生長(zhǎng)科學(xué)與技術(shù)3.W. Kurz，凝固原理，凝固原理思考題思考題1.水和水和Bi凝固時(shí)會(huì)膨脹。僅從這一事實(shí)