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文檔簡介
關(guān)于晶體生長機(jī)理及其培養(yǎng)第一頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一一、從天然晶體到人工晶體晶體:構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子在空間作長程有序的排列,形成具有一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的固體。所謂長程有序就是由一些相同的質(zhì)點(diǎn)(基元)在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布。即至少在微米級(jí)的范圍內(nèi)是有序的排列。這些質(zhì)點(diǎn)代表原子、離子、分子或基團(tuán)。
第二頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一晶體分成天然晶體和人工晶體第三頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一古代制鹽術(shù)國外最早由文字記載的人工合成晶體工作是1540年,勃林古西歐首先詳細(xì)記錄了硝石的濾取及其重結(jié)晶提純的過程。中國的晶體生長工作可追溯到一千多年以前,宋代程大昌所著《演繁露》記載道:“鹽已成鹵水,暴烈日,即成方印,潔白可愛,初小漸大,或數(shù)千印累累相連?!边@就是用蒸發(fā)法從過飽和溶液中中生長食鹽晶體的方法。第四頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一1.晶體應(yīng)用和人工晶體的發(fā)展當(dāng)物質(zhì)以晶體狀態(tài)存在時(shí),將表現(xiàn)出其它物質(zhì)狀態(tài)所沒有的優(yōu)異的物理性能,因而是人類研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的重要基礎(chǔ)。
第五頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一由于能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、光、聲和力的相互作用和轉(zhuǎn)換,晶體還是電子器件、半導(dǎo)體器件、固體激光器件及各種光學(xué)儀器等工業(yè)的重要材料。被廣泛地應(yīng)用于通信、宇航、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、建筑學(xué)、軍事技術(shù)等領(lǐng)域。第六頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一2.人工晶體的分類第七頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一第八頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一二、晶體形成的科學(xué)第九頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一1.相變過程1.從熔體中結(jié)晶當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)時(shí),晶體開始析出,也就是說,只有當(dāng)熔體過冷卻時(shí)晶體才能發(fā)生。如水在溫度低于零攝氏度時(shí)結(jié)晶成冰;金屬熔體冷卻到熔點(diǎn)以下結(jié)晶成金屬。
由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟谑?,共二十七頁,編輯?023年,星期一從溶液中結(jié)晶當(dāng)溶液達(dá)到過飽和時(shí),才能析出晶體。主要有以下幾種方式:溫度降低,由于一般溶質(zhì)的溶解度隨溫度的降低而降低,逐漸析出,也叫冷卻過飽和溶液法。溶劑蒸發(fā),也叫自然揮發(fā)法。是指飽和或不飽和溶液中,隨著溶劑的揮發(fā),溶質(zhì)逐漸析出。通過化學(xué)反應(yīng),生成難溶物質(zhì)。第十一頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?/p>
從氣相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有足夠低的蒸汽壓。在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體。第十二頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
由固相再結(jié)晶為固相①同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變:所謂同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變是指某種晶體,在熱力學(xué)條件改變時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體。它們?cè)谵D(zhuǎn)變前后的成分相同,但晶體結(jié)構(gòu)不同。②由固態(tài)非晶質(zhì)結(jié)晶:火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻,固結(jié)為非晶質(zhì)的火山玻璃。這種火山玻璃經(jīng)過千百年以上的長時(shí)間以后,可逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)。第十三頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一2.晶核的形成(晶體的發(fā)生)
②晶體的成長。
晶核(亦稱晶芽):
是晶體生長最原始的胚胎(生長點(diǎn)),
是極微小的微晶粒,是晶體成長的中心。
外來晶核,非自成的。例如人工合成水晶,就是在溶液中放入一個(gè)石英晶粒(籽晶)作為晶核。
當(dāng)過冷卻或過飽和度很高時(shí),產(chǎn)生的晶核數(shù)目多;反之則少.
晶體形成全過程包括兩個(gè)階段形成晶核的條件
自發(fā)晶核(質(zhì)點(diǎn)聚合)①溶液過飽和②熔體過冷卻①形成晶核。第十四頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一3.晶體的成長
實(shí)際上是晶核形成后,質(zhì)點(diǎn)按格子構(gòu)造規(guī)律在晶核上不斷地堆積過程。
晶體生長的兩種主要理論:
1.層生長理論:
要討論的關(guān)鍵問題是:在一個(gè)面尚未生長完全前,在這一界面上找出最佳生長位置。晶體理想生長過程中質(zhì)點(diǎn)堆積順序的圖解123位置1-三面凹角;位置2-兩面凹角;位置3-一般位置第十五頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
圖表示質(zhì)點(diǎn)往晶芽上堆積時(shí),在其表面只有三種可能的堆積位置1、2和3,分別稱為三面凹角、兩面凹角和一般位置.每種位置上因成鍵數(shù)目不同,新質(zhì)點(diǎn)就位后的穩(wěn)定程度亦不同。
因此,最佳生長位置是三面凹角位,其次是兩面凹角位,最不容易生長的位置是平坦面。
這樣,最理想的晶體生長方式就是:先在三面凹角上生長成一行,以至于三面凹角消失,再在兩面凹角處生長一個(gè)質(zhì)點(diǎn),以形成三面凹角,再生長一行,重復(fù)下去。
位置
最近質(zhì)點(diǎn)間的成鍵數(shù)
新質(zhì)點(diǎn)就位后的穩(wěn)定程度1-三面凹角2-兩面凹角3-一般位置3(釋放出能量最大)2(釋放出能量較大)1(釋放出能量最小)最穩(wěn)定(最有利的生長位置)次穩(wěn)定(次有利的生長位置)不穩(wěn)定(最不利的生長位置)第十六頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一層生長過程第十七頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
結(jié)論:
晶體在理想情況下生長時(shí),
一旦有三面凹角存在,質(zhì)點(diǎn)則優(yōu)先沿三面凹角位置生長一條行列;而當(dāng)這一條行列長滿后,
就只有兩面凹角了,質(zhì)點(diǎn)就只能在兩面凹角處生長,這時(shí)又會(huì)產(chǎn)生三面凹角位置,然后將重復(fù)上述過程生長相鄰行列;
在長滿一層面網(wǎng)后,
質(zhì)點(diǎn)就只能在任意的一般位置上生長,接著就會(huì)有兩面凹角產(chǎn)生,隨后又會(huì)有三面凹角的形成,再開始生長第二層面網(wǎng)。晶面(最外層面網(wǎng))是平行向外推移生長的。這就是晶體的層生長理論。第十八頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
層生長理論可以解釋如下一些生長現(xiàn)象:
(1)晶體的自限性—
晶體常生長為面平、棱直的幾何多面體形態(tài)。
(2)晶體斷面上的環(huán)帶構(gòu)造—各個(gè)環(huán)帶代表了在晶體成長的不同階段中,由于介質(zhì)性質(zhì)或環(huán)境條件的某種變化,在晶體內(nèi)留下的當(dāng)時(shí)晶形輪廓的痕跡。它表明晶體是平行向外推移生長的。
(3)面角守恒定律—
由于晶面是向外平行推移生長的,所以同種礦物不同晶體上對(duì)應(yīng)晶面間的夾角不變。
(4)生長錐或沙鐘構(gòu)造—晶體由小長大,許多晶面向外平行移動(dòng)的軌跡形成以晶體中心為頂點(diǎn)的錐狀體。第十九頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一普通輝石的沙鐘構(gòu)造α-石英晶體橫斷面上煙灰色和乳白色相間的環(huán)帶構(gòu)造α-石英晶體的帶狀構(gòu)造合成紅寶石的六方色帶有什么現(xiàn)象可以證明層生長理論?第二十頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一第二十一頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一
實(shí)際晶體生長也可能一層還沒有完全長滿,另一層又開始生長了,這叫階梯狀生長,最后可在晶面上留下生長層紋或生長階梯。
階梯狀生長是屬于層生長理論范疇的。
總之,層生長理論的中心思想是:晶體生長過程是晶面層層外推的過程。
但是,層生長理論有一個(gè)缺陷:當(dāng)將這一界面上的所有最佳生長位置都生長完后,如果晶體還要繼續(xù)生長,就必須在這一平坦面上先生長一個(gè)質(zhì)點(diǎn),由此來提供最佳生長位置。這個(gè)先生長在平坦面上的質(zhì)點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)二維核,形成這個(gè)二維核需要較大的過飽和度,但許多晶體在過飽和度很低的條件下也能生長,為了解決這一理論模型與實(shí)驗(yàn)的差異,弗蘭克(Frank)于1949年提出了螺旋位錯(cuò)生長機(jī)制。
第二十二頁,共二十七頁,編輯于2023年,星期一2.螺旋生長理論(BCF理論)
該模型認(rèn)為晶面上存在螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)可以作為晶體生長的臺(tái)階源,可以對(duì)平坦面的生長起著催化作用,這種臺(tái)階源永不消失,因此不需要形成二維核,這樣便成功地解釋了晶體在很低過飽和度
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