晶體生長方式

晶體生長方式第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日生長方式和速度？晶體的生長方式

液相中原子向某個(gè)晶粒表面的堆砌方式。

根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的不同，晶體可采取連續(xù)生長，側(cè)向生長和從缺陷生長等方式;晶體生長的速度

固液界面的推進(jìn)速度第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日4-3-1粗糙界面的生長存在于幾個(gè)原子層內(nèi)空位作為液相中原子堆砌的臺(tái)階晶體在生長過程中界面上的臺(tái)階始終存在（保持粗糙界面）第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日因此，液體中的原子可以在整個(gè)界面上連續(xù)沉積，促使界面便連續(xù)、均勻地垂直生長。4-3-1粗糙界面的生長沉積到界面上的原子受到前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用較大，結(jié)合牢固、不易反彈或脫落。連續(xù)生長、垂直生長或正常生長

生長過程：

隨風(fēng)潛入夜、潤物細(xì)無聲生長方式：雨打沙灘生長形態(tài)：沙堆第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日原子尺度光滑界面其單個(gè)原子與晶面的結(jié)合較弱，容易脫離界面，液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困難。由于缺少現(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，極易脫落或彈回。因此不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)生長機(jī)制進(jìn)行生長。

4-3-2光滑界面的生長界面的推移具有不連續(xù)性，并且有橫向生長的特點(diǎn)。側(cè)向生長、沿面生長或?qū)訝钌L。

能量起伏首先在界面上形成單原子厚度的二維晶核然后利用其周圍臺(tái)階沿著界面橫向擴(kuò)展，直到長滿一層后，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)生新臺(tái)階，才能開始新一層的生長，周而復(fù)始地進(jìn)行。第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日粗糙界面的連續(xù)長大速度為（Turnbull）

式中μ1是連續(xù)長大系數(shù)。一般μ1≈1～100cm/(s?K)，因此在很小的過冷度下就可以獲得極高的生長速度。實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長速度約為10-2cm/s，由此推算出的動(dòng)力學(xué)過冷度ΔTK≈10-2～10-4K，小到無法測量的程度。

動(dòng)力學(xué)過冷度是晶體生長的必要條件近期研究：其它過冷度大于ΔTk時(shí)，用實(shí)際過冷度代替第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日生長過程：大珠小珠落玉盤生長方式：突擊隊(duì)員生長形態(tài)：樓梯第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日層生長理論

（Kossel1927）晶體在理想情況下生長時(shí)，先長一條行列，然后長相鄰的行列；在長滿一層面網(wǎng)后，再開始長第二層面網(wǎng)；晶面（最外面的面網(wǎng)）是平行向外推移而生長的。第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日二維形核特點(diǎn)二維形核的熱力學(xué)能障較高；由于界面的突變性質(zhì)，其動(dòng)力學(xué)能障比較大，生長比較困難。因此過程需要較大的動(dòng)力學(xué)過冷來驅(qū)動(dòng)，生長速度也比連續(xù)生長低。定量：界面生長速度R與動(dòng)力學(xué)過冷度ΔTK的關(guān)系？其中μ2，b—為動(dòng)力學(xué)常數(shù)；ΔTK

—?jiǎng)恿W(xué)過冷度。當(dāng)ΔTK低于某臨界值時(shí)，R幾乎為零；一旦超過該值，R急劇地大。此臨界值約為1～2K，比連續(xù)生長所需的過冷度約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

由于二維晶核各生長表面在長大過程中始終保持平整，最后形成的晶體是以許多小平面為生長表面的多面體。

粗糙的外表面

這種晶體棱角分明,稱為多面體晶體，其生長方式稱為小平面生長。

以粗糙界面長大形成表面光滑的晶體則稱為非多面體晶體。第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日4-3-3非完整界面的生長

――從缺陷處生長利用晶體缺陷實(shí)際結(jié)晶時(shí)，晶體生長表面上往往難以避免因原子錯(cuò)排而造成缺陷，例如螺型位錯(cuò)與孿晶。這些缺陷為晶體生長(原子堆砌)提供現(xiàn)成的臺(tái)階，從而避免了二維晶核生長的必要性。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)現(xiàn)生長的典型例子。

光滑界面生長困難－－晶體怎么偷懶？第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

螺旋位錯(cuò)生長機(jī)制

(a)螺旋位錯(cuò)及生長臺(tái)階

(b)螺旋線的形成①螺旋位錯(cuò)生長機(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，并產(chǎn)生與界面垂直的壁而構(gòu)成臺(tái)階。因此，通過原子在臺(tái)階上的不斷堆砌，圍繞著壁而旋轉(zhuǎn)生長，不斷地向著液相縱深發(fā)展，最終在晶體表面形成螺旋形的螺線。第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日由于臺(tái)階在生長過程中不會(huì)消失，所以生長可以一圈接一圈地連續(xù)進(jìn)行，其生長所需的動(dòng)力學(xué)過冷度比二維形核小得多，生長速率也較大。生長速率R與動(dòng)力學(xué)過冷度ΔTK之間為拋物線關(guān)系，即式中的動(dòng)力學(xué)系數(shù)

μ3≈10-2～10-4cm／(s，K)。

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，它的形態(tài)取決于各個(gè)晶向的生長速率的差別：

當(dāng)R<0001>小于R<1010>

時(shí)，就會(huì)形成由{0001｝面所包圍的片狀石墨；如果R<1010>小于R<0001>時(shí)，則將形成六棱柱狀，并趨向于徑向生長，其顯微形狀呈球形，因此稱為球墨鑄鐵。第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日旋轉(zhuǎn)孿晶和反射孿晶的面缺陷提供的臺(tái)階，也不會(huì)在晶體生長過程中消失。旋轉(zhuǎn)孿晶對(duì)片狀石墨的生長有重要作用。石墨晶體具有以六角形晶格為基面的層狀結(jié)構(gòu)，基面之間的結(jié)合較弱。在結(jié)晶過程中原子排列層錯(cuò)使上下層之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的角度，如圖所示。在旋轉(zhuǎn)邊界周圍提供若干生長位置，使石墨晶體沿著側(cè)面〈100〉方向很快長大成為片狀。②通過孿晶生長的機(jī)制

－－石墨的旋轉(zhuǎn)孿晶及其生長臺(tái)階第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日

由反射孿晶的兩個(gè)(l11)面構(gòu)成的凹角也是可供晶體生長的臺(tái)階源,

原子可以直接向凹角溝槽的根部堆砌，當(dāng)生長沿著孿晶面橫向進(jìn)行時(shí)，凹角不會(huì)消失，從而保證了連續(xù)生長。這種生長機(jī)制對(duì)Al－Si合金中Si的結(jié)晶有重要作用。－－面心立方晶體反射孿晶及其凹角邊界第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日（1）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長大仍須再產(chǎn)生二維晶核；(間斷式生長)

（2）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長過程中不會(huì)消失；

（3）孿晶面機(jī)制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進(jìn)行。第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日對(duì)于依賴缺陷生長，請(qǐng)給出形象的比喻生長過程：繞樹三匝，鵲鳥可依

曹操<<短歌行>>詩句:"繞樹三匝,何枝可依.”生長方式：？？生長形態(tài)：？？第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日1、垂直生長2、二維形核生長3、螺旋位錯(cuò)生長

4-3-4生長動(dòng)力學(xué)與晶體形態(tài)第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日立方晶體開始時(shí)以(100)晶面(左側(cè)圖)為外表面生長，由于(100)面比(111)面生長得更快，它將會(huì)變成以(111)面為外表面生長(a)。雜質(zhì)往往會(huì)改變特定面的生長特性，使同一種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的生長形態(tài)。如果(110)面生長得最慢，將會(huì)形成菱形十二面體(b)。由于低指數(shù)面一般都是生長最慢的面，因此，它們決定著晶體的生長特性。由最小生長速率所確定的生長模式與沒有生長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。小平面晶體生長形態(tài)的演變過程第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期日晶核長大后宏觀形貌不同溫度梯度時(shí)長大方式及組織形態(tài)①在正溫度梯度條件下－光滑界面：小平面方式長大，

規(guī)則幾何外形。粗造界面：小平面方式長大，

平面狀；②在負(fù)溫度梯度條件下－樹枝狀方式長大，樹枝狀晶體；