第二章晶體生長的基本規(guī)律

第二章晶體生長的基本規(guī)律第1頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月主要教學(xué)內(nèi)容晶體生長的基本規(guī)律*晶面發(fā)育的基本理論*影響晶體生長的外部因素晶體的人工合成技術(shù)簡介第2頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1晶體的形成方式第3頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.氣-固結(jié)晶作用條件：氣態(tài)物質(zhì)具有足夠低的蒸汽壓、處于較低的溫度下。第4頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月夏威夷勞厄火山裂縫噴氣孔附近的自然硫沉積第5頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月自然硫晶體第6頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.液-固結(jié)晶作用

⑴從溶液中結(jié)晶條件：溶液過飽和。第7頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

青海察爾汗鹽湖第8頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月青海察爾汗鹽湖第9頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

青海察爾汗鹽湖中鹽花結(jié)晶體第10頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月青海察爾汗鹽湖中鹽花結(jié)晶體第11頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐘乳石第12頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月石鐘乳、石筍、石柱第13頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月鹽溶液的結(jié)晶實(shí)驗(yàn)第14頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Heatsomesolventtoboiling.PlacethesolidtoberecrystallizedinanErlenmeyerflask.第15頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月PourasmallamountofthehotsolventIntotheflaskcontainingthesolid.第16頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Swirltheflasktodissolvethesolid.第17頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Placetheflaskonthesteambathtokeepthesolutionwarm.第18頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Ifthesolidisstillnotdissolved,addatinyamountmoresolventandswirlagain.第19頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Whenthesolidisallinsolution,setitonthebenchtop.Donotdisturbit!第20頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Afterawhile,crystalsshouldappearintheflask.

第21頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Youcannowplacetheflaskinanicebathtofinishthecrystallizationprocess第22頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Hereisthefilterpaperwithcrystalsonit.第23頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Carefullyscrapethecrystalsontothewatchglass.第24頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Letthecrystalfinishdryingonthewatchglass.第25頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月Close-upofpicturesforminginaflask第26頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵從熔體中結(jié)晶條件：熔體過冷卻。天然熔體：巖漿。人工熔體：金屬熔體、玻璃熔體等。第27頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月巖漿巖的形成

HowIgneousRockIsFormed第28頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月天然熔體：巖漿第29頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月天然熔體：巖漿第30頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月天然熔體：巖漿第31頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

金伯利巖巖筒的形成第32頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月金剛石晶體第33頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶固-固結(jié)晶作用同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變固相反應(yīng)結(jié)晶重結(jié)晶脫?；?4頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2晶體的生長第35頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.晶體的形成階段介質(zhì)的過飽和或過冷卻階段；成核階段；生長階段。第36頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.關(guān)于晶體生長的基本理論⑴層生長理論

假設(shè)晶核為一單原子構(gòu)成的立方格子,相鄰質(zhì)點(diǎn)間距為a。第37頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶核上的三種位置

①晶核上的三種位置三面凹角二面凹角一般位置第38頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月②三種位置上最鄰近的質(zhì)點(diǎn)數(shù)

位置距離a1.414a1.732a1-三面凹角3642-二面凹角2643-一般位置144第39頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月③質(zhì)點(diǎn)的堆積順序三面凹角→二面凹角→一般位置第40頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月④晶體的理想生長過程在晶核的基礎(chǔ)上先長滿一個行列，再長相鄰的行列；直到長滿一層面網(wǎng)；長滿一層面網(wǎng)以后，再長相鄰的面網(wǎng)，如此逐層向外推移；第41頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月生長停止后，最外層的面網(wǎng)就是實(shí)際晶面，相鄰面網(wǎng)的交棱就是實(shí)際晶棱。整個晶體就成為被晶面包圍的幾何多面體。第42頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤層生長理論可以解釋的現(xiàn)象晶體的幾何多面體形態(tài)。晶體中的環(huán)帶構(gòu)造。同種晶體的不同個體，對應(yīng)晶面間的夾角不變。某些晶體內(nèi)部的沙鐘構(gòu)造。第43頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

電氣石晶體及橫截面上的環(huán)帶第44頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

普通輝石的砂鐘構(gòu)造第45頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月斯里蘭卡藍(lán)寶石中的環(huán)帶及蛛網(wǎng)狀的晶紅石針包裹體第46頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月澳大利亞藍(lán)寶石中的六方環(huán)狀生長紋第47頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體階梯狀生長的示意剖面圖⑵晶體的階梯狀生長第48頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月階梯狀生長在晶面上留下生長紋第49頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體的螺旋位錯⑶晶體的螺旋狀生長

第50頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月石墨底面上的生長螺紋第51頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月石墨底面上的生長螺紋第52頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3晶面的發(fā)育第53頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月1.布拉維法則

⑴晶面生長速度晶面在單位時(shí)間內(nèi)沿其法線方向向外推移的距離。

第54頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月網(wǎng)面密度與晶面生長速度關(guān)系圖AB-面網(wǎng)密度最大，生長速度最慢；CD-面網(wǎng)密度次之；生長速度中等；BC-面網(wǎng)密度最小，生長速度最快。第55頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵布拉維法則實(shí)際晶體往往為面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)所包圍。第56頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月布拉維法則圖解第57頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月布拉維法則以簡化環(huán)境條件為前提，未考慮溫度、壓力、組分濃度、渦流等對晶面生長速度的影響。實(shí)際上，由于環(huán)境因素的影響，會出現(xiàn)許多偏離布拉維法則的現(xiàn)象。第58頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月因此，某種晶體雖然有其習(xí)見形態(tài)，但也可以出現(xiàn)其他形態(tài)。例如螢石，可以是立方體，也可以是八面體。這表明在不同環(huán)境下，立方體面網(wǎng)和八面體面網(wǎng)的生長速度發(fā)生了變化。不過，就總的定性趨勢而言，布拉維法則還是有一定意義的。第59頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.居理—吳里夫原理

居里：晶體生長的平衡態(tài)表面能最小。吳里夫：生長速度快的晶面表面能大。第60頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.周期鍵鏈（PB

C）理論P(yáng)BC(PeriodicBondChain)理論中的三種晶面：F面：又稱平坦面。S面：又稱階梯面。K面：又稱扭折面。晶體上F面長發(fā)育成較大的面，K面罕見或缺失。第61頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月A、B、C指PBC鍵鏈方向第62頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4影響晶體生長的外部因素第63頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月1.渦流

由于溶質(zhì)的析出和結(jié)晶潛熱的釋放，在生長晶體周圍，溶液的密度相對下降，導(dǎo)致溶液上向移動，稍遠(yuǎn)處的溶液補(bǔ)充進(jìn)來，由此形成了渦流。渦流使生長晶體的物質(zhì)供應(yīng)不均勻。第64頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月在不同位置生長的晶體形態(tài)和渦流

第65頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.溫度

介質(zhì)溫度的變化，導(dǎo)致過飽和度及過冷卻度的變化，不同晶面的相對生長速度也因此改變，使晶體具有不同形態(tài)。第66頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，方解石（CaCO3）晶體在溫度較高時(shí)，呈扁平形態(tài)；地表常溫下則長成細(xì)長晶體。第67頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月片狀輕質(zhì)碳酸鈣第68頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月3.雜質(zhì)雜質(zhì)的吸附將改變晶面的比表面自由能，結(jié)果使晶面的生長速度發(fā)生變化。例如，在純凈水中結(jié)晶的食鹽為立方體，在溶液中含有少量硼酸時(shí)，則出現(xiàn)立方體與八面體的聚形。第69頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

純水中含有少量硼酸的溶液中

雜質(zhì)對石鹽晶形的影響第70頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月4.介質(zhì)粘度介質(zhì)粘度大，會影響物質(zhì)的運(yùn)移和供給。由于晶體的棱和角頂處較易于接受溶質(zhì)，因此生長較快；晶面中心生長較慢，甚至不生長，結(jié)果形成骸晶。第71頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

石鹽的骸晶第72頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月５.各組分的相對濃度對于化合物晶體，當(dāng)介質(zhì)中各組分的相對濃度發(fā)生變化時(shí)，會導(dǎo)致晶面生長速度的相對變化，從而影響晶形。第73頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月例如，釔鋁榴石（Y3Al2[AlO4]3）的晶形，當(dāng)介質(zhì)的成分富含Al2O3時(shí)，只出現(xiàn)菱形十二面體；富含Y2O3時(shí)，則同時(shí)還出現(xiàn)四角三八面體的小晶面。第74頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

介質(zhì)富Al2O3介質(zhì)富Y2O3釔鋁榴石（Y3Al5O12）的晶形第75頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月明礬石在不同濃度溶液中的晶形變化第76頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5晶體的溶解和再生第77頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月1.晶體的溶解晶體如果處于不飽和溶液中，即發(fā)生溶解。由于晶棱和角頂處的質(zhì)點(diǎn)具有相對大的自由能，且與溶液接觸的機(jī)會較多，最先溶解，晶體呈渾圓狀。第78頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體溶解后的渾圓狀態(tài)第79頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面蝕像第80頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.晶體的再生溶解或熔融的晶體，如果再處于過飽和溶液或過冷卻熔體中，可以恢復(fù)幾何多面體形態(tài)，此為晶體的再生。第81頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的再生第82頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.6晶體的人工合成技術(shù)第83頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.焰熔法--維爾納葉法最初用來合成紅寶石，其優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單，成本低，產(chǎn)量大。第84頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴原理原料粉末組分按一定比例均勻混合，在氫-氧燃燒的烈焰中熔融，熔融物質(zhì)隨溫度的降低在籽晶上結(jié)晶。第85頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵配料提純的氧化鋁(A1203)粉末，同時(shí)加入微量致色元素的氧化物。加入不同的致色元素氧化物，可以獲得不同的顏色的合成剛玉。第86頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月顏色致色元素品種紅色鉻紅寶石粉紅色鉻+鐵+鈦粉紅色藍(lán)寶石藍(lán)色鐵+鈦藍(lán)寶石黃色鎳黃色藍(lán)寶石紫紅/綠釩合成剛玉仿變石第87頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月3.設(shè)備與生產(chǎn)過程提純的Al203細(xì)粉末和1-3%的Cr2O3置于篩狀容器中，在周期性地振動下不斷釋放出來。噴嘴處氧氣與氫氣混合并燃燒。調(diào)控氫氧送入量，將燃燒溫度控制在2050-2150oC(剛玉的熔點(diǎn)為2050oC)。第88頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月焰熔法裝置示意圖第89頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月粉末經(jīng)過燃燒區(qū)熔融，半熔的粉末熔體落在生長平臺上的晶種上面。平臺邊旋轉(zhuǎn)邊緩緩下降，當(dāng)晶種上長出晶體，并達(dá)到要求的直徑時(shí)，調(diào)節(jié)平臺下降速度，直到晶體達(dá)到要求的尺寸。主要生長階段，晶體生長速率為每小時(shí)lcm。第90頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)晶體生長結(jié)束后，關(guān)掉氣體，讓晶體冷卻。由于晶體生長時(shí)內(nèi)聚了大量的應(yīng)力，當(dāng)停止加熱晶體沿縱向裂成兩半，如果沒有裂開，則用小錘輕敲使其裂開，以釋放應(yīng)力。第91頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月這種方法可以用來生產(chǎn)合成尖晶石、鈦酸鍶、合成金紅石等。其優(yōu)點(diǎn)是裝置簡單，成本低，產(chǎn)量大。第92頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月燃燒溫度--2050-2150oC；晶體生長速率—lcm/h。第93頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月焰熔法合成晶體生產(chǎn)過程中第94頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月生產(chǎn)過程結(jié)束第95頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月第96頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月第97頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月2.提拉法

又稱丘克拉斯基法。1950年首次用于生產(chǎn)鍺單晶。主要用來生長高質(zhì)量的晶體。第98頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體單晶：單晶Si、單晶Ge；固體激光器的核心材料：紅寶石(Al2O3)、摻釹釔鋁榴石(Nd:Y3Al5O12)；第99頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月重要的壓電材料：鈦酸鋇(BaTiO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)；熱釋電材料：鈮酸鋰(LiNbO3)，用于紅外探測和紅外攝像等技術(shù)。第100頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴原理原料在坩堝中加熱熔化，并在與熔體表面接觸的籽晶上結(jié)晶。⑵設(shè)備第101頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月釔鋁榴石YAG第102頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月提拉法生產(chǎn)晶體設(shè)備

第103頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月提拉法裝置簡圖第104頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶生產(chǎn)過程簡介原料在坩堝中熔化，坩堝材料通常為銥(熔點(diǎn)2442℃)。第105頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月將熔體表面溫度控制在晶體熔點(diǎn)附近，使籽晶與熔體表面接觸，然后緩慢旋轉(zhuǎn)提升，結(jié)晶作用即在籽晶端部發(fā)生。形成的晶體為圓棒狀晶體。第106頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月3.殼熔法--冷坩堝法專門用于生產(chǎn)立方氧化鋯--光學(xué)材料和激光基質(zhì)材料，第107頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴原理氧化鋯的熔化溫度為2750oC。沒有容器能夠承受如此高的溫度。因此，這種方法沒有專門的坩堝，而是巧妙地利用原料作為坩堝。第108頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月在室溫下，氧化鋯為單斜晶系，但是在2000oC以上是等軸晶系。在原料中加人百分之幾的穩(wěn)定劑，可以使氧化鋯在室溫下仍保持等軸晶系晶系。常用穩(wěn)定劑為鈣或錳的氧化物。第109頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵設(shè)備第110頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月冷坩堝法裝置生長晶體示意圖第111頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶生產(chǎn)過程氧化鋯粉末和穩(wěn)定劑裝在由冷卻銅管組成的金屬杯內(nèi)，在粉末中心放入引燃用的鋯金屬粉末或鋯金屬棒。然后由高頻線圈加熱。第112頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月高頻使鋯金屬熔化，熔化部分向外蔓延，引燃周圍的粉末。緊靠著杯壁的粉末在循環(huán)冷劑的作用下保持固態(tài)，構(gòu)成一層薄薄的外殼—熔殼，這個熔殼厚不足lmm。第113頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月待坩堝內(nèi)的物質(zhì)達(dá)到完全熔融后，將坩堝從加熱區(qū)緩緩移開，坩堝內(nèi)的物質(zhì)開始冷卻，結(jié)晶從殼底開始，向上長出圓柱狀的晶體，直到全部結(jié)晶固化。第114頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月最后，在1400oC時(shí)恒溫12h，使晶體退火，以消除應(yīng)變。第115頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月4.助熔劑法⑴原理使用合適的助熔劑配料熔融，熔融溫度低于配料的熔點(diǎn)，以降低能耗。結(jié)晶是在常壓下進(jìn)行。第116頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月助熔劑法裝置示意圖⑵裝置第117頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶生產(chǎn)過程簡述通過添加鉬氧化物將鉬酸鋰熔劑密度調(diào)整為2.9g/cm3。溫度調(diào)整為800℃左右。第118頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)晶是在開放系統(tǒng)、常壓下進(jìn)行，可以定時(shí)添加原料，晶體生長速度約每年20mm。第119頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月4.水熱法⑴原理在高溫高壓條件下，組分在封閉的高壓釜中較熱的部位溶解，然后在較冷部位的籽晶片上結(jié)晶。第120頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⒉設(shè)備第121頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶生產(chǎn)過程簡述通過添加鉬氧化物將鉬酸鋰熔劑密度調(diào)整為2.9g/cm3。同時(shí)把溫度調(diào)整為800oC左右。第122頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月祖母綠化學(xué)成分為Be3Al2Si6O18。SiO2以玻璃的形式加入，漂浮在助溶劑表面。其它組分（Al2O3、BeO、Cr2O3）第123頁，課件共136頁，創(chuàng)作于2023年2月通過加料管送到坩堝底部。將綠柱石晶體切成薄片作為籽晶，有孔鉑板用以