晶体生长方式PPT教案

1、会计学1晶体生长方式晶体生长方式存在于存在于几个几个 原子层原子层内内空位空位作为液相中原子堆砌的作为液相中原子堆砌的台阶台阶晶体在生长过程中界晶体在生长过程中界面上的台阶始终存在面上的台阶始终存在（保持粗糙界面）保持粗糙界面）第1页/共24页因此，液体中的原子可以在整个界面上因此，液体中的原子可以在整个界面上连续沉积连续沉积，促使界面便，促使界面便连续、均连续、均匀地垂直生长匀地垂直生长。沉积到界面上的原子沉积到界面上的原子 受到受到前方和侧面固态原子的作用较大前方和侧面固态原子的作用较大，结合牢固、，结合牢固、不易反弹或脱落不易反弹或脱落。连续生长连续生长、垂直生长垂直生长或或正常生长正常

2、生长 生长过程：生长过程： 随风潜入夜、润物细无随风潜入夜、润物细无声声生长方式：生长方式： 雨打沙滩雨打沙滩生长形态：生长形态： 沙沙 堆堆第2页/共24页原子尺度光滑界面其原子尺度光滑界面其单个原子单个原子与与晶面晶面的的结合较弱结合较弱，容易脱离界面，容易脱离界面，液相中的原子要在完整晶面上，液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困难直接堆砌很困难。由于缺少。由于缺少现成的台阶作为接纳新原子的角落，堆砌上去的原子也很不稳现成的台阶作为接纳新原子的角落，堆砌上去的原子也很不稳定，定，极易脱落或弹回。极易脱落或弹回。因此不可能像粗糙界面那样借助于连续因此不可能像粗糙界面那样借助于连续生长机制进

3、行生长。生长机制进行生长。 界面的推移具有界面的推移具有不连续性不连续性，并且有，并且有横向生长横向生长的特点。的特点。侧向生长、沿面生长或层状生长侧向生长、沿面生长或层状生长。 能量起伏能量起伏首先首先在界面上形成单原子厚度的在界面上形成单原子厚度的二维晶核二维晶核然后然后利用其周围台阶沿着界面利用其周围台阶沿着界面横向扩展横向扩展，直到长，直到长满一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距满一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距。 这时，又必须利用二维形核产生这时，又必须利用二维形核产生新台阶新台阶，才能开始新一层的生长，才能开始新一层的生长，周而复始地进行。，周而复始地进行。 第3页/共24

4、页粗糙界面的连续长大速度为（粗糙界面的连续长大速度为（TurnbullTurnbull） 式中式中1 1是连续长大系数是连续长大系数。KKmmLTTaKTHDR12 一般一般1 1 1 1100cm/(100cm/(s sK K) )，因此在很小的过冷度下就可以获得，因此在很小的过冷度下就可以获得极极高的生长速度高的生长速度。 实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为1010-2-2cm/scm/s，由此推算出，由此推算出的动力学过冷度的动力学过冷度T TK K1010-2-21010-4-4 K K，小到无法测量的程度。，小到无法测量的程度。 动力学过冷度是晶体生长的

5、必要条件动力学过冷度是晶体生长的必要条件近期研究：近期研究：其它过冷度大于其它过冷度大于 TkTk时，用实际过冷度代替时，用实际过冷度代替第4页/共24页生长过程：生长过程：大珠小珠落玉盘大珠小珠落玉盘生长方式：生长方式： 突击队员突击队员生长形态：生长形态： 楼楼 梯梯第5页/共24页第6页/共24页二维形核特点二维形核特点u二维形核的二维形核的热力学热力学能障较高；能障较高；u由于界面的突变性质，其由于界面的突变性质，其动力学动力学能障比较大，能障比较大，生长比较困难。生长比较困难。u因此过程需要因此过程需要较大的动力学过冷较大的动力学过冷来驱动，生长来驱动，生长速度速度也比连续生也比连续

6、生长长低低。u定量：界面生长速度定量：界面生长速度R与与动力学过冷度动力学过冷度TK的关系？的关系？KTbeR2 其中其中 2，b 为动力学常数；为动力学常数； TK 动力学过冷度。动力学过冷度。 当当TK低于某临界值时，低于某临界值时，R几乎为零；几乎为零； 一旦超过该值，一旦超过该值，R急剧地大。急剧地大。 此临界值约为此临界值约为12 K，比连续生长所需的过冷度约大两个数量级。，比连续生长所需的过冷度约大两个数量级。第7页/共24页 由于二维晶核各生长表面在长大过程中始终保持由于二维晶核各生长表面在长大过程中始终保持平整，最后形成的晶体是平整，最后形成的晶体是以许多小平面为生长以许多小平

7、面为生长表面的表面的多面体多面体。 粗糙的外表面粗糙的外表面 这种这种晶体棱角分明晶体棱角分明,称为多面体晶体，其生长方称为多面体晶体，其生长方式称为式称为小平面生长小平面生长。 以以粗糙界面粗糙界面长大形成表面光滑的晶体则称为长大形成表面光滑的晶体则称为非多非多面体晶体。面体晶体。 第8页/共24页光滑界面生长困难晶体怎么偷懒？第9页/共24页螺旋位错生长机制螺旋位错生长机制 在光滑界面上一旦发生螺旋位错时，界面就由平面变成螺旋面，并产生在光滑界面上一旦发生螺旋位错时，界面就由平面变成螺旋面，并产生与界面垂直的壁而构成台阶与界面垂直的壁而构成台阶 。因此，通过原子在台阶上的不断堆砌，因此，通

8、过原子在台阶上的不断堆砌，围绕着壁而旋转生长，不断地向着液相纵深发展，围绕着壁而旋转生长，不断地向着液相纵深发展，最终在晶体表面形成螺旋形的螺线。最终在晶体表面形成螺旋形的螺线。第10页/共24页第11页/共24页第12页/共24页23KTR 螺型位错对铸铁中石墨结晶形态有重要影响。螺型位错对铸铁中石墨结晶形态有重要影响。 铸铁中的石墨属于小平面相，它的铸铁中的石墨属于小平面相，它的形态取决于各个晶向的生长速形态取决于各个晶向的生长速率的差别：率的差别： 当当R 小于小于 R 时，就会形成由时，就会形成由0001面所包围的面所包围的片状片状石墨；石墨； 如果如果R小于小于R时，则将形成六棱柱状

9、，并趋向于时，则将形成六棱柱状，并趋向于径向生长，其显微形状呈径向生长，其显微形状呈球形球形，因此称为球墨铸铁。，因此称为球墨铸铁。第13页/共24页 通过孪晶生长的机制通过孪晶生长的机制第14页/共24页第15页/共24页（1）二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须）二维晶核机制：台阶在界面铺满后即消失，要进一步长大仍须 再再产生二维晶核；产生二维晶核；(间断式生长间断式生长)（2）螺旋位错机制：这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失；）螺旋位错机制：这种螺旋位错台阶在生长过程中不会消失；（3）孪晶面机制：长大过程中沟槽可保持下去，长大不断地进行。）孪晶面机制：长大过程中沟槽可

10、保持下去，长大不断地进行。第16页/共24页对于依赖缺陷生长，请给出形象的比对于依赖缺陷生长，请给出形象的比喻喻生长过程：生长过程：绕树三匝，鹊鸟可依绕树三匝，鹊鸟可依 曹操诗句:绕树三匝,何枝可依.”生长方式：生长方式： ？生长形态：生长形态： ？第17页/共24页1、垂直生长、垂直生长2、二维形核生长、二维形核生长3、螺旋位错生长、螺旋位错生长21mkmTRTHDRkTbRexp22233kTR4-3-4 生长动力学生长动力学与晶体形态与晶体形态第18页/共24页立方晶体开始时以立方晶体开始时以(100)晶面晶面(左侧图左侧图)为外表面生长，由于为外表面生长，由于(100)面比面比(111

11、)面生面生长得更快，它将会变成以长得更快，它将会变成以(111)面为外表面生长面为外表面生长(a)。杂质往往会改变特定面的。杂质往往会改变特定面的生长特性，使同一种晶体结构呈现出不同的生长形态。如果生长特性，使同一种晶体结构呈现出不同的生长形态。如果(110)面生长得最面生长得最慢，将会形成菱形十二面体慢，将会形成菱形十二面体(b)。由于。由于低指数面一般都是生长最慢的面低指数面一般都是生长最慢的面，因此，因此，它们决定着晶体的生长特性。由最小生长速率所确定的生长模式与没有生，它们决定着晶体的生长特性。由最小生长速率所确定的生长模式与没有生长的平衡模式并不相同，后者是以保持总界面能最小为原则的

12、。长的平衡模式并不相同，后者是以保持总界面能最小为原则的。小平面晶体生长形态的演变过程小平面晶体生长形态的演变过程第19页/共24页晶核晶核长大后宏观形貌长大后宏观形貌不同温度梯度时不同温度梯度时长大方式及组织长大方式及组织形态形态在正温度梯度条件下在正温度梯度条件下光滑界面：小平面方式长大，光滑界面：小平面方式长大， 规则几何外形。规则几何外形。粗造界面：小平面方式长大，粗造界面：小平面方式长大， 平面状；平面状；在负温度梯度条件下在负温度梯度条件下树枝状方式长大，树枝状晶体；树枝状方式长大，树枝状晶体； 较小时树枝方式长大较小时树枝方式长大, ,带有小平面的枝晶。带有小平面的枝晶。较大时平面方