晶体学基础13-晶体的形成和晶体的缺陷

1、晶体学基础晶体学基础第第11章章 晶体的形成和晶体的缺陷晶体的形成和晶体的缺陷晶核的形成晶核的形成晶体形成的方式晶体形成的方式晶体生长的理论模型晶体生长的理论模型影响晶体形态的外部因素影响晶体形态的外部因素晶体的缺陷晶体的缺陷 了解晶核的形成，了解晶体形成的方式。 了解晶体生长的理论模型。 掌握布拉维法则，了解影响晶体形态的外部因素。 掌握点缺陷和线缺陷的基本类型，了解晶体的面缺陷。学习要求学习要求晶核的形成晶核的形成成核是一个相变过程，体系自由能的变化为： G=Gv+Gs 式中Gv为新相形成时体自由能的变化，且Gv0, GS为新相形成时新相与旧相界面的表面能，且GS0。也就是说，晶核的形成，

2、一方面由于体系从液相转变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降，另一方面又由于增加了液 - 固界面而使体系自由能升高。需要越过成核位垒均匀成核：在体系内任何部位成核率是相等的。非均匀成核：在体系的某些部位（杂质、容器壁）的成核率高于另一些部位。晶体形成的方式从气相生长晶体：升华法： 固气固在高温区蒸发原料，利用蒸气扩散，通过温度梯度区，在冷端形成晶体并生长。多用于半导体晶体生长，如As、ZnS 蒸气输运法：利用运载气体进行晶体生长冷端： W + 3Cl2 = WCl6 热端： 分解、沉积出W常用于提纯材料和生长金属单晶气相反应法：反应物进行气相反应生成晶体GaCl3 + AsCl3 + 3H2

3、= 3GaAs + 6HCl 生长速率低， 控制难度大 由液相生长晶体由液相生长晶体晶体形成的方式溶液法水溶液法的溶剂为水，优点是低温、低粘度、晶体外观完美、便于直接观察；缺点是影响因素复杂、周期长、控温要求精度高。如KD2PO4晶体。助熔剂法的熔剂为助熔剂，优点是能够降低晶体析晶温度，能够生长高温相晶体，缺点是不环保、生长周期长。如KTiOPO4晶体熔体法：通过固液界面的移动来完成晶体生长。提拉法的优点是可直接观察、生长速率快、应力小、可使用“缩颈”工艺得到高质量晶体；缺点是难以控制挥发和污染。如YVO4坩埚移动法的优点是环保、可生长大尺寸晶体；缺点是不便观察，晶体应力大。如CsI科塞尔-斯

4、特兰斯基理论模型（层生长理论模型）这一模型讨论的关键问题是：在一个正在生长的晶面上寻找出最佳生长位置，有平坦面、两面凹角位、三面凹角位。其中平坦面只有一个方向成键，两面凹角有两个方向成键，三面凹角有三个方向成键。晶体生长理论模型最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹角位，最不容易生长的位置是平坦面。这样，最理想的晶体生长方式就是:先在三面凹角上生长成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质点，以形成三面凹角，再生长一行，重复下去。层生长理论的中心思想是：晶体生长过程是晶面层层外推的过程。层生长理论的中心思想是：晶体生长过程是晶面层层外推的过程。 但是，层生长理论有一个缺陷：当将这一界

5、面上的所有最佳生长位置都生长完后，如但是，层生长理论有一个缺陷：当将这一界面上的所有最佳生长位置都生长完后，如果晶体还要继续生长，就必须在这一平坦面上先生长一个质点，由此来提供最佳生长位果晶体还要继续生长，就必须在这一平坦面上先生长一个质点，由此来提供最佳生长位置。这个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核，形成这个二维核需要较大的过置。这个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核，形成这个二维核需要较大的过饱和度，但许多晶体在过饱和度很低的条件下也能生长，为了解决这一理论模型与实验饱和度，但许多晶体在过饱和度很低的条件下也能生长，为了解决这一理论模型与实验的差异，弗兰克的差异，弗兰克(Fr

6、ank)于于1949年提出了螺旋位错生长机制。年提出了螺旋位错生长机制。科塞尔-斯特兰斯基理论模型（层生长理论模型）螺旋生长理论模型（BCF理论模型）该模型认为晶面上存在螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台阶源，可以对平坦面的生长起着催化作用，这种台阶源永不消失，因此不需要形成二维核，这样便成功地解释了晶体在很低过饱和度下仍能生长这一实验现象。晶体生长形态布拉维法则晶体的最终形态由那些具有面网密度大的面网(低指数面)所包围。面网密度大面网间距大对生长质点吸引力小生长速度慢生长速度慢在晶形上保留 生长速度快尖灭居里-乌尔夫原理（最小表面能原理）晶体上所有晶面的表面能之和最小的形态最稳定。当晶体的体

7、积一定时，要达到表面能最小，只有当晶体的各个晶面到晶体中心的距离(m)与各晶面的表面张力成正比时才有可能。而晶面至晶体中心的距离与其生长速度成比例，因此晶面生长速度与比表面能成正比关系。晶体在不同介质里生长时，各晶面比表面能有相应变化，故晶体形态不同。PBC（周期性键链）理论：晶面分为三类：晶面分为三类：F面面(平坦面，两个平坦面，两个PBC)，晶形上易保留。晶形上易保留。 S面面(阶梯面，一个阶梯面，一个PBC),可保留或不保留。可保留或不保留。 K面面(扭折面，不含扭折面，不含PBC),晶形上不易保留晶形上不易保留 。面网密度大PBC键链多表面能小晶体的常见缺陷在晶体内部原子排列并不是完全

8、规则的，而是普遍存在着晶格缺陷。按缺陷的几何特点可分为4类：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。晶体缺陷有时具有重要作用，是材料实现功能所必需的。点缺陷（1）空位：晶格中应有质点缺失而造成的空位肖特基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体格点位置的异类原子。线缺陷线缺陷是指在晶体内部结构中沿某条线（行列）方向上的周围局部范围内所产生的晶格缺陷。其主要表现形式是位错。位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。最常见的位错是刃位错和螺旋位错。位错对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错可视为晶格滑移造成的，因此可用晶格滑动的矢量来表征位错。柏氏矢量确定方法 (注意避开严重畸变区)a 在位错周围沿着点阵结点形成封闭回路。b 在理想晶体中按同样顺序作同样大小的回路。c 在理想晶体中从终点到起点的矢量即为柏氏矢量柏氏矢量的意义a 代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）。b 表示晶体滑移的方向和大小。c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一条位错线具有唯一的柏氏矢量。d 判断位错的类型。面缺陷面缺陷是指沿晶格内或晶粒间某些面的两侧局部范围内所出现的晶格缺陷。主要包括晶