晶体生长-周樨

1、晶体生长动力学动力学 基础知识 周周 樨樨2004-12-252004-12-25晶体生长动力学晶体生长动力学阐明晶体在不同生长条件下的生长机制，研究生长速率与生长驱动力间的关系。一 晶体生长形态二 输运过程三 生长界面的稳定性四 界面结构模型五 生长界面动力学一一 晶体生长形态晶体生长形态1.晶体生长形态与晶面生长速率的关系晶体生长形态与晶面生长速率的关系 晶面生长速率:在单位时间内晶面（hkl）沿其法线方向向外平行推移的距离（d）。 晶体生长形态的变化来源于各晶面相对生长速率（比值）的改变。晶面生长速率之比对晶面相对大小的影响晶面生长速率之比对晶面相对大小的影响1.一个晶面的生长速率比相邻

2、晶面慢时，在晶体生长过程中其晶面总是逐渐扩大；a/b=cos /cos2.当bb3，ba/cos 时,SB不变，SA扩大；3.如果其生长速率比较快而达到ba/cos的程度时，其晶面便有可能逐渐缩小，甚至最终被完全淹没而消失。生长速度快的晶面在成长过程中被淹没而消失4.但若两相邻晶面以锐角相交，则不论它们的生长速率之间关系如何，晶面永远不会消失。晶面生长速率决定着晶体的外形，那么，各晶面生长速率不同，又是受什么控制的呢？面网密度： ABCDBC对质点的引力：1 2 3 BCCDAB面网密度越小的晶面优先生长，面网密度大的则落后。V BCVCDVAB面网密度越小,其面网间距也小，从而相邻面网间的引

3、力越大，因此优先生长。2.影响晶面生长速率的因素影响晶面生长速率的因素2.1内因晶体结构2.1.1 布拉维法则由面网密度决定晶面生长速率结论各晶面间相对生长速率与其面网密度的大小成反比,即面网密度越大的晶面其法向生长速度越慢；反之则快。晶体生长到最后阶段而保留下来的主要晶面是具有面网密度较高，而面网间距dhkl较大的晶面。即一般是低指数晶面。2.1.2 周期键链理论（PBC）由键合能大小决定晶面生长速率基本假设：在晶体生长过程中，于生长界面上形成一个键所需要的时间随着键合能的增加而减少，因而生长界面的生长速率随键合能的增加而增加。PBC理论：晶体结构是由周期键链（PBC）所组成的，晶体生长最快

4、的方向是化学键最强的方向，晶体生长是在没有中断的强键链（指在晶体生长过程中形成的强键）存在的方向上。 VFVS(2)(5)(1)(4)(6)(3)位置，是结合新原子的最有利位置，因为在该位置可以和3个第一最近邻的原子成键，若成键时释放出能量也最多。并且，该能量恰好为晶体结构中的任一原子成键所释放的能量的1/2，故称该位置为半晶体位置（111）。这样，在（111）位置上就不需要形成任何形式的晶核，生长基元便可单独地或连续的添加到生长位置，直至将一层台阶铺满。因此，半晶体位置（111）是晶体生长最有利的位置。2.非完整光滑面理论模型（螺旋位错模型，非完整光滑面理论模型（螺旋位错模型，BCF理论）理

5、论）由理论计算得出，在光滑界面上形成二维临界晶核时，若从气相或溶液中生长时，所需要的过饱和度为25-50，但在实验上则观察到晶体在过饱和度很低的情况下（不到1）就能生长。为解决这一矛盾，BCF理论考虑晶体结构的不完整性，认为晶体生长界面上的螺旋位错露头点可作为晶体生长台阶源。螺旋位错生长模型(a)(b)(c)晶体在生长过程中不再需要形成二维临界晶核，而螺旋位错在界面上的露头处便可提供一永不消失的台阶源，晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长，而螺旋式的台阶源将不随着原子面网一层一层地铺设而消失，而是螺旋式的连续生长过程，晶体的这种生长方式称为螺旋线生长。除了螺旋位错外，刃型位错、层错、孪晶以及重入角

6、等都能成为生长台阶源。3.粗糙界面理论模型 （定义）4. 扩散界面理论模型（定义）(晶相原子)（流体相原子）整个晶流体界面是由晶相原子和流体相原子相接触的接触面，界面上的全部原子都位于相当于实际固相晶格座位上，界面可由很多层构成，每层又由晶相原子和流体相原子组成，层与层的间距为d001。在体整个生长过程中，晶相原子仅能在晶相原子上堆砌。该界面为立方晶系的（001）面五五 晶体生长界面动力学晶体生长界面动力学1.完整光滑面的生长通过在生长界面上形成二维临界晶核，使其出现生长台阶，以维持晶体的层状生长。二维临界晶核形成示意图完整光滑面的生长取决于两个因素：1.二维晶核的成核率I2.二维晶核的台阶横

7、向扩展速度V. 单核生长I很小， V很大，在相当长的时间内不可能形成二维临界晶核，偶尔出现一个，就会很快形成一新的结晶层。特点：晶面法向生长速率R正比于生长界面的面积 多核生长I很大， V很小生长界面会同时存在很多稳定的二维晶核生长，然后相邻的生长台阶合并，最后形成新的一结晶层2.非完整光滑面的生长当螺旋位错在生长界面上所形成的台阶长度比其二维临界晶核大时，从流体相输运来的生长基元到达台阶后，台阶就以有限的速率向前扩展，但由于台阶的一端固定于位错露头点，因此这种台阶只能以位错露头点为中心，呈螺旋式的扩展。一对异号螺旋线示意图在晶体生长界面上常有许多螺旋位错露头点，由两个异号螺旋位错露头点扩展出来的台阶相遇而使旋转方向消失了，从而产生了封闭型的生长台阶。与二维成核所形成的台阶不同，它不需要形成二维临界晶核。3.粗糙界面的生长界面的生长速率依赖于扭折的浓度，在粗糙界面上到处是台阶和扭折，因此吸附原子处于这种界面上任何位置所具有的位能都相等，从而界面上的所有位置都是生长位置。吸附原