晶体生长机理及其培养

关于晶体生长机理及其培养第1页，课件共27页，创作于2023年2月一、从天然晶体到人工晶体晶体：构成物质的原子、分子在空间作长程有序的排列，形成具有一定的点阵结构的固体。所谓长程有序就是由一些相同的质点（基元）在空间有规则地作周期性的无限分布。即至少在微米级的范围内是有序的排列。这些质点代表原子、离子、分子或基团。

第2页，课件共27页，创作于2023年2月晶体分成天然晶体和人工晶体第3页，课件共27页，创作于2023年2月古代制盐术国外最早由文字记载的人工合成晶体工作是1540年，勃林古西欧首先详细记录了硝石的滤取及其重结晶提纯的过程。中国的晶体生长工作可追溯到一千多年以前，宋代程大昌所著《演繁露》记载道：“盐已成卤水，暴烈日，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数千印累累相连。”这就是用蒸发法从过饱和溶液中中生长食盐晶体的方法。第4页，课件共27页，创作于2023年2月1.晶体应用和人工晶体的发展当物质以晶体状态存在时，将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。

第5页，课件共27页，创作于2023年2月由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料。被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。第6页，课件共27页，创作于2023年2月2.人工晶体的分类第7页，课件共27页，创作于2023年2月第8页，课件共27页，创作于2023年2月二、晶体形成的科学第9页，课件共27页，创作于2023年2月1.相变过程1.从熔体中结晶当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属。

由液相转变为固相第10页，课件共27页，创作于2023年2月从溶液中结晶当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。主要有以下几种方式：温度降低，由于一般溶质的溶解度随温度的降低而降低，逐渐析出，也叫冷却过饱和溶液法。溶剂蒸发，也叫自然挥发法。是指饱和或不饱和溶液中，随着溶剂的挥发，溶质逐渐析出。通过化学反应，生成难溶物质。第11页，课件共27页，创作于2023年2月

由气相转变为固相

从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸汽压。在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。第12页，课件共27页，创作于2023年2月

由固相再结晶为固相①同质多相转变：所谓同质多相转变是指某种晶体，在热力学条件改变时转变为另一种在新条件下稳定的晶体。它们在转变前后的成分相同，但晶体结构不同。②由固态非晶质结晶：火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结为非晶质的火山玻璃。这种火山玻璃经过千百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。第13页，课件共27页，创作于2023年2月2.晶核的形成(晶体的发生)

②晶体的成长。

晶核(亦称晶芽):

是晶体生长最原始的胚胎(生长点),

是极微小的微晶粒，是晶体成长的中心。

外来晶核，非自成的。例如人工合成水晶，就是在溶液中放入一个石英晶粒(籽晶)作为晶核。

当过冷却或过饱和度很高时,产生的晶核数目多;反之则少.

晶体形成全过程包括两个阶段形成晶核的条件

自发晶核(质点聚合)①溶液过饱和②熔体过冷却①形成晶核。第14页，课件共27页，创作于2023年2月3.晶体的成长

实际上是晶核形成后，质点按格子构造规律在晶核上不断地堆积过程。

晶体生长的两种主要理论：

1.层生长理论:

要讨论的关键问题是:在一个面尚未生长完全前,在这一界面上找出最佳生长位置。晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解123位置1-三面凹角;位置2-两面凹角;位置3-一般位置第15页，课件共27页，创作于2023年2月

图表示质点往晶芽上堆积时，在其表面只有三种可能的堆积位置1、2和3,分别称为三面凹角、两面凹角和一般位置.每种位置上因成键数目不同,新质点就位后的稳定程度亦不同。

因此，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。

位置

最近质点间的成键数

新质点就位后的稳定程度1-三面凹角2-两面凹角3-一般位置3(释放出能量最大)2(释放出能量较大)1(释放出能量最小)最稳定(最有利的生长位置)次稳定(次有利的生长位置)不稳定(最不利的生长位置)第16页，课件共27页，创作于2023年2月层生长过程第17页，课件共27页，创作于2023年2月

结论:

晶体在理想情况下生长时,

一旦有三面凹角存在,质点则优先沿三面凹角位置生长一条行列;而当这一条行列长满后,

就只有两面凹角了,质点就只能在两面凹角处生长,这时又会产生三面凹角位置,然后将重复上述过程生长相邻行列;

在长满一层面网后,

质点就只能在任意的一般位置上生长,接着就会有两面凹角产生,随后又会有三面凹角的形成,再开始生长第二层面网。晶面(最外层面网)是平行向外推移生长的。这就是晶体的层生长理论。第18页，课件共27页，创作于2023年2月

层生长理论可以解释如下一些生长现象：

（1）晶体的自限性—

晶体常生长为面平、棱直的几何多面体形态。

（2）晶体断面上的环带构造—各个环带代表了在晶体成长的不同阶段中，由于介质性质或环境条件的某种变化,在晶体内留下的当时晶形轮廓的痕迹。它表明晶体是平行向外推移生长的。

（3）面角守恒定律—

由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。

（4）生长锥或沙钟构造—晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体。第19页，课件共27页，创作于2023年2月普通辉石的沙钟构造α-石英晶体横断面上烟灰色和乳白色相间的环带构造α-石英晶体的带状构造合成红宝石的六方色带有什么现象可以证明层生长理论?第20页，课件共27页，创作于2023年2月第21页，课件共27页，创作于2023年2月

实际晶体生长也可能一层还没有完全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长，最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。

阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。

总之，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的差异，弗兰克(Frank)于1949年提出了螺旋位错生长机制。

第22页，课件共27页，创作于2023年2月2．螺旋生长理论（BCF理论）

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