晶體生長(zhǎng)-周樨

1、晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué) 基礎(chǔ)知識(shí) 周周 樨樨2004-12-252004-12-25晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)闡明晶體在不同生長(zhǎng)條件下的生長(zhǎng)機(jī)制，研究生長(zhǎng)速率與生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力間的關(guān)系。一 晶體生長(zhǎng)形態(tài)二 輸運(yùn)過(guò)程三 生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性四 界面結(jié)構(gòu)模型五 生長(zhǎng)界面動(dòng)力學(xué)一一 晶體生長(zhǎng)形態(tài)晶體生長(zhǎng)形態(tài)1.晶體生長(zhǎng)形態(tài)與晶面生長(zhǎng)速率的關(guān)系晶體生長(zhǎng)形態(tài)與晶面生長(zhǎng)速率的關(guān)系 晶面生長(zhǎng)速率:在單位時(shí)間內(nèi)晶面（hkl）沿其法線方向向外平行推移的距離（d）。 晶體生長(zhǎng)形態(tài)的變化來(lái)源于各晶面相對(duì)生長(zhǎng)速率（比值）的改變。晶面生長(zhǎng)速率之比對(duì)晶面相對(duì)大小的影響晶面生長(zhǎng)速率之比對(duì)晶面相對(duì)大小的影響1.一個(gè)晶面的生長(zhǎng)速率比相鄰

2、晶面慢時(shí)，在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中其晶面總是逐漸擴(kuò)大；a/b=cos /cos2.當(dāng)bb3，ba/cos 時(shí),SB不變，SA擴(kuò)大；3.如果其生長(zhǎng)速率比較快而達(dá)到ba/cos的程度時(shí)，其晶面便有可能逐漸縮小，甚至最終被完全淹沒而消失。生長(zhǎng)速度快的晶面在成長(zhǎng)過(guò)程中被淹沒而消失4.但若兩相鄰晶面以銳角相交，則不論它們的生長(zhǎng)速率之間關(guān)系如何，晶面永遠(yuǎn)不會(huì)消失。晶面生長(zhǎng)速率決定著晶體的外形，那么，各晶面生長(zhǎng)速率不同，又是受什么控制的呢？面網(wǎng)密度： ABCDBC對(duì)質(zhì)點(diǎn)的引力：1 2 3 BCCDAB面網(wǎng)密度越小的晶面優(yōu)先生長(zhǎng)，面網(wǎng)密度大的則落后。V BCVCDVAB面網(wǎng)密度越小,其面網(wǎng)間距也小，從而相鄰面網(wǎng)間的引

3、力越大，因此優(yōu)先生長(zhǎng)。2.影響晶面生長(zhǎng)速率的因素影響晶面生長(zhǎng)速率的因素2.1內(nèi)因晶體結(jié)構(gòu)2.1.1 布拉維法則由面網(wǎng)密度決定晶面生長(zhǎng)速率結(jié)論各晶面間相對(duì)生長(zhǎng)速率與其面網(wǎng)密度的大小成反比,即面網(wǎng)密度越大的晶面其法向生長(zhǎng)速度越慢；反之則快。晶體生長(zhǎng)到最后階段而保留下來(lái)的主要晶面是具有面網(wǎng)密度較高，而面網(wǎng)間距dhkl較大的晶面。即一般是低指數(shù)晶面。2.1.2 周期鍵鏈理論（PBC）由鍵合能大小決定晶面生長(zhǎng)速率基本假設(shè)：在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，于生長(zhǎng)界面上形成一個(gè)鍵所需要的時(shí)間隨著鍵合能的增加而減少，因而生長(zhǎng)界面的生長(zhǎng)速率隨鍵合能的增加而增加。PBC理論：晶體結(jié)構(gòu)是由周期鍵鏈（PBC）所組成的，晶體生長(zhǎng)最快

4、的方向是化學(xué)鍵最強(qiáng)的方向，晶體生長(zhǎng)是在沒有中斷的強(qiáng)鍵鏈（指在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中形成的強(qiáng)鍵）存在的方向上。 VFVS(2)(5)(1)(4)(6)(3)位置，是結(jié)合新原子的最有利位置，因?yàn)樵谠撐恢每梢院?個(gè)第一最近鄰的原子成鍵，若成鍵時(shí)釋放出能量也最多。并且，該能量恰好為晶體結(jié)構(gòu)中的任一原子成鍵所釋放的能量的1/2，故稱該位置為半晶體位置（111）。這樣，在（111）位置上就不需要形成任何形式的晶核，生長(zhǎng)基元便可單獨(dú)地或連續(xù)的添加到生長(zhǎng)位置，直至將一層臺(tái)階鋪滿。因此，半晶體位置（111）是晶體生長(zhǎng)最有利的位置。2.非完整光滑面理論模型（螺旋位錯(cuò)模型，非完整光滑面理論模型（螺旋位錯(cuò)模型，BCF理論）理

5、論）由理論計(jì)算得出，在光滑界面上形成二維臨界晶核時(shí)，若從氣相或溶液中生長(zhǎng)時(shí)，所需要的過(guò)飽和度為25-50，但在實(shí)驗(yàn)上則觀察到晶體在過(guò)飽和度很低的情況下（不到1）就能生長(zhǎng)。為解決這一矛盾，BCF理論考慮晶體結(jié)構(gòu)的不完整性，認(rèn)為晶體生長(zhǎng)界面上的螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)可作為晶體生長(zhǎng)臺(tái)階源。螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)模型(a)(b)(c)晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中不再需要形成二維臨界晶核，而螺旋位錯(cuò)在界面上的露頭處便可提供一永不消失的臺(tái)階源，晶體將圍繞螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)旋轉(zhuǎn)生長(zhǎng)，而螺旋式的臺(tái)階源將不隨著原子面網(wǎng)一層一層地鋪設(shè)而消失，而是螺旋式的連續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程，晶體的這種生長(zhǎng)方式稱為螺旋線生長(zhǎng)。除了螺旋位錯(cuò)外，刃型位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶以及重入角

6、等都能成為生長(zhǎng)臺(tái)階源。3.粗糙界面理論模型 （定義）4. 擴(kuò)散界面理論模型（定義）(晶相原子)（流體相原子）整個(gè)晶流體界面是由晶相原子和流體相原子相接觸的接觸面，界面上的全部原子都位于相當(dāng)于實(shí)際固相晶格座位上，界面可由很多層構(gòu)成，每層又由晶相原子和流體相原子組成，層與層的間距為d001。在體整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，晶相原子僅能在晶相原子上堆砌。該界面為立方晶系的（001）面五五 晶體生長(zhǎng)界面動(dòng)力學(xué)晶體生長(zhǎng)界面動(dòng)力學(xué)1.完整光滑面的生長(zhǎng)通過(guò)在生長(zhǎng)界面上形成二維臨界晶核，使其出現(xiàn)生長(zhǎng)臺(tái)階，以維持晶體的層狀生長(zhǎng)。二維臨界晶核形成示意圖完整光滑面的生長(zhǎng)取決于兩個(gè)因素：1.二維晶核的成核率I2.二維晶核的臺(tái)階橫

7、向擴(kuò)展速度V. 單核生長(zhǎng)I很小， V很大，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不可能形成二維臨界晶核，偶爾出現(xiàn)一個(gè)，就會(huì)很快形成一新的結(jié)晶層。特點(diǎn)：晶面法向生長(zhǎng)速率R正比于生長(zhǎng)界面的面積 多核生長(zhǎng)I很大， V很小生長(zhǎng)界面會(huì)同時(shí)存在很多穩(wěn)定的二維晶核生長(zhǎng)，然后相鄰的生長(zhǎng)臺(tái)階合并，最后形成新的一結(jié)晶層2.非完整光滑面的生長(zhǎng)當(dāng)螺旋位錯(cuò)在生長(zhǎng)界面上所形成的臺(tái)階長(zhǎng)度比其二維臨界晶核大時(shí)，從流體相輸運(yùn)來(lái)的生長(zhǎng)基元到達(dá)臺(tái)階后，臺(tái)階就以有限的速率向前擴(kuò)展，但由于臺(tái)階的一端固定于位錯(cuò)露頭點(diǎn)，因此這種臺(tái)階只能以位錯(cuò)露頭點(diǎn)為中心，呈螺旋式的擴(kuò)展。一對(duì)異號(hào)螺旋線示意圖在晶體生長(zhǎng)界面上常有許多螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)，由兩個(gè)異號(hào)螺旋位錯(cuò)露頭點(diǎn)擴(kuò)展出來(lái)的臺(tái)階相遇而使旋轉(zhuǎn)方向消失了，從而產(chǎn)生了封閉型的生長(zhǎng)臺(tái)階。與二維成核所形成的臺(tái)階不同，它不需要形成二維臨界晶核。3.粗糙界面的生長(zhǎng)界面的生長(zhǎng)速率依賴于扭折的濃度，在粗糙界面上到處是臺(tái)階和扭折，因此吸附原子處于這種界面上任何位置所具有的位能都相等，從而界面上的所有位置都是生長(zhǎng)位置。吸附原