晶體生長簡介

1、一、成核 成核是一個相變過程，即在母液相中形成固相小晶芽，這一相變過程中體系自由能的變化為： G=Gv+Gs 式中Gv為新相形成時體自由能的變化，且Gv0, GS為新相形成時新相與舊相界面的表面能，且GS0。 也就是說，晶核的形成，一方面由于體系從液相轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能更小的晶體相而使體系自由能下降，另一方面又由于增加了液 - 固界面而使體系自由能升高。,只有當(dāng)G 0時，成核過程才能發(fā)生，因此，晶核是否能形成，就在于Gv與Gs的相對大小。 見圖8-1: 體系自由能由升高到 降低的轉(zhuǎn)變時所對應(yīng) 的晶核半徑值rc稱為 臨界半徑。,思考：怎么理解在晶核很小時表面能大于體自由能，而當(dāng)晶核長大后表面能小于體自由

2、能？因此，成核過程有一個勢壘：能越過這個勢壘的就可以進(jìn)行晶體生長了，否則不行。,能量,均勻成核：在體系內(nèi)任何部位成核率是相等的。非均勻成核：在體系的某些部位（雜質(zhì)、容器壁）的成核率高于另一些部位。思考：為什么在雜質(zhì)、容器壁上容易成核？ 為什么人工合成晶體要放籽晶？,一旦晶核形成后，就形成了晶液界面，在界面上就要進(jìn)行生長，即組成晶體的原子、離子要按照晶體結(jié)構(gòu)的排列方式堆積起來形成晶體。1層生長理論模型（科塞爾理論模型） 這一模型要討論的關(guān)鍵問題是：在一個正在生長的晶面上尋找出最佳生長位置，有平坦面、兩面凹角位、三面凹角位。其中平坦面只有一個方向成鍵，兩面凹角有兩個方向成鍵，三面凹角有三個方向成鍵

3、，見圖：,二、晶體生長模型,因此，最佳生長位置是三面凹角位，其次是兩面凹角位，最不容易生長的位置是平坦面。 這樣，最理想的晶體生長方式就是:先在三面凹角上生長成一行，以至于三面凹角消失，再在兩面凹角處生長一個質(zhì)點(diǎn)，以形成三面凹角，再生長一行，重復(fù)下去。,層生長過程,但是，實(shí)際晶體生長不可能達(dá)到這么理想的情況，也可能一層還沒有完全長滿，另一層又開始生長了，這叫階梯狀生長，最后可在晶面上留下生長層紋或生長階梯。 階梯狀生長是屬于層生長理論范疇的。 總之，層生長理論的中心思想是：晶體生長過程是晶面層層外推的過程。 但是，層生長理論有一個缺陷：當(dāng)將這一界面上的所有最佳生長位置都生長完后，如果晶體還要繼

4、續(xù)生長，就必須在這一平坦面上先生長一個質(zhì)點(diǎn)，由此來提供最佳生長位置。這個先生長在平坦面上的質(zhì)點(diǎn)就相當(dāng)于一個二維核，形成這個二維核需要較大的過飽和度，但許多晶體在過飽和度很低的條件下也能生長，為了解決這一理論模型與實(shí)驗(yàn)的差異，弗蘭克(Frank)于1949年提出了螺旋位錯生長機(jī)制。,2螺旋生長理論模型（BCF理論模型） 該模型認(rèn)為晶面上存在 螺旋位錯露頭點(diǎn)可以作為 晶體生長的臺階源，可以對 平坦面的生長起著催化作用， 這種臺階源永不消失，因此 不需要形成二維核，這樣便 成功地解釋了晶體在很低過 飽和度下仍能生長這一實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象。,螺旋生長過程,這兩個模型有什么聯(lián)系與區(qū)別？ 聯(lián)系：都是層層外推生長；

5、 區(qū)別：生長新的一層的成核機(jī)理不同。 有什么現(xiàn)象可證明這兩個生長模型？ 環(huán)狀構(gòu)造、砂鐘構(gòu)造、晶面的層狀階梯、螺旋紋,三、晶體生長實(shí)驗(yàn)方法,水熱法高溫高壓生長（高壓釜）：晶體原料溶在高溫高壓水溶液（溶劑）中； 提拉法高溫常壓生長：沒有溶劑，也沒有助熔劑 ，即熔體直接生長； 低溫溶液生長-低溫常壓水溶液生長：即常見的從溶液中結(jié)晶出來； 高溫熔液生長-高溫常壓在助熔劑生長：沒有溶劑，但有助熔劑 （晶體原料熔在另外一種成分的物質(zhì)中，但無水）。 總之，是設(shè)計出一些方法讓晶體生長得完好。每個晶體所適合的方法不同。,水熱法,提拉法,四、決定晶體生長形態(tài)的內(nèi)因,1布拉維法則(law of Bravais)： 晶體上的實(shí)際晶面往往平行于面網(wǎng)密度大的面網(wǎng) 。 為什么？ 面網(wǎng)密度大面網(wǎng)間距大對生長質(zhì)點(diǎn)吸引力小生長速度慢 生長速度慢在晶形上保留 生長速度快尖滅,布拉維法則圖示,2PBC（周期性鍵鏈）理論： 晶面分為三類： F面(平坦面，兩個PBC)， 晶形上易保留。 S面(階梯面，一個PBC), 可保留或不保留。 K面(扭折面，不含PBC), 晶形上不易保留 。,3居里-吳里弗原理（最小表面能原理）： 晶體上所有晶面的表面能之和最小的形態(tài)最穩(wěn)定。 * 思考以上三個法則理論原理的聯(lián)系：面網(wǎng)密度大PBC鍵鏈多表面能小,五、決定晶體生長形態(tài)的外因,溫度 雜質(zhì) 粘度