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晶體生長理論
作者:jzkegd  來源:本站  發表時間:2017-12-15 8:46:48  點擊:402

 晶核形成后,將進一步生長。就像其他的物理過程一樣,晶體生長也有其內在的規律。研究晶體生長,就是研究天然晶體及人工晶體的產生、成長和變化的過程與機理,探詢控制和影響晶體生長的諸多因素,尋找更加適合晶體生長的結晶條件,比如溫度分布(溫場)、氣氛、組分濃度分布、壓力、溶液/熔體的流動、生長速度等。深入研究晶體生長的理論,掌握晶體生長的內在規律,可以幫助我們獲得現代科學技術所急需的晶體材料。

近幾十年來,隨著物理學、化學等基礎學科和加工制備技術的不斷進步,晶體生長理論研究也得到了迅速的發展,成為一門獨立的分支學科。晶體生長理論已經從最初的研究晶體結構、和生長形態,進行經典的熱力學分析,發展到在微觀層面研究晶體生長中的物質、熱量的輸運、生長界面處液體/熔體的結構、界面反應等,并形成了許多晶體生長的理論或模型。

晶體生長理論主要研究晶體結構、晶體缺陷、晶體生長形態、晶體生長條件四者之間的關系,以及晶體生長界面動力學問題兩大方面內容,目前,主要有晶體生長的熱力學理論、層生長理論、 螺旋生長理論、周期鍵鏈(PBC)理論、界面生長理論等。

一、層生長理論:

科塞爾(Kossel,1927)首先提出,后經斯特蘭斯基(Stranski)加以發展的晶體的層生長理論亦稱為科塞爾—斯特蘭斯基理論。它是論述在晶核的光滑表面上生長一層原子面時,質點在界面上進入晶格座位的最佳位置是具有三面凹入角的位置(圖I中k)。質點在此位置上與晶核結合成鍵放出的能量最大。因為每一個來自環境相的新質點在環境相與新相界面的晶格上就位時,最可能結合的位置是能量上最有利的位置,即結合成鍵時應該是成鍵數目最多,釋放出能量最大的位置。圖I示質點在生長中的晶體表面上所可能有的各種生長位置:
k為曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生長位置;其次是S階梯面,具有二面凹入角的位置;最不利的生長位置是A。由此可以得出如下的結論即晶體在理想情況下生長時,先長一條行列,然后長相鄰的行列。在長滿一層面網后,再開始長第二層面網。晶面(最外的面網)是平行向外推移而生長的。這就是晶體的層生長理論,用它可以解釋如下的一些生長現象。
1)晶體常生長成為面平、棱直的多面體形態。
2)在晶體生長的過程中,環境可能有所變化,不同時刻生成的晶體在物性(如顏色)和成分等方面可能有細微的變化,因而在晶體的斷面上常常可以看到帶狀構造(圖I)。它表明晶面是平行向外推移生長的。
3)由于晶面是向外平行推移生長的,所以同種礦物不同晶體上對應晶面間的夾角不變。
4)晶體由小長大,許多晶面向外平行移動的軌跡形成以晶體中心為頂點的錐狀體稱為生長錐或砂鐘狀構造。

然而晶體生長的實際情況要比簡單層生長理論復雜得多。往往一次沉淀在一個晶面上的物質層的厚度可達幾萬或幾十萬個分子層。同時亦不一定是一層一層地順序堆積,而是一層尚未長完,又有一個新層開始生長。這樣繼續生長下去的結果,使晶體表面不平坦,成為階梯狀稱為晶面階梯。科塞爾理論雖然有其正確的方面,但實際晶體生長過程并非完全按照二維層生長的機制進行的。因為當晶體的一層面網生長完成之后,再在其上開始生長第二層面網時有很大的困難,其原因是已長好的面網對溶液中質點的引力較小,不易克服質點的熱振動使質點就位。因此,在過度飽和或過冷卻度較低的情況下,晶的生長就需要用其它的生長機制加以解釋。

 二、螺旋生長理論:

螺旋生長理論認為:在晶體生長界面上螺旋位錯露頭點所出現的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作為晶體生長的臺階源,促進光滑界面上的生長。 這樣就解釋了層生長理論所不能解釋的現象,即晶體在很低溫的過飽和度下能夠生長的實際現象。位錯的出現,在晶體的界面上提供了一個永不消失的臺階源。晶體將圍繞螺旋位錯露頭點旋轉生長。螺旋式的臺階并不隨著原子面網一層層生長而消失,從而使螺旋式生長持續下去。螺旋狀生長與層狀生長不同的是臺階并不直線式地等速前進掃過晶面,而是圍繞著螺旋位錯的軸線螺旋狀前進。隨著晶體的不斷長大,最終表現在晶面上形成能提供生長條件信息的各種各樣的螺旋紋。

 

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