晶体生长的基本规律.ppt

第2章 晶体生长的基本规律,主要教学内容,晶体生长* 晶面的发育* 影响晶体生长的外部因素 晶体生长技术简介,2.1 晶体的形成方式,气态物质处于低蒸汽压和较低的温度下。,火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积,气-固结晶作用,从溶液中结晶 溶液过饱和 c = c ceq c：绝对过饱和度； c：溶液浓度；ceq ：溶解度 通过化学反应生成难溶物质 CaNO3+Na2CO3=CaCO3 + NaNO3 Ca(OH)2+H3PO4= Ca5(PO4)3(OH) +H2O, 液-固结晶作用,从熔体中结晶 条件：熔体过冷却 T = Tf T ； Tf ：熔点； T ：熔体温度； T： 绝对过冷度，,同质多像转变 石墨在高压条件下转变为金刚石。 固相反应结晶 CaO+SiO2=Ca2SiO3 重结晶 脱玻化,固-固结晶作用,青海察尔汗盐湖中盐花结晶体,石钟乳、石笋、石柱,岩浆岩的形成 How Igneous Rock Is Formed,天然熔体：岩浆,Heat some solvent to boiling. Place the solid to be recrystallized in an Erlenmeyer flask.,盐溶液的结晶实验,Pour a small amount of the hot solvent Into the flask containing the solid.,Swirl the flask to dissolve the solid.,Place the flask on the steam bath to keep the solution warm.,If the solid is still not dissolved, add a tiny amount more solvent and swirl again.,When the solid is all in solution, set it on the bench top. Do not disturb it!,After a while, crystals should appear in the flask.,You can now place the flask in an ice bath to finish the crystallization process,Close-up of pictures forming in a flask,2.2 晶体的生长,晶体形成的三个阶段 介质的过饱和或过冷却阶段； 成核阶段； 生长阶段。,晶核上的三种位置,三面凹角,二面凹角,一般位置,层生长理论 假设：晶体由单原子构成的立方晶胞堆积而成，相邻质点间 距为a。,晶体的生长的基本理论,三种位置上最邻近的质点数,三面凹角,二面凹角,一般位置,质点的堆积顺序 三面凹角二面凹角 一般位置。,晶体的理想生长过程 在晶核的基础上，逐行生长，直到长满一层面网，再长相邻面网，如此逐层向外推移； 生长停止后，最外层面网就是实际晶面，相邻面网的交棱就是实际晶棱。,层生长理论可以解释的现象 晶体的几何多面体形态 晶体中的环带构造,电气石横截面上的环带,蓝宝石中的六方环状生长纹,某些晶体内部的沙钟构造。 同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。,普通辉石的砂钟构造,晶体的阶梯状生长,晶面上阶梯状的生长纹,晶体的螺旋状生长,晶体的螺旋状生长,石墨底面上的生长螺纹,2.3 晶面的发育,实际晶体往往为面网密度大的面网所包围。 晶面生长速度：晶面在单位时间内沿法线方向向外推移的距离。,布拉维法则,晶面法线方向,a,b,面网密度ABCDBC,生长速度快,生长速度慢,面网密度大，生长速度慢； 面网密度小，生长速度快。 生长速度最快的面网消缩最快。 布拉维法则以简化条件为前提，没有考虑温度、压力、浓度、杂质等对晶面生长速度产生影响。,居里：晶体生长的平衡态表面能最小。 吴里夫：生长速度快的晶面表面能大。,居理吴里夫原理,周期键链（ Periodic Bond Chain ）理论,在晶体结构中存在一系列周期性的强键链, 其重复特征与晶体结构中质点的重复一致。 按键链的多少，可将晶体生长过程中可能出现的晶面分为三种类型。,F面： 平坦面,S面： 阶梯面,K面： 扭折面,F面发育成较大的面；K面罕见或缺失,箭头A、B、C指示强健PBC方向,2.4 影响晶体生长的外部因素,左：温度较高时形成； 右：常温下形成,方解石（CaCO3）晶体形态, 温度,杂质的吸附将改变晶面的比表面自由能，结果使晶面的生长速度发生变化。,溶液中含有少量硼酸,NaCl晶体,溶液中不含有杂质,杂质,介质粘度大，会影响物质的运移和供给。由于晶体的棱和角顶处较易于接受溶质，因此生长较快；晶面中心生长较慢，甚至不生长，结果形成骸晶。,介质粘度,介质富含Al2O3；,Y3Al2AlO43）晶形,介质富含Y2O3,组分的相对浓度,涡流使生长晶体的物质供应不均匀。,涡流对晶体形态的影响,涡流,愛和感謝,真噁心討厭， 我要殺了你,良善的訊息可以產生美麗的水結晶 照片日本IHM研究所江本勝博士,聽田園交響曲,聽離別曲,聽重金屬音樂,2.5 晶体的人工生长技术,特点：装置简单，成本低，产量大。 原理：原料在火焰中熔融，在籽晶上结晶。 设备与生产过程(以刚玉为例) 燃烧温度：2200(刚玉的熔点为2050)。 晶体生长速率： lcm/h。,焰熔法,焰熔法合成晶体生产过程中,生长结束,生产过程结束,提拉法(Czochralski Process ),又称丘克拉斯基法。主要用来生长高质量的晶体。 半导体单晶：单晶Si、单晶Ge； 固体激光器的核心材料：红宝石(Al2O3)、掺钕钇铝榴石(Nd:Y3Al5O12) 重要的压电材料：钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂(LiTaO3)； 热释电材料：铌酸锂(LiNbO3)，用于红外探测和红外摄像等技术。,原理 原料在坩埚中加热熔化，并在与熔体表面接触的籽晶上结晶。 设备,隔热材料 生长晶体 窗口 铱坩埚 耐火材料 射频线圈,提拉法装置结构示意图,提拉法生长晶体过程,提拉法生产晶体设备,专门用于生产立方氧化锆-光学和激光基质材料。 原理： 氧化锆的熔化温度为2750oC。没有容器能够承受如此高的温度。因此，这种方法没有专门的坩埚，而是巧妙地利用原料作为坩埚。,壳熔法-冷坩埚法,设备,Cubic Zirconia Rough Crystals(Skull Melting Process) Corundum Rough Crystals (Verneuil Process),生产过程 氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金属杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末或锆金属棒。然后由高频线圈加热。 高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃周围的粉末。紧靠着杯壁的粉末在循环冷剂的作用下保持固态，构成一层薄薄的外壳熔壳，这个熔壳厚不足lmm。,待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶从壳底开始，向上长出圆柱