晶体的生长机理

晶体生长的机制。首先，概述，晶体生长的机理实质上是理解晶体内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态之间的关系。通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的形成，改善和提高了晶体的质量和性能，大大提高了材料的强度，开发了材料的使用潜力。晶体生长的研究已经从单纯的技术研究逐渐发展到两个主要方向：晶体制备技术研究和晶体生长理论研究。两者相互渗透，相互促进。晶体制备技术的研究为晶体生长的理论研究提供了丰富的对象。晶体生长的理论研究试图从本质上揭示晶体生长的基本规律，从而指导晶体制备技术的研究。(2)晶体生长的基本过程从宏观角度来看，晶体生长过程是从晶体-环境相(蒸汽、溶液、熔体)界面到环境相的连续过渡过程，即从包含晶体单元的母相从低有序到高度有序的结晶相的过渡。从微观角度来看，晶体生长过程可以被视为一个“原始”过程。所谓“原始”是指结晶过程中最基本的结构单元。广义而言，它可以是原子、分子或具有某种几何构型的原子(分子)聚集体。“基元”过程的主要步骤是：基元在界面处的移动、基元在界面处的结晶或解吸、基元的形成、基元在界面处的结晶或解吸、基元在生长界面处的吸附、基元在生长界面处的吸附、晶体的生长机制、从溶液相生长晶体的扩散控制机制，主要问题是溶质必须从过饱和溶液转移到晶体表面并根据晶体结构重新排列。如果运输受到速度的控制，扩散和对流将发挥重要作用。当晶体尺寸不大于10m时，晶体生长机制为正常重力场或低搅拌速率下的扩散控制机制。在晶体生长过程中，成核控制远不如扩散控制常见。然而，对于非常小的晶体，可能没有位错或其他缺陷。通过一层一层地沉积分子或离子来进行生长。每层由通过沉积低聚合度的离子、分子或基团形成的“行”组成。因此，对于由成核控制的晶体生长，成核速率可视为晶体生长速率。当晶体的某一层足够长并且达到某一边界时，晶体的生长停止，因为溶液中的离子不能在整个表面上找到有效的吸附点，并且在单个表面晶核和溶液之间达到不稳定状态。位错控制机制当溶液的饱和度小于2时，表面成核率极低。如果每个表面核只能形成一个分子层，那么实际晶体生长速率只能为零。事实上，许多实验表明，即使在S=1101的低饱和度条件下，晶体也能容易地生长，这不能用表面成核机制来解释。弗兰克3在1949年指出，这种情况下的晶体生长是由于螺旋位错周围表面的弯曲生长。螺旋生长的势能可能大于表面成核生长的势能。然而，一旦表面成核到达层的边界，它将失去其活性，而螺旋位错生长可以生长成数百万层。由于堆叠过程中原子表面的不同位移距离，可以产生不同类型的步骤(如图1所示)。台阶的高度小于表面间距，这称为子台阶。高度等于表面间距的台阶称为全台阶。这两种类型的步骤可以成为在晶体生长中永远不会消失的步骤的来源。晶体生长的综合控制机制实际上是一个非常复杂的过程，特别是从溶液的生长来看，在正常情况下，晶体生长的控制机制不止一个，而是由单核层机制、多核层机制和扩散控制生长机制组成的综合，1。层生长的理论模型(Corsair-Sullitsky理论模型)由Corsair首先提出并由Sullitsky发展，是该模型中要讨论的关键问题：在生长的晶面上寻找最佳生长位置，该晶面具有平坦的表面、两侧的凹角位置和三侧的凹角位置。其中，平面只在一个方向粘合，两边的凹角在两个方向粘合，三边的凹角在三个方向粘合，如图所示，因此，最佳的生长位置是三边的凹角，其次是两边的凹角，最难生长的位置是平面。这样，最理想的晶体生长方法是在三个凹角上生长：成一行，使三个凹角消失，然后在两个凹角上生长一个粒子，形成三个凹角，然后生长一行，并重复。然而，实际的晶体生长无法达到如此理想的情况。也有可能一层没有完全生长，另一层又开始生长。这被称为台阶状生长，它可以在晶体平面上留下生长层或生长台阶。阶梯增长属于层增长理论的范畴。简而言之，层生长理论的中心思想是晶体生长过程是一个逐层外推晶面的过程。然而，层生长理论有一个缺陷：当在这个界面上所有的最佳生长位置都已经生长时，如果晶体继续生长，一个粒子必须在这个平坦的表面上生长以提供最佳的生长位置。这个老师的粒子生长在一个平面上，相当于一个二维原子核，形成这个二维原子核需要很大的过饱和度，但是许多晶体可以在很低的过饱和度下生长。为了解决这一理论模型与实验之间的差异，弗兰克在1949年提出了螺旋位错的生长机制。2。螺旋生长的理论模型(BCF理论模型)，即螺旋位错露头处的凹角和它在晶体生长界面上延伸形成的二面角(6.12)，可以作为晶体生长的阶梯源，促进光滑界面上的生长。这解释了晶体可以在非常低的过饱和度下生长的实际现象。印度晶体学家维尔马1951年对碳化硅晶体表面生长螺旋线(图8-7)和其他大量螺旋线的观察证实了这一模型在晶体生长中的重要作用。位错提供了一个永远不会在晶体界面消失的阶梯源。随着生长的进行，台阶将以位错为中心呈螺旋状分布，随着原子表面网络的逐层生长，螺旋台阶不会消失，螺旋生长将继续。螺旋生长和层状生长之间的区别在于，台阶不是直线地、均匀地穿过晶面向前移动，而是绕螺旋位错的轴螺旋移动(图8-8)。随着晶体的不断生长，能够提供生长条件信息的各种图案的螺旋图案最终在晶面上形成。根据安塞莱斯理论，粒子依次附着在多个分子层上，并逐步生长。分子层的厚度与过饱和有关。例如，在金刚石形成的稳定阶段，由于压力和温度的影响，岩浆结晶处于非常稳定的状态。随着足够的初生碳和足够的晶化时间，大量的金刚石晶体芽生长并生长成更大的平面八面体金刚石。此时，岩浆碱度很高，钛元素仍处于分散状态，而“钛”所产生的制约金刚石生长的催化作用也会阻碍金刚石的生长。岩浆转化为侵入阶段后，金刚石完全处于溶解状态，而袖珍怪物平面八面体金刚石转化为圆堆菱面体十二面体，形成内部稳定特征。这证明当初始碳源充足且环境合适时，颗粒根据多分子层的粘附性逐步生长。饱和度越高，分子层越厚，宝石越大。当饱和度降低时，增长会逐渐放缓直至停止。在晶体生长过程中，界面相位于晶相和环境相之间，界面相的内边界与晶体接触，外边界与环境接触并具有一定的厚度。界面阶段界面层和晶体生长之间的晶体生长过程可分为两个步骤：即原子、离子或分子基团(即生长元素)从过饱和溶液到晶体生长界面的形成和运输过程，以及这些生长元素在晶体界面上叠加的过程。事实上，晶体生长是其中晶体表面向外扩展的过程。是其中晶相和环境相(蒸汽、溶液、熔体)之间的界面连续地转移到环境相的过程，即包括晶体单元的母相从低阶到高阶晶相的转变图。这是一个结晶化学过程，界面反应：是一个外延生长过程。另一方面，晶体生长过程是一个增加晶体体积的过程，它与晶面生长密不可分。晶面的生长与晶面上键链的延伸有关，而键链的延伸与晶面上每个生长纽结点的特征不可分割。换句话说，晶体生长与晶体的表面性质密切相关。(3)界面相和晶体生长之间的晶体生长过程也是相之间相互作用的过程。特别是环境相的变化对晶体生长有很大的影响。类似地，界面相也必须影响晶体生长。晶粒或生长元素与晶粒之间有4种定位机制：完美组合、完全组合但伴有小角度旋转、部分组合和无明显组合。当两个晶体粒子在溶液中相互碰撞时，它们可以在分离前短暂地停留在一起。如果在过饱和溶液中，晶体物质会沉淀在颗粒之间并连接两者，晶体就会生长。此时，如果溶液的热驱动力弱或晶体生长迅速，晶体将形成聚合物。另一方面，两个碰撞的颗粒被流体的剪切应力分开。晶体在聚合过程中会有一定的电阻。因此，如果溶液中有强离子，晶粒在快速结合过程中不能自由选择最佳方向。如果颗粒在低离子强度的溶液中结合，在结合过程中将有很短的时间来调整颗粒的取向。在弱离子溶液中，双电层的作用是将两个晶体分开，这样只有那些取向合适的晶粒才能克服容器中的热驱动力并相互结合。界面相可以将晶体结构、晶体缺陷、晶体形态和晶体生长有机地结合起来，为研究晶体生长提供了一种新的途径。同时，它还能更好地解释晶体生长界面的动力学。4。晶体生长的界面相模型。晶体生长理论必须综合考虑晶体生长的内部和外部因素，才能充分理解晶体生长的实际过程。从界面相和晶体生长的关系可以看出，界面相是晶体相和环境相之间的纽带。晶体生长的内部和外部原因都有机地反映在界面阶段。通过研究界面相，可以综合考虑环境相和晶体对晶体生长过程的影响。通过研究晶相和环境相之间的界面，可以更好地理解晶体生长过程。研究晶体在环境相中的界面可以促进晶体的生长规律，了解晶体生长的机理，这也符合晶体生长理论的发展趋势。界面相模型如下：(1)界面层，即晶体与液体(熔体)的界面，是晶相的表层，(2)吸附层，由吸附在界面层上的环境相组分组成，包括物理吸附和化学吸附，(3)过渡层，位于吸附相和环境相之间，相当于环境相的表面相。在晶体生长过程中，电荷、质量和能量的传输是通过界面阶段完成的。结晶物质从环境相的组成变为晶相的组成。它必须从过渡层的环境相扩散到表面相现有理论不能很好地解释实际生长过程的主要原因是对环境相结构的肤浅理解。如果不了解环境相结构和生长元素的结构，就不能正确理解外部条件和界面结构的影响。通过对环境相结构的研究，我们可以获得关于生长单位的信息。2.建立包含外部条件的理论模型。基于对环境相结构的研究，只有建立一个能够有机包含外部条件的生长模型，才能从微观层面描述晶体结构、环境相和生长条件对生长原始过程的影响，从而揭示晶体内部结构、生长条件、生长形态和晶体