第十二节晶体生长方式概述.pptVIP

4-3 晶体生长方式 4-3-1 垂直生长 4-3-2 侧向生长 4-3-3 非完整界面的生长 4-3-4 生长动力学与晶体形态 生长方式和速度？ 晶体的生长方式 液相中原子向某个晶粒表面的堆砌方式。 根据界面结构的不同，晶体可采取连续生长，侧向生长和从缺陷生长等方式; 晶体生长的速度 固液界面的推进速度 4-3-1粗糙界面的生长 存在于几个 原子层内 空位 作为液相中原子堆砌的台阶 晶体在生长过程中界面上的台阶始终存在（保持粗糙界面） 因此，液体中的原子可以在整个界面上连续沉积，促使界面便连续、均匀地垂直生长。 4-3-1粗糙界面的生长 沉积到界面上的原子 受到前方和侧面固态原子的作用较大，结合牢固、不易反弹或脱落。 连续生长、垂直生长或正常生长 生长过程： 随风潜入夜、润物细无声 生长方式： 雨打沙滩 生长形态： 沙 堆 原子尺度光滑界面其单个原子与晶面的结合较弱，容易脱离界面，液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困难。由于缺少现成的台阶作为接纳新原子的角落，堆砌上去的原子也很不稳定，极易脱落或弹回。因此不可能像粗糙界面那样借助于连续生长机制进行生长。 4-3-2光滑界面的生长 界面的推移具有不连续性，并且有横向生长的特点。 侧向生长、沿面生长或层状生长。 能量起伏 首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核 然后利用其周围台阶沿着界面横向扩展，直到长满一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距。 这时，又必须利用二维形核产生新台阶，才能开始新一层的生长，周而复始地进行。 粗糙界面的连续长大速度为（Turnbull） 式中μ1是连续长大系数。 一般μ1 ≈1～100cm/(s?K)，因此在很小的过冷度下就可以获得极高的生长速度。 实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为10-2cm/s，由此推算出的动力学过冷度ΔTK≈10-2～10-4 K，小到无法测量的程度。 动力学过冷度是晶体生长的必要条件 近期研究：其它过冷度大于 ΔTk时，用实际过冷度代替 生长过程：大珠小珠落玉盘 生长方式： 突击队员 生长形态： 楼 梯 层生长理论 （Kossel 1927）晶体在理想情况下生长时，先长一条行列，然后长相邻的行列；在长满一层面网后，再开始长第二层面网；晶面（最外面的面网）是平行向外推移而生长的。 二维形核特点 二维形核的热力学能障较高； 由于界面的突变性质，其动力学能障比较大，生长比较困难。 因此过程需要较大的动力学过冷来驱动，生长速度也比连续生长低。 定量：界面生长速度R与动力学过冷度ΔTK的关系？ 其中 μ2，b — 为动力学常数； ΔTK — 动力学过冷度。 当ΔTK低于某临界值时，R几乎为零； 一旦超过该值，R急剧地大。 此临界值约为1～2 K，比连续生长所需的过冷度约大两个数量级。 由于二维晶核各生长表面在长大过程中始终保持平整，最后形成的晶体是以许多小平面为生长表面的多面体。 粗糙的外表面 这种晶体棱角分明,称为多面体晶体，其生长方式称为小平面生长。 以粗糙界面长大形成表面光滑的晶体则称为非多面体晶体。 4-3-3 非完整界面的生长 ――从缺陷处生长 利用晶体缺陷 实际结晶时，晶体生长表面上往往难以避免因原子错排而造成缺陷，例如螺型位错与孪晶。 这些缺陷为晶体生长(原子堆砌)提供现成的台阶，从而避免了二维晶核生长的必要性。 如铸铁中的石墨和铝合金中的硅，就是利用晶体本身缺陷实现生长的典型例子。? 光滑界面生长困难－－晶体怎么偷懒？ 螺旋位错生长机制(a)螺旋位错及生长台阶 (b)螺旋线的形成 ①螺旋位错生长机制 在光滑界面上一旦发生螺旋位错时，界面就由平面变成螺旋面，并产生与界面垂直的壁而构成台阶 。 因此，通过原子在台阶上的不断堆砌，围绕着壁而旋转生长，不断地向着液相纵深发展，最终在晶体表面形成螺旋形的螺线。 由于台阶在生长过程中不会消失，所以生长可以一圈接一圈地连续进行，其生长所需的动力学过冷度比二维形核小得多，生长速率也较大。 生长速率R与动力学过冷度ΔTK之间为抛物线关系，即