《结晶学》第5章晶体生长

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1、第五章晶体的形成晶体是具有格子构造的固体。形成晶体的过程实质上是在一定的条件下组成物质的质点按照格子构造规律排列的过程。它包括两个阶段，首先是发生阶段，然后是成长阶段。整个过程除受外界因素影响外，主要受制与晶体的格子构造特性。主要内容形成晶体的方式晶体成核晶体生长的基本理论晶面生长速度决定晶体生长形的内因影响晶体形态的外因晶体的溶解和再生长人工合成晶体的方法§5.1形成晶体的方式晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成固体，固相之间也可以直接产生转变。具体方式

2、1、气体凝华结晶：气态物质不经过液态阶段直接转变成固体。2、熔融体过冷却结晶：当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体发生。如:雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。如：水低于冰点时结晶成冰；铁水冷凝成铁的晶体。3、溶液过饱和结晶：当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。4、非晶质晶化：由非晶质体转化为晶体如：食盐的过饱和溶液中会析出食盐晶体。如：火山玻璃经长期的晶化作用而转变为石英、长石的微晶。(1)同质多象转变：在一定热力学条件下，由一种结晶相转变为另一种结晶相。它们在转变前后的成分相同，但晶体结构不同。5、

3、固态下结晶相转变（2）离溶：在一定热力学条件下，由一种结晶相分离成两种结晶相的作用。如：在高压和适当温度条件下，石墨可转变为金刚石。如：闪锌矿（ZnS）和黄铜矿（CuFeS2）在高温时为均一相固溶体，低温时分离成两种独立晶体。§5.2晶核的形成晶体形成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中形成有三个阶段：1、介质达到过饱和、过冷却阶段；2、成核阶段；3、生长阶段。成核作用与晶核晶核：从介质中析出，并达到某个临界大小，从而得以继续成长的结晶相微粒。成核作用：形成结晶相微粒的作用。以溶液情况为例，说明成核作用的

4、过程设单位体积溶液本身的自由能为g液从溶液中析出的单位体积结晶相自由能为g晶在饱和溶液中，g液＞g晶，会不会析晶？一方面：结晶相析出，利于降低体系的总自由能一方面:体系由一相变为两相，两相间产生界面，导致体系自由能增加在不饱和溶液中，g液＜g晶，不会析晶；设结晶相与液相自由能差为△Gv（＜0）两相界面表面能为△Gs（＞0）体系总自由能的变化为△G＝△Gv＋△Gs设晶核为球形，半径为r,则上式可表示为△G＝(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0△Gv0为单位体积新相形成时自由能的下降△Gs0为单位面积的新旧相界面自由能的增加过饱和溶

5、液中0+-△Gv△Gs△G＝(4/3)πr3△Gv0+4πr2△Gs0粒径为rc的晶核为临界晶核△Gc称为成核能rc和△Gc与溶液的过饱和度有关，过饱和度越高，两者值越小，成核几率越大。成核作用分为：1、均匀成核：在体系内任何部位成核率相等。2、不均匀成核：在体系的某些部位的成核率高于另一些部位。由于体系中存在某种不均匀性，如溶液中悬浮地杂质微粒，容器壁上凹凸不平，或人为地放入籽晶或成核剂等。§5.3晶体的生长晶核形成后，将进一步成长。下面介绍关于晶体生长的几种理论。1．层生长理论它是论述在晶核的光滑表而上生长一层原子面时，质点在界面

6、上进入晶格“座位”的最佳位置是具有三面凹角的位置。晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解1—三面凹角2－二面凹角3－一般位置假设晶核为由同一种原子组成的立方格子，其相邻质点的间距为a0层生长理论晶体在理想情况下生长时，先长一条行列，再长相邻的行列；在长满一层原子面后，再长相邻的一层，逐层向外平行推移。（1）晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。（2）在晶体生长的过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造。石英的带状构造此结论可解释如下一些生长现象（3）

7、由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。（4）晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或砂钟状构造。普通辉石的生长锥(a)和砂钟状构造(b)2．螺旋生长理论根据实际晶体结构的螺旋位错现象，提出了晶体的螺旋生长理论。即在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。形成螺旋位错示意图在晶体生长过程中，由于杂质或热应力的不均匀分布，在晶格内产生力内应力，当此力超过一定限度时，晶格便沿某个面网发生相对剪切位

8、移，位移截止处形成一条位错线，即螺旋位错。螺旋位错的形成位错的出现，在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源（凹角）。晶体螺旋生长示意图质点先落在凹角处。随着晶体的生长，凹角不会随质点的堆积而消失，仅仅是凹角随质点的堆积