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1、北京石油化工学院学报第14卷第2期Vol.14No.2JournalofBeijingInstituteof2006年6月June2006Petro2chemicalTechnology晶体生长机理的研究综述12郝保红黄俊华(1北京石油化工学院机械工程系,北京102617;2中国石油大学机电工程学院,北京102249)摘要控制晶体生长使材料达到最高的强度可以采取两条相反的途径:一是尽量增大位错密度,非晶态材料就可看成是位错密度极高的材料;二是尽量减少位错密度,晶须就是这种方法的一个实例。晶体生长理论研究
2、包括晶体成核理论、输运理论、界面稳定性理论、界面结构理论和界面动力学理论的体系。揭示了晶体生长的基本过程,介绍了晶体生长的机理,概述了晶体生长理论研究的技术和控制晶体生长的途径及手段,阐述晶体生长研究的发展方向,以及晶体生长与界面相的关系。这将对晶体生长的实践起着一定的指导作用。晶体生长理论研究的发展方向是使晶体生长过程可视化,这也是晶体生长实验技术的最终目标。关键词晶体结构;晶界;晶须;扩散;成核中图法分类号O78晶体生长机理是研究金属材料的基础,它原子、分子,也可以是具有一定几何构型的原子本质上就是
3、理解晶体内部结构、缺陷、生长条件(分子)聚集体。所谓的“基元”过程包括以下主和晶体形态之间的关系。通过改变生长条件来要步骤:控制晶体内部缺陷的形成,从而改善和提高晶(1)基元的形成:在一定的生长条件下,环体的质量和性能,使材料的强度大大增强,开发境相中物质相互作用,动态地形成不同结构形材料的使用潜能。式的基元,这些基元不停地运动并相互转化,随晶体生长研究已从一种纯工艺性研究逐步时产生或消失。发展形成晶体制备技术研究和晶体生长理论研(2)基元在生长界面的吸附:由于对流、热究两个主要方向。两者相互渗透、相互
4、促进。力学无规则的运动或原子间的吸引力,基元运晶体制备技术研究为晶体生长理论研究提供了动到界面上并被吸附。丰富的对象;而晶体生长理论研究又力图从本(3)基元在界面的运动:基元由于热力学的质上揭示晶体生长的基本规律,进而指导晶体驱动,在界面上迁移运动。制备技术研究。(4)基元在界面上结晶或脱附:在界面上依附的基元,经过一定的运动,可能在界面某一适1晶体生长的基本过程当的位置结晶并长入固相,或者脱附而重新回从宏观角度看,晶体生长过程是晶体-环到环境相中。境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推晶体内部结
5、构、环境相状态及生长条件都移的过程,也就是由包含组成晶体单元的母相将直接影响晶体生长的“基元”过程。环境相及从低秩序相向高度有序晶相的转变。生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之从微观角度来看,晶体生长过程可以看作中;而不同结构的生长基元在不同晶面族上的一个“基元”过程,所谓“基元”是指结晶过程中吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结最基本的结构单元,从广义上说“,基元”可以是构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态。对于同一晶体,不同的生长条件可能产生收稿日期:2005208231不同结构的生
6、长基元,最终形成不同形态的晶第2期郝保红等.晶体生长机理的研究综述59体。同种晶体可能有多种结构的物相,即同质晶体的生长。异相体。这也是由于生长条件不同、“基元”过程不同而导致的结果。生长机理如下:111扩散控制机理从溶液相中生长出晶体,首要的问题是溶质必须从过饱和溶液中运送到晶体表面,并按照晶体结构重排。若这种运送受速率控制,则扩散和对流将会起重要作用。当晶体粒度不大于10μm时,在正常重力场或搅拌速率很低的情况下,晶体的生长机理为扩散控制机理。112成核控制机理在晶体生长过程中,成核控制远不如扩散控
7、制那么常见。但对于很小的晶体,可能不存在位错或其它缺陷,生长是由分子或离子一层一层地沉积而得以实施,各层均由离子、分子或低聚合度的基团沉积所成的“排”所组成,因此,图1层错机制中台阶的产生过程对于成核控制的晶体生长,成核速率可看作是晶体生长速率。2晶体生长理论研究的基本科学当晶体的某一层长到足够大且达到一定边问题界时,由于来自溶液中的离子在完整表面上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止,单个实际晶体中也不是所有原子都严格的按周表面晶核和溶液之间达成不稳定状态。期性规律排列的,因为晶体中存在着一些微小11
8、3位错控制机理的区域,在这些区域内或穿过这些区域时,原子当溶液的饱和比小于2时,表面成核速率排列的周期性将受到破坏。这样的区域称为晶极低,如果每个表面晶核只能形成一个分子层,体缺陷。按照缺陷区相对于晶体的大小,可将则晶体生长的实际速率只能是零。事实上,很晶体缺陷分为以下四类:多实验表明,即使在S=1101的低饱和比条件(1)点缺陷:如果在任何方向上缺陷区的尺下,晶体都能很容易地进行生长,这不可能用表寸都远小于晶体或晶粒的线度而可以忽略不[3
