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1、晶体的生长机制一、概述晶体生长机理本质上就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,从而改善和提高晶体的质量和性能,使材料的强度大大增强,开发材料的使用潜能。晶体生长研究已从一种纯工艺性研究逐步发展形成晶体制备技术研究和晶体生长理论研究两个主要方向。两者相互渗透、相互促进。晶体制备技术研究为晶体生长理论研究提供了丰富的对象;而晶体生长理论研究又力图从本质上揭示晶体生长的基本规律,进而指导晶体制备技术研究。二、晶体生长的基本过程从宏观角度看,晶体生长过程是晶体—环境相(蒸气、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的过程,也就是由包含组成晶
2、体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变。从微观角度来看,晶体生长过程可以看作一个“基元”过程,所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元,从广义上说,可以是原子、分子,也可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体。“基元”过程的主要步骤：基元在界面的运动基元在界面上结晶或脱附基元的形成基元在界面上结晶或脱附基元在生长界面的吸附基元在生长界面的吸附三、晶体的生长机理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
3、生长机理为扩散控制机理。成核控制机理在晶体生长过程中,成核控制远不如扩散控制那么常见。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,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。当晶体的某一层长到足够大且达到一定边界时,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,单个表面晶核和溶液之间达成不稳定状态。位错控制机理当溶液的饱和比小于2时,表面成核速率极低,如果每个表面晶核只能形成一个分子层,则晶体生长的实际速率只能是零。事实上,很多实验表明,即使在S=
4、1101的低饱和比条件下,晶体都能很容易地进行生长,这不可能用表面成核机理来解释。1949年Frank[3]指出,在这种情况下晶体的生长是由于表面绕着一个螺旋位错进行的缠绕生长,螺旋生长的势能可能要比表面成核生长的势能大,但是,表面成核一旦达到层的边界就会失去活性,而螺旋位错生长却可生长出成百万的层。由于层错过程中,原子面位移距离不同,可产生不同类型的台阶(如图1)。台阶的高度小于面间距,被称为亚台阶;高度等于面间距的台阶则称为全台阶。这两类台阶都能成为晶体生长中永不消失的台阶源。综合控制机理晶体生长事实上是极为复杂的过程,特别是自溶液中的生长,一般情况下,控制晶体生长的机理都不止一种,
5、而是由单核层机理、多核层机理和扩散控制生长机理的综合作用,控制着晶体的生长。四、晶体的生长模型晶体生长的三个阶段：首先是介质达到过饱和、过冷却阶段；其次是成核阶段，即晶核形成阶段；最后是晶体的生长阶段。一旦晶核形成后，就形成了晶－液界面，在界面上就要进行生长，即组成晶体的原子、离子要按照晶体结构的排列方式堆积起来形成晶体。1．层生长理论模型（科赛尔-斯兰特斯基理论理论模型）科赛尔首先提出，后经斯兰特斯基加以发展的晶体的层生长理论这一模型要讨论的关键问题是：在一个正在生长的晶面上寻找出最佳生长位置，有平坦面、两面凹角位、三面凹角位。其中平坦面只有一个方向成键，两面凹角有两个方向成键，三面凹
6、角有三个方向成键，见图：因此，最佳生长位置是三面凹角位，其次是两面凹角位，最不容易生长的位置是平坦面。这样，最理想的晶体生长方式就是:先在三面凹角上生长成一行，以至于三面凹角消失，再在两面凹角处生长一个质点，以形成三面凹角，再生长一行，重复下去。但是，实际晶体生长不可能达到这么理想的情况，也可能一层还没有完全长满，另一层又开始生长了，这叫阶梯状生长，后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。总之，层生长理论的中心思想是：晶体生长过程是晶面层层外推的过程。但是，层生长理论有一个缺陷：当将这一界面上的所有最佳生长位置都生长完后，如果晶体还要继续生长，就必须在这一平
7、坦面上先生长一个质点，由此来提供最佳生长位置。这个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核，形成这个二维核需要较大的过饱和度，但许多晶体在过饱和度很低的条件下也能生长，为了解决这一理论模型与实验的差异，弗兰克(Frank)于1949年提出了螺旋位错生长机制。2．螺旋生长理论模型（BCF理论模型）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（6.12）可以作为晶体生长的台阶源，促进光滑界面上的生长。这样就解释
