7[1].1单晶生长

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1、第七章单晶生长主讲：范梅仙化学与材料科学学院08科学教育（一）晶体：自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态。也即：气相、液相和固相。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。晶体分为：单晶、多晶、非晶。晶体(crystals)：组成晶体的结构粒子（分子、原子、离子）在三维空间有规则地排列在一定的点上，这些点周期性地构成有一定几何形状的无限格子，叫做晶格。晶体具有以下特性：（1）均匀性；（2）各向异性；（3）固定熔点；（4）规则外形；（5）对称性。（二）晶体：（1）均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。（2）各向异性：晶

2、体种不同的方向上具有不同的物理性质。（3）固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。（4）规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。（5）对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。单晶(singlecrystal)：指凝固过程中经严谨控制，原子的聚集仅从一处成长，形成仅有一个晶粒且未具有晶界缺陷的结晶材料。多晶：指材料内的数个晶粒是由排列方向并不相同的原子群所组成，而晶粒与晶粒间会产生“晶界”的结构缺陷。非晶：非晶是从大于分子以上的尺度来看，它是一种不具规则晶体结构材料。这类材料无长程有序排列，但

3、在短程内，原子排列仍然有些规律性。一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。（三）晶体我们吃的盐是氯化钠的结晶，味精是谷氨酸钠的结晶，冬天窗户玻璃上的冰花和天上飘下的雪花，是水的结晶。水晶饰品§7.1从溶液中生长晶体基本原理：将原料溶解在溶剂中，采用适当的措施造成溶液过饱和，使晶体在其中生长。从溶液中生长晶体过程中最关键因素是控制溶液的过饱和度。外部条件对生长单晶的影响：（1）温度：a.温度越高：晶体越完善，生长越快，缺陷多。b.低温合成：-78–70oC；水热和溶剂热：70–250oC；高温合成：250oC以上；c.

4、升温、降温速度影响晶体生长与外形：越慢越好(程序控温)。（2）浓度:溶液越稀，晶体大，缺陷少，晶体数量少或没有。（3）溶剂：a.混合均匀是关键：相似相溶；充分搅拌。b.常用溶剂：水；甲醇或乙醇(<160oC);DMF二甲基甲酰胺(<90oC);DMSO二甲基亚砜(很弱的氧化性，<150oC);乙二醇；混合溶剂。（4）pH：pH值的影响相当复杂，包括通过影响溶解度，改变杂质活性等间接或直接影响晶体生长。实验培养晶体较适合的pH值是6.5-7.0。常用酸碱:HClO4;H2SO4;HCl;MOH(Na,K,Li);尿素;氨水;Et3N

5、,C6H5NR2(R=Et,Me),MeNH2等等。§7.1从溶液中生长晶体溶解中生长晶体的具体方法：降温法、流动法、蒸发法、凝胶法、电解溶剂法等。维持过饱和度的途径：根据溶解度曲线，改变温度；除去溶剂，改变溶液成分；通过化学反应控制过饱和度；用亚稳相来控制过饱和度1.降温法基本原理：利用物质较大的正溶解度温度系数，在晶体生长过程中逐渐降低温度，使析出的溶质不断在晶体上生长。关键：晶体生长过程中掌握适合的降温速度，使溶液处在亚稳态区内并维持适宜的过饱和度。要求：物质溶解度温度系数不低于1.5g/kg溶液•℃1.降温法降温法控制晶体

6、生长的关键是掌握合适的降温速度，使溶液始终处在亚稳区并维持合适的过饱和度。降温速度取决于：晶体的最大透明生长速度；溶解度的温度系数；溶液的体积V(mL)和晶体生长表面积S之比，简称体面比。最好缓慢减小降温幅度。2.流动法(温差法)优点：将溶液配置，过热处理，单晶生长等操作过程分别在整个装置的不同部位进行，而构成了一个连续的流程，可以生长大批量的晶体和培养大单晶而不受晶体溶解度和溶液体积的限制。1.原料2.过滤器3.泵4.晶体5.加热电阻丝3.蒸发法基本原理：将溶剂不断蒸发，使溶液保持在过饱和状态，从而使晶体不断生长。特点：比较适合

7、于溶解度较大而溶解温度系数很小或者是具有负温度系数的物质。与流动法一样也是在恒温条件下进行的。4.凝胶法基本原理：以凝胶作为扩散和支持介质，使一些在溶液中进行的化学反应通过凝胶扩散，缓慢进行。优点：适于生长溶解度十分小的难溶或对热敏感的物质的晶体。缺点：在溶液凝胶界面附近浓度剃度较大，容易形成较多的晶核，堵塞扩散路径。CaCl2浓溶液含酒石酸的凝胶长成的酒石酸钙晶体(a)(b)5.电解溶剂法基本原理：电解法来分解溶剂，使溶液处于过饱和状态。只适用于溶剂可以被电解并且其产物容易从溶液中移去的体系，同时要求培养的晶体物质在溶液中能导电

8、而又不电解。特别适用于稳定的离子晶体的水溶液体系。Theend!Thankyou!