晶體生長方式PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1晶體生長方式晶體生長方式存在于存在于幾個(gè)幾個(gè) 原子層原子層內(nèi)內(nèi)空位空位作為液相中原子堆砌的作為液相中原子堆砌的臺(tái)階臺(tái)階晶體在生長過程中界晶體在生長過程中界面上的臺(tái)階始終存在面上的臺(tái)階始終存在（保持粗糙界面）保持粗糙界面）第1頁/共24頁因此，液體中的原子可以在整個(gè)界面上因此，液體中的原子可以在整個(gè)界面上連續(xù)沉積連續(xù)沉積，促使界面便，促使界面便連續(xù)、均連續(xù)、均勻地垂直生長勻地垂直生長。沉積到界面上的原子沉積到界面上的原子 受到受到前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用較大前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用較大，結(jié)合牢固、，結(jié)合牢固、不易反彈或脫落不易反彈或脫落。連續(xù)生長連續(xù)生長、垂直生長垂直生長或或正常生長正常

2、生長 生長過程：生長過程： 隨風(fēng)潛入夜、潤物細(xì)無隨風(fēng)潛入夜、潤物細(xì)無聲聲生長方式：生長方式： 雨打沙灘雨打沙灘生長形態(tài)：生長形態(tài)： 沙沙 堆堆第2頁/共24頁原子尺度光滑界面其原子尺度光滑界面其單個(gè)原子單個(gè)原子與與晶面晶面的的結(jié)合較弱結(jié)合較弱，容易脫離界面，容易脫離界面，液相中的原子要在完整晶面上，液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困難直接堆砌很困難。由于缺少。由于缺少現(xiàn)成的臺(tái)階作為接納新原子的角落，堆砌上去的原子也很不穩(wěn)現(xiàn)成的臺(tái)階作為接納新原子的角落，堆砌上去的原子也很不穩(wěn)定，定，極易脫落或彈回。極易脫落或彈回。因此不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)因此不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)生長機(jī)制進(jìn)

3、行生長。生長機(jī)制進(jìn)行生長。 界面的推移具有界面的推移具有不連續(xù)性不連續(xù)性，并且有，并且有橫向生長橫向生長的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。側(cè)向生長、沿面生長或?qū)訝钌L側(cè)向生長、沿面生長或?qū)訝钌L。 能量起伏能量起伏首先首先在界面上形成單原子厚度的在界面上形成單原子厚度的二維晶核二維晶核然后然后利用其周圍臺(tái)階沿著界面利用其周圍臺(tái)階沿著界面橫向擴(kuò)展橫向擴(kuò)展，直到長，直到長滿一層后，界面就向液相前進(jìn)了一個(gè)晶面間距滿一層后，界面就向液相前進(jìn)了一個(gè)晶面間距。 這時(shí)，又必須利用二維形核產(chǎn)生這時(shí)，又必須利用二維形核產(chǎn)生新臺(tái)階新臺(tái)階，才能開始新一層的生長，才能開始新一層的生長，周而復(fù)始地進(jìn)行。，周而復(fù)始地進(jìn)行。 第3頁/共24

4、頁粗糙界面的連續(xù)長大速度為（粗糙界面的連續(xù)長大速度為（TurnbullTurnbull） 式中式中1 1是連續(xù)長大系數(shù)是連續(xù)長大系數(shù)。KKmmLTTaKTHDR12 一般一般1 1 1 1100cm/(100cm/(s sK K) )，因此在很小的過冷度下就可以獲得，因此在很小的過冷度下就可以獲得極極高的生長速度高的生長速度。 實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長速度約為實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長速度約為1010-2-2cm/scm/s，由此推算出，由此推算出的動(dòng)力學(xué)過冷度的動(dòng)力學(xué)過冷度T TK K1010-2-21010-4-4 K K，小到無法測(cè)量的程度。，小到無法測(cè)量的程度。 動(dòng)力學(xué)過冷度是晶體生長的

5、必要條件動(dòng)力學(xué)過冷度是晶體生長的必要條件近期研究：近期研究：其它過冷度大于其它過冷度大于 TkTk時(shí)，用實(shí)際過冷度代替時(shí)，用實(shí)際過冷度代替第4頁/共24頁生長過程：生長過程：大珠小珠落玉盤大珠小珠落玉盤生長方式：生長方式： 突擊隊(duì)員突擊隊(duì)員生長形態(tài)：生長形態(tài)： 樓樓 梯梯第5頁/共24頁第6頁/共24頁二維形核特點(diǎn)二維形核特點(diǎn)u二維形核的二維形核的熱力學(xué)熱力學(xué)能障較高；能障較高；u由于界面的突變性質(zhì)，其由于界面的突變性質(zhì)，其動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)能障比較大，能障比較大，生長比較困難。生長比較困難。u因此過程需要因此過程需要較大的動(dòng)力學(xué)過冷較大的動(dòng)力學(xué)過冷來驅(qū)動(dòng)，生長來驅(qū)動(dòng)，生長速度速度也比連續(xù)生也比連續(xù)

6、生長長低低。u定量：界面生長速度定量：界面生長速度R與與動(dòng)力學(xué)過冷度動(dòng)力學(xué)過冷度TK的關(guān)系？的關(guān)系？KTbeR2 其中其中 2，b 為動(dòng)力學(xué)常數(shù)；為動(dòng)力學(xué)常數(shù)； TK 動(dòng)力學(xué)過冷度。動(dòng)力學(xué)過冷度。 當(dāng)當(dāng)TK低于某臨界值時(shí)，低于某臨界值時(shí)，R幾乎為零；幾乎為零； 一旦超過該值，一旦超過該值，R急劇地大。急劇地大。 此臨界值約為此臨界值約為12 K，比連續(xù)生長所需的過冷度約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。，比連續(xù)生長所需的過冷度約大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。第7頁/共24頁 由于二維晶核各生長表面在長大過程中始終保持由于二維晶核各生長表面在長大過程中始終保持平整，最后形成的晶體是平整，最后形成的晶體是以許多小平面為生長以許多小平

7、面為生長表面的表面的多面體多面體。 粗糙的外表面粗糙的外表面 這種這種晶體棱角分明晶體棱角分明,稱為多面體晶體，其生長方稱為多面體晶體，其生長方式稱為式稱為小平面生長小平面生長。 以以粗糙界面粗糙界面長大形成表面光滑的晶體則稱為長大形成表面光滑的晶體則稱為非多非多面體晶體。面體晶體。 第8頁/共24頁光滑界面生長困難晶體怎么偷懶？第9頁/共24頁螺旋位錯(cuò)生長機(jī)制螺旋位錯(cuò)生長機(jī)制 在光滑界面上一旦發(fā)生螺旋位錯(cuò)時(shí)，界面就由平面變成螺旋面，并產(chǎn)生在光滑界面上一旦發(fā)生螺旋位錯(cuò)時(shí)，界面就由平面變成螺旋面，并產(chǎn)生與界面垂直的壁而構(gòu)成臺(tái)階與界面垂直的壁而構(gòu)成臺(tái)階 。因此，通過原子在臺(tái)階上的不斷堆砌，因此，通

8、過原子在臺(tái)階上的不斷堆砌，圍繞著壁而旋轉(zhuǎn)生長，不斷地向著液相縱深發(fā)展，圍繞著壁而旋轉(zhuǎn)生長，不斷地向著液相縱深發(fā)展，最終在晶體表面形成螺旋形的螺線。最終在晶體表面形成螺旋形的螺線。第10頁/共24頁第11頁/共24頁第12頁/共24頁23KTR 螺型位錯(cuò)對(duì)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)有重要影響。螺型位錯(cuò)對(duì)鑄鐵中石墨結(jié)晶形態(tài)有重要影響。 鑄鐵中的石墨屬于小平面相，它的鑄鐵中的石墨屬于小平面相，它的形態(tài)取決于各個(gè)晶向的生長速形態(tài)取決于各個(gè)晶向的生長速率的差別：率的差別： 當(dāng)當(dāng)R 小于小于 R 時(shí)，就會(huì)形成由時(shí)，就會(huì)形成由0001面所包圍的面所包圍的片狀片狀石墨；石墨； 如果如果R小于小于R時(shí)，則將形成六棱柱狀

9、，并趨向于時(shí)，則將形成六棱柱狀，并趨向于徑向生長，其顯微形狀呈徑向生長，其顯微形狀呈球形球形，因此稱為球墨鑄鐵。，因此稱為球墨鑄鐵。第13頁/共24頁 通過孿晶生長的機(jī)制通過孿晶生長的機(jī)制第14頁/共24頁第15頁/共24頁（1）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長大仍須）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿后即消失，要進(jìn)一步長大仍須 再再產(chǎn)生二維晶核；產(chǎn)生二維晶核；(間斷式生長間斷式生長)（2）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長過程中不會(huì)消失；）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：這種螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長過程中不會(huì)消失；（3）孿晶面機(jī)制：長大過程中溝槽可保持下去，長大不斷地進(jìn)行。）孿晶面機(jī)制：長大過程中溝槽可

10、保持下去，長大不斷地進(jìn)行。第16頁/共24頁對(duì)于依賴缺陷生長，請(qǐng)給出形象的比對(duì)于依賴缺陷生長，請(qǐng)給出形象的比喻喻生長過程：生長過程：繞樹三匝，鵲鳥可依繞樹三匝，鵲鳥可依 曹操詩句:繞樹三匝,何枝可依.”生長方式：生長方式： ？生長形態(tài)：生長形態(tài)： ？第17頁/共24頁1、垂直生長、垂直生長2、二維形核生長、二維形核生長3、螺旋位錯(cuò)生長、螺旋位錯(cuò)生長21mkmTRTHDRkTbRexp22233kTR4-3-4 生長動(dòng)力學(xué)生長動(dòng)力學(xué)與晶體形態(tài)與晶體形態(tài)第18頁/共24頁立方晶體開始時(shí)以立方晶體開始時(shí)以(100)晶面晶面(左側(cè)圖左側(cè)圖)為外表面生長，由于為外表面生長，由于(100)面比面比(111

11、)面生面生長得更快，它將會(huì)變成以長得更快，它將會(huì)變成以(111)面為外表面生長面為外表面生長(a)。雜質(zhì)往往會(huì)改變特定面的。雜質(zhì)往往會(huì)改變特定面的生長特性，使同一種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的生長形態(tài)。如果生長特性，使同一種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的生長形態(tài)。如果(110)面生長得最面生長得最慢，將會(huì)形成菱形十二面體慢，將會(huì)形成菱形十二面體(b)。由于。由于低指數(shù)面一般都是生長最慢的面低指數(shù)面一般都是生長最慢的面，因此，因此，它們決定著晶體的生長特性。由最小生長速率所確定的生長模式與沒有生，它們決定著晶體的生長特性。由最小生長速率所確定的生長模式與沒有生長的平衡模式并不相同，后者是以保持總界面能最小為原則的

12、。長的平衡模式并不相同，后者是以保持總界面能最小為原則的。小平面晶體生長形態(tài)的演變過程小平面晶體生長形態(tài)的演變過程第19頁/共24頁晶核晶核長大后宏觀形貌長大后宏觀形貌不同溫度梯度時(shí)不同溫度梯度時(shí)長大方式及組織長大方式及組織形態(tài)形態(tài)在正溫度梯度條件下在正溫度梯度條件下光滑界面：小平面方式長大，光滑界面：小平面方式長大， 規(guī)則幾何外形。規(guī)則幾何外形。粗造界面：小平面方式長大，粗造界面：小平面方式長大， 平面狀；平面狀；在負(fù)溫度梯度條件下在負(fù)溫度梯度條件下樹枝狀方式長大，樹枝狀晶體；樹枝狀方式長大，樹枝狀晶體； 較小時(shí)樹枝方式長大較小時(shí)樹枝方式長大, ,帶有小平面的枝晶。帶有小平面的枝晶。較大時(shí)平面方