晶體生長的基本規(guī)律課件

1、第2章 晶體生長的基本規(guī)律第2章 晶體生長的基本規(guī)律主要教學內(nèi)容晶體生長*晶面的發(fā)育*影響晶體生長的外部因素晶體生長技術(shù)簡介主要教學內(nèi)容晶體生長*2.1 晶體的形成方式2.1 晶體的形成方式氣態(tài)物質(zhì)處于低蒸汽壓和較低的溫度下。 火山裂縫噴氣孔附近的自然硫沉積氣-固結(jié)晶作用氣態(tài)物質(zhì)處于低蒸汽壓和較低的溫度下。 從溶液中結(jié)晶溶液過飽和 c = c ceq c：絕對過飽和度； c：溶液濃度；ceq ：溶解度通過化學反應生成難溶物質(zhì)CaNO3+Na2CO3=CaCO3 + NaNO3Ca(OH)2+H3PO4= Ca5(PO4)3(OH) +H2O 液-固結(jié)晶作用從溶液中結(jié)晶 液-固結(jié)晶作用從熔體中結(jié)

2、晶 條件：熔體過冷卻 T = Tf T ； Tf ：熔點； T ：熔體溫度； T： 絕對過冷度， 從熔體中結(jié)晶 同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變 石墨在高壓條件下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。固相反應結(jié)晶 CaO+SiO2=Ca2SiO3 重結(jié)晶 脫玻化 固-固結(jié)晶作用同質(zhì)多像轉(zhuǎn)變 固-固結(jié)晶作用 青海察爾汗鹽湖中鹽花結(jié)晶體 青海察爾汗鹽湖中鹽花結(jié)晶體石鐘乳、石筍、石柱石鐘乳、石筍、石柱巖漿巖的形成How Igneous Rock Is Formed巖漿巖的形成How Igneous Rock Is For天然熔體：巖漿天然熔體：巖漿Heat some solvent to boiling. Place the solid to

3、 be recrystallized in an Erlenmeyer flask. 鹽溶液的結(jié)晶實驗Pour a small amount of the hot solvent Into the flask containing the solid. Heat some solvent to boiling. Swirl the flask to dissolve the solid. Place the flask on the steam bath to keep the solution warm. Swirl the flask to dissolve thIf the solid

4、is still not dissolved, add a tiny amount more solvent and swirl again. When the solid is all in solution, set it on the bench top. Do not disturb it! If the solid is still not dissAfter a while, crystals should appear in the flask. You can now place the flask in an ice bath to finish the crystalliz

5、ation process After a while, crystals shouldClose-up of pictures forming in a flaskClose-up of pictures forming i2.2 晶體的生長2.2 晶體的生長晶體形成的三個階段介質(zhì)的過飽和或過冷卻階段；成核階段；生長階段。晶體形成的三個階段晶核上的三種位置三面凹角二面凹角一般位置層生長理論假設：晶體由單原子構(gòu)成的立方晶胞堆積而成，相鄰質(zhì)點間 距為a。晶體的生長的基本理論a晶核上的三種位置三面凹角二面凹角一般位置層生長理論晶體的 a1.414a1.732a 三面凹角 3 6 4 二面凹角 2

6、6 4 一般位置 1 4 4三種位置上最鄰近的質(zhì)點數(shù)三面凹角二面凹角一般位置 a1.414a1.732a 三面凹角 3 質(zhì)點的堆積順序三面凹角二面凹角一般位置。 質(zhì)點的堆積順序 晶體的理想生長過程在晶核的基礎(chǔ)上，逐行生長，直到長滿一層面網(wǎng)，再長相鄰面網(wǎng)，如此逐層向外推移；生長停止后，最外層面網(wǎng)就是實際晶面，相鄰面網(wǎng)的交棱就是實際晶棱。晶體的理想生長過程層生長理論可以解釋的現(xiàn)象晶體的幾何多面體形態(tài)晶體中的環(huán)帶構(gòu)造電氣石橫截面上的環(huán)帶藍寶石中的六方環(huán)狀生長紋層生長理論可以解釋的現(xiàn)象電氣石橫截面上的環(huán)帶藍寶石中的六方某些晶體內(nèi)部的沙鐘構(gòu)造。同種晶體的不同個體，對應晶面間的夾角不變。 普通輝石的砂鐘構(gòu)

7、造某些晶體內(nèi)部的沙鐘構(gòu)造。 普通輝石的砂鐘構(gòu)造晶體的階梯狀生長晶體的階梯狀生長晶面上階梯狀的生長紋晶面上階梯狀的生長紋晶體的螺旋狀生長晶體的螺旋狀生長 晶體的螺旋狀生長晶體的螺旋狀生長 石墨底面上的生長螺紋石墨底面上的生長螺紋2.3 晶面的發(fā)育2.3 晶面的發(fā)育實際晶體往往為面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)所包圍。晶面生長速度：晶面在單位時間內(nèi)沿法線方向向外推移的距離。布拉維法則 晶面法線方向?qū)嶋H晶體往往為面網(wǎng)密度大的面網(wǎng)所包圍。布拉維法則 晶面法ABCDab面網(wǎng)密度ABCDBC生長速度快生長速度慢ABCDab面網(wǎng)密度ABCDBC生長速度快生長速度面網(wǎng)密度大，生長速度慢；面網(wǎng)密度小，生長速度快。生長速度最快的

8、面網(wǎng)消縮最快。布拉維法則以簡化條件為前提，沒有考慮溫度、壓力、濃度、雜質(zhì)等對晶面生長速度產(chǎn)生影響。面網(wǎng)密度大，生長速度慢； 居里：晶體生長的平衡態(tài)表面能最小。 吳里夫：生長速度快的晶面表面能大。居理吳里夫原理 居理吳里夫原理周期鍵鏈（ Periodic Bond Chain ）理論在晶體結(jié)構(gòu)中存在一系列周期性的強鍵鏈, 其重復特征與晶體結(jié)構(gòu)中質(zhì)點的重復一致。按鍵鏈的多少，可將晶體生長過程中可能出現(xiàn)的晶面分為三種類型。周期鍵鏈（ Periodic Bond Chain ）理論F面：平坦面S面： 階梯面K面：扭折面 F面發(fā)育成較大的面；K面罕見或缺失箭頭A、B、C指示強健PBC方向F面：S面： K

9、面： F面發(fā)育成較大的面；K面罕見或缺失箭頭2.4 影響晶體生長的外部因素2.4 影響晶體生長的外部因素左：溫度較高時形成； 右：常溫下形成方解石（CaCO3）晶體形態(tài) 溫度左：溫度較高時形成； 右：常溫下形成方解石（CaCO3） 雜質(zhì)的吸附將改變晶面的比表面自由能，結(jié)果使晶面的生長速度發(fā)生變化。溶液中含有少量硼酸NaCl晶體溶液中不含有雜質(zhì)雜質(zhì) 雜質(zhì)的吸附將改變晶面的比表面自由能，結(jié)果使晶面的生長速度 介質(zhì)粘度大，會影響物質(zhì)的運移和供給。由于晶體的棱和角頂處較易于接受溶質(zhì)，因此生長較快；晶面中心生長較慢，甚至不生長，結(jié)果形成骸晶。介質(zhì)粘度 介質(zhì)粘度大，會影響物質(zhì)的運移和供給。由于晶體的棱和角

10、 介質(zhì)富含Al2O3；Y3Al2AlO43）晶形介質(zhì)富含Y2O3 組分的相對濃度 介質(zhì)富含Al2O3；Y3Al2AlO43）晶渦流使生長晶體的物質(zhì)供應不均勻。渦流對晶體形態(tài)的影響渦流渦流使生長晶體的物質(zhì)供應不均勻。渦流對晶體形態(tài)的影響渦流愛和感謝 真噁心討厭， 我要殺了你 良善的訊息可以產(chǎn)生美麗的水結(jié)晶 照片日本IHM研究所江本勝博士愛和感謝 真噁心討厭， 良善的訊息可以產(chǎn)生美麗的水結(jié)晶 照聽田園交響曲 聽離別曲 聽重金屬音樂聽田園交響曲 聽離別曲 聽重金屬音樂2.5 晶體的人工生長技術(shù)2.5 晶體的人工生長技術(shù) 特點：裝置簡單，成本低，產(chǎn)量大。原理：原料在火焰中熔融，在籽晶上結(jié)晶。設備與生產(chǎn)

11、過程(以剛玉為例)燃燒溫度：2200(剛玉的熔點為2050)。晶體生長速率： lcm/h。焰熔法 特點：裝置簡單，成本低，產(chǎn)量大。焰熔法焰熔法合成晶體生產(chǎn)過程中生長結(jié)束焰熔法合成晶體生產(chǎn)過程中生長結(jié)束生產(chǎn)過程結(jié)束生產(chǎn)過程結(jié)束 提拉法(Czochralski Process ) 又稱丘克拉斯基法。主要用來生長高質(zhì)量的晶體。半導體單晶：單晶Si、單晶Ge；固體激光器的核心材料：紅寶石(Al2O3)、摻釹釔鋁榴石(Nd:Y3Al5O12)重要的壓電材料：鈦酸鋇(BaTiO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)；熱釋電材料：鈮酸鋰(LiNbO3)，用于紅外探測和紅外攝像等技術(shù)。 提拉法(Czochralski

12、Process )原理原料在坩堝中加熱熔化，并在與熔體表面接觸的籽晶上結(jié)晶。設備隔熱材料生長晶體窗口銥坩堝耐火材料射頻線圈提拉法裝置結(jié)構(gòu)示意圖原理隔熱材料提拉法裝置結(jié)構(gòu)示意圖 提拉法生長晶體過程 提拉法生長晶體過程提拉法生產(chǎn)晶體設備提拉法生產(chǎn)晶體設備 專門用于生產(chǎn)立方氧化鋯-光學和激光基質(zhì)材料。原理： 氧化鋯的熔化溫度為2750oC。沒有容器能夠承受如此高的溫度。因此，這種方法沒有專門的坩堝，而是巧妙地利用原料作為坩堝。殼熔法-冷坩堝法 專門用于生產(chǎn)立方氧化鋯-光學和激光基質(zhì)材料。殼熔法 設備 設備晶體生長的基本規(guī)律課件晶體生長的基本規(guī)律課件Cubic Zirconia Rough Crystals(Skull Melting Process) Corundum Rough Crystals (Verneuil Process) Cubic Zirconia Rough Crystals(生產(chǎn)過程氧化鋯粉末和穩(wěn)定劑裝在由冷卻銅管組成的金屬杯內(nèi)，在粉末中心放入引燃用的鋯金屬粉末或鋯金屬棒。然后由高頻線圈加熱。高頻使鋯金屬熔化，熔化部分向外蔓延，引燃周圍的粉末。緊靠著杯壁的粉末在循環(huán)冷劑的作用下保持固態(tài)，構(gòu)成一層薄薄的外殼熔殼，這個熔殼厚不足lmm。生產(chǎn)過程待坩堝內(nèi)的物質(zhì)達到完全熔融后，將坩堝從加熱區(qū)緩緩移開，坩堝內(nèi)的物質(zhì)開始冷卻，結(jié)晶從殼底開