晶體生長機(jī)理及其培養(yǎng)

關(guān)于晶體生長機(jī)理及其培養(yǎng)第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月一、從天然晶體到人工晶體晶體：構(gòu)成物質(zhì)的原子、分子在空間作長程有序的排列，形成具有一定的點陣結(jié)構(gòu)的固體。所謂長程有序就是由一些相同的質(zhì)點（基元）在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布。即至少在微米級的范圍內(nèi)是有序的排列。這些質(zhì)點代表原子、離子、分子或基團(tuán)。

第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體分成天然晶體和人工晶體第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月古代制鹽術(shù)國外最早由文字記載的人工合成晶體工作是1540年，勃林古西歐首先詳細(xì)記錄了硝石的濾取及其重結(jié)晶提純的過程。中國的晶體生長工作可追溯到一千多年以前，宋代程大昌所著《演繁露》記載道：“鹽已成鹵水，暴烈日，即成方印，潔白可愛，初小漸大，或數(shù)千印累累相連。”這就是用蒸發(fā)法從過飽和溶液中中生長食鹽晶體的方法。第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.晶體應(yīng)用和人工晶體的發(fā)展當(dāng)物質(zhì)以晶體狀態(tài)存在時，將表現(xiàn)出其它物質(zhì)狀態(tài)所沒有的優(yōu)異的物理性能，因而是人類研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的重要基礎(chǔ)。

第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月由于能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、光、聲和力的相互作用和轉(zhuǎn)換，晶體還是電子器件、半導(dǎo)體器件、固體激光器件及各種光學(xué)儀器等工業(yè)的重要材料。被廣泛地應(yīng)用于通信、宇航、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、建筑學(xué)、軍事技術(shù)等領(lǐng)域。第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.人工晶體的分類第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體形成的科學(xué)第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1.相變過程1.從熔體中結(jié)晶當(dāng)溫度低于熔點時，晶體開始析出，也就是說，只有當(dāng)熔體過冷卻時晶體才能發(fā)生。如水在溫度低于零攝氏度時結(jié)晶成冰；金屬熔體冷卻到熔點以下結(jié)晶成金屬。

由液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟?0頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月從溶液中結(jié)晶當(dāng)溶液達(dá)到過飽和時，才能析出晶體。主要有以下幾種方式：溫度降低，由于一般溶質(zhì)的溶解度隨溫度的降低而降低，逐漸析出，也叫冷卻過飽和溶液法。溶劑蒸發(fā)，也叫自然揮發(fā)法。是指飽和或不飽和溶液中，隨著溶劑的揮發(fā)，溶質(zhì)逐漸析出。通過化學(xué)反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)。第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔?/p>

從氣相直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟臈l件是要有足夠低的蒸汽壓。在火山口附近常由火山噴氣直接生成硫、碘或氯化鈉的晶體。雪花就是由于水蒸氣冷卻直接結(jié)晶而成的晶體。第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

由固相再結(jié)晶為固相①同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變：所謂同質(zhì)多相轉(zhuǎn)變是指某種晶體，在熱力學(xué)條件改變時轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N在新條件下穩(wěn)定的晶體。它們在轉(zhuǎn)變前后的成分相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同。②由固態(tài)非晶質(zhì)結(jié)晶：火山噴發(fā)出的熔巖流迅速冷卻，固結(jié)為非晶質(zhì)的火山玻璃。這種火山玻璃經(jīng)過千百年以上的長時間以后，可逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶質(zhì)。第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2.晶核的形成(晶體的發(fā)生)

②晶體的成長。

晶核(亦稱晶芽):

是晶體生長最原始的胚胎(生長點),

是極微小的微晶粒，是晶體成長的中心。

外來晶核，非自成的。例如人工合成水晶，就是在溶液中放入一個石英晶粒(籽晶)作為晶核。

當(dāng)過冷卻或過飽和度很高時,產(chǎn)生的晶核數(shù)目多;反之則少.

晶體形成全過程包括兩個階段形成晶核的條件

自發(fā)晶核(質(zhì)點聚合)①溶液過飽和②熔體過冷卻①形成晶核。第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3.晶體的成長

實際上是晶核形成后，質(zhì)點按格子構(gòu)造規(guī)律在晶核上不斷地堆積過程。

晶體生長的兩種主要理論：

1.層生長理論:

要討論的關(guān)鍵問題是:在一個面尚未生長完全前,在這一界面上找出最佳生長位置。晶體理想生長過程中質(zhì)點堆積順序的圖解123位置1-三面凹角;位置2-兩面凹角;位置3-一般位置第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖表示質(zhì)點往晶芽上堆積時，在其表面只有三種可能的堆積位置1、2和3,分別稱為三面凹角、兩面凹角和一般位置.每種位置上因成鍵數(shù)目不同,新質(zhì)點就位后的穩(wěn)定程度亦不同。

因此，最佳生長位置是三面凹角位，其次是兩面凹角位,最不容易生長的位置是平坦面。

這樣，最理想的晶體生長方式就是:先在三面凹角上生長成一行，以至于三面凹角消失，再在兩面凹角處生長一個質(zhì)點，以形成三面凹角，再生長一行，重復(fù)下去。

位置

最近質(zhì)點間的成鍵數(shù)

新質(zhì)點就位后的穩(wěn)定程度1-三面凹角2-兩面凹角3-一般位置3(釋放出能量最大)2(釋放出能量較大)1(釋放出能量最小)最穩(wěn)定(最有利的生長位置)次穩(wěn)定(次有利的生長位置)不穩(wěn)定(最不利的生長位置)第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月層生長過程第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

結(jié)論:

晶體在理想情況下生長時,

一旦有三面凹角存在,質(zhì)點則優(yōu)先沿三面凹角位置生長一條行列;而當(dāng)這一條行列長滿后,

就只有兩面凹角了,質(zhì)點就只能在兩面凹角處生長,這時又會產(chǎn)生三面凹角位置,然后將重復(fù)上述過程生長相鄰行列;

在長滿一層面網(wǎng)后,

質(zhì)點就只能在任意的一般位置上生長,接著就會有兩面凹角產(chǎn)生,隨后又會有三面凹角的形成,再開始生長第二層面網(wǎng)。晶面(最外層面網(wǎng))是平行向外推移生長的。這就是晶體的層生長理論。第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

層生長理論可以解釋如下一些生長現(xiàn)象：

（1）晶體的自限性—

晶體常生長為面平、棱直的幾何多面體形態(tài)。

（2）晶體斷面上的環(huán)帶構(gòu)造—各個環(huán)帶代表了在晶體成長的不同階段中，由于介質(zhì)性質(zhì)或環(huán)境條件的某種變化,在晶體內(nèi)留下的當(dāng)時晶形輪廓的痕跡。它表明晶體是平行向外推移生長的。

（3）面角守恒定律—

由于晶面是向外平行推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應(yīng)晶面間的夾角不變。

（4）生長錐或沙鐘構(gòu)造—晶體由小長大,許多晶面向外平行移動的軌跡形成以晶體中心為頂點的錐狀體。第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月普通輝石的沙鐘構(gòu)造α-石英晶體橫斷面上煙灰色和乳白色相間的環(huán)帶構(gòu)造α-石英晶體的帶狀構(gòu)造合成紅寶石的六方色帶有什么現(xiàn)象可以證明層生長理論?第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

實際晶體生長也可能一層還沒有完全長滿，另一層又開始生長了，這叫階梯狀生長，最后可在晶面上留下生長層紋或生長階梯。

階梯狀生長是屬于層生長理論范疇的。

總之，層生長理論的中心思想是：晶體生長過程是晶面層層外推的過程。

但是，層生長理論有一個缺陷：當(dāng)將這一界面上的所有最佳生長位置都生長完后，如果晶體還要繼續(xù)生長，就必須在這一平坦面上先生長一個質(zhì)點，由此來提供最佳生長位置。這個先生長在平坦面上的質(zhì)點就相當(dāng)于一個二維核，形成這個二維核需要較大的過飽和度，但許多晶體在過飽和度很低的條件下也能生長，為了解決這一理論模型與實驗的差異，弗蘭克(Frank)于1949年提出了螺旋位錯生長機(jī)制。

第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2．螺旋生長理論（BCF理論）

該模型認(rèn)為晶面上存在螺旋位錯露頭點可以作為晶體生長的臺階源,可以對平坦面的生長起著催化作用,這種臺階源永不消失，因此不需要形成二維核，這樣便成功地解釋了晶體在