多晶硅酸鉍晶列結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)規(guī)律.pdf

1、作為高密度、快衰減和高抗輻照的閃爍體材料，硅酸鉍(Bi4Si3O12)在某些領(lǐng)域可能替代傳統(tǒng)的鍺酸鉍(Ge4Si3O12)閃爍體。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于Bi4Si3O12的晶體生長(zhǎng)方面的報(bào)道還不多見，特別是利用固相反應(yīng)法制備Bi4Si3O12多晶體、研究其高有序晶列結(jié)構(gòu)的報(bào)道。深入分析、研究多晶硅酸鉍晶列結(jié)構(gòu)和其中包含的生長(zhǎng)規(guī)律，掌握硅酸鉍結(jié)晶習(xí)性對(duì)于該晶體的生長(zhǎng)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本課題以Bi2O3和SiO2為原材料，在

2、不同溫度機(jī)制下使用固相反應(yīng)法對(duì)Bi2O3-SiO2系統(tǒng)的結(jié)晶習(xí)性進(jìn)行了研究。通過X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)分析了生成晶體的物相；使用STA-429型綜合熱分析儀對(duì)樣品做熱分析；利用環(huán)境掃描電鏡(Environmental Scanning Electron Microscopy,ESEM)觀察了生成晶體的微觀形貌。研究了高有序生長(zhǎng)的Bi4Si3O12多晶體高有序晶列結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)規(guī)律。
　　 本論文的主

3、要研究成果如下：
　　 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Bi2O3-SiO2系統(tǒng)在800℃保溫3小時(shí)生成的Bi4Si3O12多晶體呈現(xiàn)高有序的晶列結(jié)構(gòu)。該晶列結(jié)構(gòu)由多個(gè)穩(wěn)定的晶行組成。每個(gè)Bi4Si3O12晶行兩側(cè)晶?？偸浅蓪?duì)分布，發(fā)育形態(tài)十分的規(guī)則有序，而成對(duì)生長(zhǎng)的Bi4Si3O12晶粒作為晶列結(jié)構(gòu)的最小生長(zhǎng)基元。該高有序晶列結(jié)構(gòu)的形成和Bi4Si3O12晶體生長(zhǎng)的各向異性有關(guān)。并探索了煅燒溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)Bi2O3-SiO2系統(tǒng)產(chǎn)物的影響。實(shí)驗(yàn)顯

4、示只在800℃條件下才可能出現(xiàn)Bi4Si3O12的晶列結(jié)構(gòu)。而且保溫時(shí)間大于等于1小時(shí)，或者小于等于6小時(shí)，就能夠出現(xiàn)Bi4Si3O12的晶列結(jié)構(gòu)特征，但比較后發(fā)現(xiàn)保溫3小時(shí)其晶列結(jié)構(gòu)特征最為明顯。
　　 研究了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)中晶粒的競(jìng)爭(zhēng)變化趨勢(shì)及其正相關(guān)特性。認(rèn)為在一個(gè)Bi4Si3O12晶列內(nèi)，晶行任意一側(cè)的晶粒尺寸總保持一定的變化趨勢(shì)。沿著晶行發(fā)育方向，有兩種晶粒變化的趨勢(shì)。一種是晶粒尺寸逐漸增大或者減小，另一種

5、是晶粒尺寸在某一特定區(qū)域內(nèi)基本不變。在大多數(shù)情況下，每行晶粒兩側(cè)的晶粒變化趨勢(shì)具有一致性。發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況下，兩側(cè)的晶粒尺寸呈現(xiàn)高度正相關(guān)特性，也就是說當(dāng)一側(cè)晶粒生長(zhǎng)速率較大時(shí)，另一側(cè)對(duì)應(yīng)的晶粒生長(zhǎng)速率也較大。如果某個(gè)晶行兩側(cè)的晶粒變化趨勢(shì)完全不同，也基本不相關(guān)，則應(yīng)該屬于兩種不同的晶粒生長(zhǎng)變化趨勢(shì)。
　　 統(tǒng)計(jì)分析了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)內(nèi)晶粒夾角的分布規(guī)律及其對(duì)晶行發(fā)育的影響。在任一晶行的一側(cè)，晶粒取向和該晶行發(fā)育方向之間

6、的夾角服從正態(tài)分布。統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為晶粒夾角均值的大小范圍為53.9°～68.9°。在一個(gè)的晶列內(nèi)，各晶行的平均晶粒夾角和平均晶粒尺寸之間存在一個(gè)高度的正相關(guān)性，即較大的晶粒夾角會(huì)促進(jìn)晶粒的生長(zhǎng)發(fā)育。如果一側(cè)的平均晶粒夾角超過穩(wěn)定晶列中晶粒夾角范圍的最大均值，對(duì)應(yīng)側(cè)的高有序的晶列結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞。然而，晶行一側(cè)結(jié)構(gòu)的局部湮滅過程不會(huì)對(duì)另一側(cè)的高有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響。
　　 探討了穩(wěn)定Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)中的迭代生長(zhǎng)規(guī)律。當(dāng)一個(gè)穩(wěn)

7、定的晶列湮滅后，新的穩(wěn)定的晶列開始產(chǎn)生，如此往復(fù)傳承生長(zhǎng)。發(fā)現(xiàn)在一個(gè)穩(wěn)定的晶列內(nèi)，這些晶行的晶行間距并不相等，而是分布在一個(gè)較寬的范圍。晶行間距分布的范圍存在一個(gè)上限值、下限值。在一個(gè)穩(wěn)定的晶列結(jié)構(gòu)中，上限值約是下限值的三倍。相鄰迭代的晶列之間內(nèi)會(huì)形成波浪狀缺陷，這是因?yàn)榫w生長(zhǎng)時(shí)各晶行同時(shí)發(fā)生溶質(zhì)短缺的情況，最終導(dǎo)致晶行發(fā)育同時(shí)停止。另外晶粒的發(fā)育速度也會(huì)逐漸變小，而晶粒尺寸不斷減小的多對(duì)晶粒形成晶行的近似橢圓狀的尖端形貌。
　

8、　 提出了在一個(gè)穩(wěn)定Bi4Si3O12晶列內(nèi)部的父?jìng)髯映猩L(zhǎng)模式。迭代生長(zhǎng)過程，在一個(gè)穩(wěn)定的父代晶列內(nèi)局部可以逐次發(fā)育幾個(gè)較小的穩(wěn)定的子代晶列，形成父?jìng)髯映械纳L(zhǎng)模式。在父代晶列內(nèi)局部產(chǎn)生的子代晶列內(nèi)各晶行也都是同時(shí)開始產(chǎn)生，并同時(shí)淹滅，且生長(zhǎng)方向和速度相同，因而這些晶行的長(zhǎng)度也都相等，并且各個(gè)子代晶列長(zhǎng)度之和等于其父代晶列長(zhǎng)度。形成父?jìng)髯映猩L(zhǎng)模式的原因是在晶行間距較大的父代晶列局部失穩(wěn)后，該晶列就會(huì)消失，迅速就會(huì)更小的新的子代晶列

9、產(chǎn)生，但是發(fā)育取向仍然與最大溫度梯度方向相同，且其發(fā)育的速度與未失穩(wěn)的部分的較大父代晶列也相同，從而產(chǎn)生新的穩(wěn)定的晶行間距較小的子代晶列，而且此新的子代晶列又有可能再次失穩(wěn)，從而再次產(chǎn)生更下一級(jí)的新子代晶列。
　　 總結(jié)了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。結(jié)果表明Bi4Si3O12晶體的生長(zhǎng)點(diǎn)一旦形成后，即向四周擴(kuò)展發(fā)育。有些區(qū)域是以穩(wěn)定晶列的迭代生長(zhǎng)的規(guī)律推進(jìn)，而在其相鄰的區(qū)域則可能形成羽狀偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征。羽毛狀的偏轉(zhuǎn)發(fā)育一般

10、是從分枝點(diǎn)開始，分枝點(diǎn)的形成伴隨著新晶行的產(chǎn)生，和已有晶行的不穩(wěn)定發(fā)育，最終形成晶列的小角度偏轉(zhuǎn)。穩(wěn)定晶行的大角度偏轉(zhuǎn)必須在奇異點(diǎn)處出現(xiàn)。首先是穩(wěn)定晶行一側(cè)的晶粒夾角大于正常地晶粒夾角范圍，導(dǎo)致晶行另一側(cè)晶粒的有序性發(fā)育破壞，從而局部湮滅。湮滅后的晶粒盡管沒有形成晶行結(jié)構(gòu)，但是絕大部分晶粒仍然呈現(xiàn)基本相同的生長(zhǎng)方向。經(jīng)歷了半有序的生長(zhǎng)過渡之后，再次出現(xiàn)新晶列的生長(zhǎng)，但是新晶列的發(fā)育方向和原來晶列產(chǎn)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。迭代生長(zhǎng)中，斷點(diǎn)處相鄰

11、的的晶行(屬于父代晶列)對(duì)應(yīng)一側(cè)晶粒生長(zhǎng)會(huì)逐漸減小，然后該側(cè)晶粒的生長(zhǎng)速率又會(huì)再次增大，恢復(fù)到正常數(shù)值，形成一個(gè)父代和子代晶列之間的弧狀缺陷。在Bi4Si3O12穩(wěn)定的晶列結(jié)構(gòu)中即可以存在穿晶斷裂，也會(huì)出現(xiàn)沿晶斷裂。對(duì)Bi4Si3O12晶粒間的缺陷空隙分析表明，當(dāng)Bi4Si3O12晶體相對(duì)晶面的尺寸相差較大時(shí)，可以形成空隙?？障兜陌l(fā)育和擴(kuò)展形態(tài)與相對(duì)晶面的尺寸及方向有關(guān)。分析了兩種新的Bi4Si3O12晶行的產(chǎn)生方式。一種是可能受到雜質(zhì)