晶體生長的基本規(guī)律

1、第2章 晶體生長的基本規(guī)律,主要教學內容,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簡介,,,2.1 晶體的形成方式,氣態(tài)物質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,⑴氣-固結晶作用,①從溶液中結晶溶液過飽和 △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CaNO3+Na2CO3=CaCO3 ↓ + NaNO3

2、Ca(OH)2+H3PO4= Ca5(PO4)3(OH) ↓ +H2O,⑵ 液-固結晶作用,②從熔體中結晶 條件：熔體過冷卻 △T = Tf – T ； Tf ：熔點； T ：熔體溫度； △T： 絕對過冷度，,同質多像轉變 石墨在高壓條件下轉變?yōu)榻饎偸９滔喾磻Y晶 CaO+SiO2=Ca2SiO3 重結晶 脫?；?⑶固-固結晶作用,,青海

3、察爾汗鹽湖中鹽花結晶體,石鐘乳、石筍、石柱,巖漿巖的形成How Igneous Rock Is Formed,,天然熔體：巖漿,Heat some solvent to boiling. Place the solid to be recrystallized in an Erlenmeyer flask.,鹽溶液的結晶實驗,Pour a small amount of the hot solvent Into the flask c

4、ontaining the solid.,Swirl the flask to dissolve the solid.,Place the flask on the steam bath to keep the solution warm.,If the solid is still not dissolved, add a tiny amount more solvent and swirl again.,When the solid

5、 is all in solution, set it on the bench top. Do not disturb it!,After a while, crystals should appear in the flask.,You can now place the flask in an ice bath to finish the crystallization process,Close-up of pictures f

6、orming in a flask,2.2 晶體的生長,晶體形成的三個階段介質的過飽和或過冷卻階段；成核階段；生長階段。,晶核上的三種位置,三面凹角,二面凹角,一般位置,①層生長理論假設：晶體由單原子構成的立方晶胞堆積而成，相鄰質點間 距為a。,⑴晶體的生長的基本理論,,,,,,三種位置上最鄰近的質點數(shù),三面凹角,二面凹角,一般位置,,質點的堆積順序三面凹角→二面凹角→一般位置。,,晶體的理想生長過程在晶核的基礎上，逐行生

7、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。,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,某些晶體內部的沙鐘構造。同種晶體的不同個體，對應晶面間的夾角不變。,普通輝石的砂鐘構造,,,,,,,,,,,⑵晶體的階梯狀生長,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晶面上階梯狀的生長紋,晶體的螺

8、旋狀生長,⑶晶體的螺旋狀生長,,石墨底面上的生長螺紋,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：晶面在單位時間內沿法線方向向外推移的距離。,⑴布拉維法則,,,,晶面法線方向,,,,,,①,③,②,,,,,,,,,,a,b,面網(wǎng)密度AB>CD>BC,,,生長速度快,生長速度慢,面網(wǎng)密度大，生長速度慢；面網(wǎng)密度小，生長速度快。生長速度最快的面網(wǎng)消縮最快。布拉維法則以簡化條件為前提，沒有

9、考慮溫度、壓力、濃度、雜質等對晶面生長速度產(chǎn)生影響。,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。,⑵居理—吳里夫原理,⑶周期鍵鏈（ Periodic Bond Chain ）理論,在晶體結構中存在一系列周期性的強鍵鏈, 其重復特征與晶體結構中質點的重復一致。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。,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

10、失,箭頭A、B、C指示強健PBC方向,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),⑴ 溫度,雜質的吸附將改變晶面的比表面自由能，結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,⑵雜質,介質粘度大，會影響物質的運移和供給。由于晶體的棱和角頂處較易于接受溶質，因此生長較快；晶面中心生長較慢，甚至不生長，結果形成骸晶。,⑶介質粘度,介質富含A

11、l2O3；,Y3Al2[AlO4]3）晶形,介質富含Y2O3,⑷組分的相對濃度,渦流使生長晶體的物質供應不均勻。,渦流對晶體形態(tài)的影響,⑸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)生美麗的水結晶 照片／日本IHM研究所江本勝博士,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,,,,特點：裝置簡單，成本低，產(chǎn)量大。原理：原料在火焰中熔融，在籽晶上結晶。設備與生產(chǎn)過程(以剛玉為例)

12、燃燒溫度：2200℃(剛玉的熔點為2050℃)。晶體生長速率： lcm/h。,⑴焰熔法,焰熔法合成晶體生產(chǎn)過程中,生長結束,生產(chǎn)過程結束,,,,⑵提拉法(Czochralski Process ),又稱丘克拉斯基法。主要用來生長高質量的晶體。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

13、料：鈮酸鋰(LiNbO3)，用于紅外探測和紅外攝像等技術。,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,提拉法裝置結構示意圖,提拉法生長晶體過程,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。,⑶殼熔法-

14、-冷坩堝法,,,設備,Cubic Zirconia Rough Crystals(Skull Melting Process) Corundum Rough Crystals (Verneuil Process),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，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)，構成

15、一層薄薄的外殼—熔殼，這個熔殼厚不足lmm。,待坩堝內的物質達到完全熔融后，將坩堝從加熱區(qū)緩緩移開，坩堝內的物質開始冷卻，結晶從殼底開始，向上長出圓柱狀的晶體，直到全部結晶固化。最后，在1400℃時恒溫12h，使晶體退火，以消除應變。,原理 在高溫高壓條件下，組分在封閉的高壓釜中較熱的部位溶解，然后在較冷部位的籽晶片上結晶。設備,⑷水熱法,,,從高壓釜中取出合成水晶,復習與思考：1.晶體的形成經(jīng)歷了那三個階段？2.層生長理