晶體生長機理研究綜述

1、晶體生長機理研究綜述摘要晶體生長機理是研究金屬材料的基礎，它本質(zhì)上就是理解晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷、生長條件和晶體形態(tài)之間的關系。通過改變生長條件來控制晶體內(nèi)部缺陷的形成從而改善和提高晶體的質(zhì)量和性能使材料的強度大大增強開發(fā)材料的使用潛能。本文主要介紹了晶體生長的基本過程和生長機理，晶體生長理論研究的技術和手段，控制晶體生長的途徑以及控制晶體生長的途徑。關鍵詞：晶體結(jié)構(gòu)晶界晶須擴散成核一、晶體生長基本過程從宏觀角度看，晶體生長過程是晶體環(huán)境相

2、、蒸氣、溶液、熔體、界面向環(huán)境相中不斷推移的過程，也就是由包含組成晶體單元的母相從低秩序相向高度有序晶相的轉(zhuǎn)變從微觀角度來看，晶體生長過程可以看作一個基元過程，所謂基元是指結(jié)晶過程中最基本的結(jié)構(gòu)單元，從廣義上說，基元可以是原子、分子，也可以是具有一定幾何構(gòu)型的原子分子聚集體所謂的基元過程包括以下主要步驟：（1）基元的形成：在一定的生長條件下，環(huán)境相中物質(zhì)相互作用，動態(tài)地形成不同結(jié)構(gòu)形式的基元，這些基元不停地運動并相互轉(zhuǎn)化，隨時產(chǎn)生或消失

3、（2）基元在生長界面的吸附：由于對流~熱力學無規(guī)則的運動或原子間的吸引力，基元運動到界面上并被吸附（3）基元在界面的運動：基元由于熱力學的驅(qū)動，在界面上遷移運動（4）基元在界面上結(jié)晶或脫附：在界面上依附的基元，經(jīng)過一定的運動，可能在界面某一適當?shù)奈恢媒Y(jié)晶并長入固相，或者脫附而重新回到環(huán)境相中。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境相狀態(tài)及生長條件都將直接影響晶體生長的基元過程。環(huán)境相及生長條件的影響集中體現(xiàn)于基元的形成過程之中；而不同結(jié)構(gòu)的生長基元在不同晶

4、面族上的吸附、運動、結(jié)晶或脫附過程主要與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關聯(lián)。不同結(jié)構(gòu)的晶體具有不同的生長形態(tài)。對于同一晶體，不同的生長條件可能產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的生長基元，最終形成不同形態(tài)的晶體。同種晶體可能有多種結(jié)構(gòu)的物相，即同質(zhì)異相體，這也是由于生長條件不同基元過程不同而導致的結(jié)果，生長機理如下:1.1擴散控制機理從溶液相中生長出晶體，首要的問題是溶質(zhì)必須從過飽和溶液中運送到晶體表面，并按照晶體結(jié)構(gòu)重排。若這種運送受速率控制，則擴散和對流將會起重要作用。

5、當晶體粒度不大于1Oum時，在正常重力場或攪拌速率很低的情況下，晶體的生長機理為擴散控制機理。1.2成核控制機理在晶體生長過程中，成核控制遠不如擴散控制那么?；旌衔诲e。位錯線必須是連續(xù)的。它或者起止于晶體表面，或形成封閉回路，或者在結(jié)點處和其它位錯相連。位錯理論可用來解釋固體材料的各種性能和行為，特別是變形和力學行為。（1）晶體的實際強度遠低于理論強度是因為實際晶體的塑性變形是通過局部滑移進行，故所加外力僅需破壞局部區(qū)域滑移面兩邊原子的

6、結(jié)合鍵，而此局部區(qū)域是有缺陷的區(qū)域，此處原子本來就處于亞穩(wěn)狀態(tài)，秩序很低的外應力就能離開平衡位置，發(fā)生局部滑移。（2）晶體為什么會加工硬化是因為晶體在塑性變形過程中位錯密度不斷增加，使彈性應力不斷增大，位錯間的交互作用不斷增強，因而位錯的運動越來越困難具體地說，引起晶體加工硬化的機制有：位錯的塞積、交割及其反應，易開動的位錯源不斷消耗等。（3）金屬為什么會退化軟化是因為金屬在退火過程中位錯在內(nèi)應力作用下通過滑移和攀移而重新排列，以及異號

7、位錯相消而使位錯密度下降。位錯的重新排列發(fā)生在低溫退火過程，此時同號刃位錯排成位錯墻，形成多邊化結(jié)構(gòu)或亞晶粒，其主要效果是消除內(nèi)應力和使物理性質(zhì)恢復到冷加工前的數(shù)值。位錯密度的顯著下降發(fā)生在高溫退火過程，它導致金屬顯著軟化。位錯既可以自發(fā)地從表面晶核長出，也可能起源于早期生長過程中的錯誤事件。在氣體和液體中，附層所包圍，使得對螺旋位錯的動力學研究極為困難在溶液中，吸附層雖然照樣存在，但其運動性能大為降低，晶體生長主要取決于通過擴散溶質(zhì)自

8、溶液進入位錯點的速率，這使得動力學方程的推導更為方便。三、晶體生長理論研究的技術和手段近年來，晶體生長理論研究的技術和手段也有了很大的發(fā)展，其中最重要的有基于現(xiàn)代計算機技術發(fā)展而產(chǎn)生的數(shù)學建模和模擬以及晶體生長過程的實時觀察。3.1MonteCarlo模擬近20年來，界面結(jié)構(gòu)和界面動力學發(fā)展的一個重要方面就是電子計算機在這一領域的廣泛應用，即用電子計算機來模擬實際的晶體生長過程，采用的方法稱為MOnteCarlO方法，又叫統(tǒng)計實驗方法，

9、由于實際晶體生長過程觀察的困難，這種方法對于驗證晶體生長理論的正確性顯得尤為重要，這種方法適用于非平衡態(tài)過程的模擬，因而易于獲得更為接近實際生長結(jié)果的界面結(jié)構(gòu)和生長動力學過程的描述。MOnteCarlO方法是一種采用統(tǒng)計抽樣理論近似地求解數(shù)學問題或物理問題的方法，其基本思路是首先建立一個與描述的物理對象具有相似性的概率模型，利用這種相似性，把概率模型的某些特征與描述物理問題的解答聯(lián)系起來，然后對所建模型進行隨機模擬和統(tǒng)計抽樣利用所得到的