晶体生长机理及其培养精选PPT.ppt

关于晶体生长机理及其培养第1页，讲稿共27张，创作于星期二一、从天然晶体到人工晶体一、从天然晶体到人工晶体晶体：构成物质的原子、分子晶体：构成物质的原子、分子 在空间作长程有序的排列，形在空间作长程有序的排列，形 成具有一定的点阵结构的固体。成具有一定的点阵结构的固体。所谓长程有序就是由一些相同的质点（基所谓长程有序就是由一些相同的质点（基元）在空间有规则地作周期性的无限分布。元）在空间有规则地作周期性的无限分布。即至少在微米级的范围内是有序的排列。这即至少在微米级的范围内是有序的排列。这些质点代表原子、离子、分子或基团。些质点代表原子、离子、分子或基团。第2页，讲稿共27张，创作于星期二晶体分成天然晶体和人工晶体晶体分成天然晶体和人工晶体第3页，讲稿共27张，创作于星期二古代制盐术古代制盐术国外最早由文字记载国外最早由文字记载 的人工合成晶体工作的人工合成晶体工作 是是1540年，勃林古西年，勃林古西 欧首先详细记录了硝欧首先详细记录了硝 石的滤取及其重结晶提纯的过程。石的滤取及其重结晶提纯的过程。中国的晶体生长工作可追溯到一千多年以前，宋代中国的晶体生长工作可追溯到一千多年以前，宋代程大昌所著程大昌所著演繁露演繁露记载道：记载道：“盐已成卤水，暴盐已成卤水，暴烈日，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数千印烈日，即成方印，洁白可爱，初小渐大，或数千印累累相连。累累相连。”这就是用蒸发法从过饱和溶液中中生这就是用蒸发法从过饱和溶液中中生长食盐晶体的方法。长食盐晶体的方法。第4页，讲稿共27张，创作于星期二1.晶体应用和人工晶体的发展晶体应用和人工晶体的发展当物质以晶体状态存在时，将表当物质以晶体状态存在时，将表 现出其它物质状态所没有的优异现出其它物质状态所没有的优异 的物理性能，因而是人类研究固态物质的的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。结构和性能的重要基础。第5页，讲稿共27张，创作于星期二由于能够实现电、磁、光、由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料。光器件及各种光学仪器等工业的重要材料。被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。学、气象学、建筑学、军事技术等领域。第6页，讲稿共27张，创作于星期二2.人工晶体的分类人工晶体的分类第7页，讲稿共27张，创作于星期二第8页，讲稿共27张，创作于星期二二、晶体形成的科学二、晶体形成的科学第9页，讲稿共27张，创作于星期二1.相变过程相变过程1.1.从熔体中结晶从熔体中结晶 当温度低于熔点时，晶体开始析出，也就是说，只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰；金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属。由液相转变为固相由液相转变为固相第10页，讲稿共27张，创作于星期二2.2.从溶液中结晶从溶液中结晶 当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。主要有以下几种方式：温度降低，由于一般溶质的溶解度随温度的降低而降低，逐渐析出，也叫冷却过饱和溶液法。溶剂蒸发，也叫自然挥发法。是指饱和或不饱和溶液中，随着溶剂的挥发，溶质逐渐析出。通过化学反应，生成难溶物质。第11页，讲稿共27张，创作于星期二 由气相转变为固相由气相转变为固相 从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸从气相直接转变为固相的条件是要有足够低的蒸汽压。在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯汽压。在火山口附近常由火山喷气直接生成硫、碘或氯化钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的化钠的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。晶体。第12页，讲稿共27张，创作于星期二 由固相再结晶为固相由固相再结晶为固相 同质多相转变：所谓同质多相转变是指某种晶体，在热力学条件改变时转变为另一种在新条件下稳定的晶体。它们在转变前后的成分相同，但晶体结构不同。由固态非晶质结晶：火山喷发出的熔岩流迅速冷却，固结为非晶质的火山玻璃。这种火山玻璃经过千百年以上的长时间以后，可逐渐转变为结晶质。第13页，讲稿共27张，创作于星期二2.2.晶核的形成晶核的形成(晶体的发生晶体的发生)晶体的成长。晶体的成长。晶核晶核(亦称晶芽亦称晶芽):是晶体生长最原始的胚胎是晶体生长最原始的胚胎(生长生长点点),是极微小的微晶粒，是晶体成长的中心。是极微小的微晶粒，是晶体成长的中心。外来晶核外来晶核，非自成的。非自成的。例如人工合成例如人工合成水晶水晶，就是在溶液，就是在溶液中放入一个中放入一个石英晶粒石英晶粒(籽晶籽晶)作为作为晶核晶核。当当过冷却过冷却或或过饱和度过饱和度很高时很高时,产生的产生的晶核数目晶核数目多多;反之则少反之则少.晶体形成全过程晶体形成全过程包括两个阶段两个阶段形成晶核的条件形成晶核的条件 自发晶核自发晶核(质点聚合质点聚合)溶液过饱和溶液过饱和熔体过冷却熔体过冷却形成晶核。形成晶核。第14页，讲稿共27张，创作于星期二3.3.晶体的成长晶体的成长 实际上是晶核形成后，质点按格子构造规律在晶实际上是晶核形成后，质点按格子构造规律在晶核上不断地堆积过程。核上不断地堆积过程。晶体生长的两种主要理论：晶体生长的两种主要理论：1.1.层生长理论层生长理论:要讨论的关键问题是要讨论的关键问题是要讨论的关键问题是要讨论的关键问题是:在一个面尚未生长完全前在一个面尚未生长完全前在一个面尚未生长完全前在一个面尚未生长完全前,在这一界面上找出最佳生长位置。在这一界面上找出最佳生长位置。在这一界面上找出最佳生长位置。在这一界面上找出最佳生长位置。晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解解解解1 12 23 3位置位置1 1-三面凹角三面凹角;位置位置2 2-两面凹角两面凹角;位置位置3 3-一般位置一般位置第15页，讲稿共27张，创作于星期二 图图表示表示质点质点往往晶芽上晶芽上堆积时堆积时，在其表面只有三种可能的堆在其表面只有三种可能的堆积位置积位置1 1、2 2和和3 3,分别称为分别称为三面凹角三面凹角、两面凹角两面凹角和和一般位置一般位置.每每种位置上因种位置上因成键数目成键数目不同不同,新质点就位后的新质点就位后的稳定程度稳定程度亦亦不同。不同。不同。不同。因此，因此，最佳生长位置是最佳生长位置是三面凹角位三面凹角位，其次是，其次是两面凹角两面凹角位位,最不容易生长的位置是最不容易生长的位置是平坦面平坦面。这样，这样，最理想的晶体生长方式就是最理想的晶体生长方式就是:先在先在三面凹角三面凹角上生长上生长成一行，以至于成一行，以至于三面凹角三面凹角消失，再在消失，再在两面凹角两面凹角处生长一个质处生长一个质点，以形成点，以形成三面凹角三面凹角，再生长一行，重复下去。，再生长一行，重复下去。位置 最近质点间的成键数 新质点就位后的稳定程度1-三 面 凹 角2-两 面 凹 角3-一 般 位 置3(释 放 出 能 量 最 大)2(释 放 出 能 量 较 大)1(释 放 出 能 量 最 小)最稳定(最有利的生长位置)次稳定(次有利的生长位置)不稳定(最不利的生长位置)第16页，讲稿共27张，创作于星期二层生长过程层生长过程第17页，讲稿共27张，创作于星期二 结论结论:晶体在理想情况下生长时晶体在理想情况下生长时,一旦有一旦有三面凹角三面凹角存在存在,质点质点则优先沿三面凹角位置生长一条行列则优先沿三面凹角位置生长一条行列;而当而当这一条行列这一条行列长满后长满后,就只有就只有两面凹角两面凹角了了,质点就质点就只能在两面凹角处生长只能在两面凹角处生长,这时又会产生三面凹角位置这时又会产生三面凹角位置,然后然后将重复上述过程将重复上述过程生长相生长相邻行列邻行列;在在长满一层面网后长满一层面网后,质点就只能在任意的质点就只能在任意的一般位一般位置置上生长上生长,接着就会有两面凹角产生接着就会有两面凹角产生,随后又会有三面凹角随后又会有三面凹角的形成的形成 ,再开始生长第二层面网再开始生长第二层面网。晶面晶面 (最外层面网最外层面网)是是平行向外推移生长的。这就是晶体的平行向外推移生长的。这就是晶体的 层生长理论层生长理论 。第18页，讲稿共27张，创作于星期二 层生长理论可以可以解释解释如下一些生长现象：（1）晶体的自限性）晶体的自限性 晶体常生长为面平、棱直的几晶体常生长为面平、棱直的几何多面体形态。何多面体形态。（2 2）晶体断面上的环带构造）晶体断面上的环带构造 各个环带各个环带代表了在晶代表了在晶体成长的不同阶段中，由于介质性质或环境条件的某种变化体成长的不同阶段中，由于介质性质或环境条件的某种变化,在晶体内留下的在晶体内留下的当时晶形轮廓的痕迹当时晶形轮廓的痕迹。它表明晶体是平行向。它表明晶体是平行向外推移生长的。外推移生长的。（3）面角守恒定律 由于晶面是向外平行推移生长由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。（4）生长锥或沙钟构造）生长锥或沙钟构造 晶体由小长大晶体由小长大,许多晶面许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体。向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体。第19页，讲稿共27张，创作于星期二普通辉石的普通辉石的沙钟构造沙钟构造-石英晶体横断面上烟灰色和乳石英晶体横断面上烟灰色和乳白色相间的白色相间的环带构造环带构造-石英晶体的石英晶体的带状构造带状构造合成红宝石的合成红宝石的六方色带六方色带有什么现象可以证明有什么现象可以证明层生长理论层生长理论?第20页，讲稿共27张，创作于星期二第21页，讲稿共27张，创作于星期二 实际晶体生长也可能一层还没有完全长满，另一层又开始生实际晶体生长也可能一层还没有完全长满，另一层又开始生长了，这叫长了，这叫阶梯状生长阶梯状生长，最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶，最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。梯。阶梯状生长阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。是属于层生长理论范畴的。总之，总之，层生长理论层生长理论的中心思想是：晶体的中心思想是：晶体生长过程是晶面层层外推的过程。生长过程是晶面层层外推的过程。但但是是，层层生生长长理理论论有有一一个个缺缺陷陷：当当将将这这一一界界面面上上的的所所有有最最佳佳生生长长位位置置都都生生长长完完后后，如如果果晶晶体体还还要要继继续续生生长长，就就必必须须在在这这一一平平坦坦面面上上先先生生长长一一个个质质点点，由由此此来来提提供供最最佳佳生生长长位位置置。这这个个先先生生长长在在平平坦坦面面上上的的质质点点就就相相当当于于一一个个二二维维核核，形形成成这这个个二二维维核核需需要要较较大大的的过过饱饱和和度度，但但许许多多晶晶体体在在过过饱饱和和度度很很低低的的条条件件下下也也能能生生长长，为为了了解解决决这这一一理理论论模模型型与与实实验验的的差差异异，弗弗兰兰克克(Frank)(Frank)于于19491949年年提提出出了了螺螺旋旋位位错错生生长长机制机制。第22页，讲稿共27张，创作于星期二2 2螺旋生长理论（螺旋生长理论（BCFBCF理论）理论）该模型认为晶面上存在该模型认为晶面上存在螺旋位错螺旋位错露头点可以作为露头点可以作为晶体生长的晶体生长的台阶源台阶源,可以对可以对平坦面的生长起着催化作用平坦面的生长起着催化作用,这种台阶源这种台阶源永不消失永不消失，因此，因此不需要形成不需要形成二维核二维核，这样便，这样便成功地解释了晶体在成功地解释了晶体在很低过很低过饱和度下饱和度下仍能生长这一实验仍能生长这一实验现象现象。第23页，讲稿共27张，创作于星期二螺旋生长过程第24页，讲稿共27张，创作于星期二第25页，讲稿共27张，创作于星期二 有什么现象可证明有什么现象可证明螺旋生长理论螺旋生长理论螺旋生长理论螺旋生长理论？SiC晶体表面的生长螺纹晶体表面的生长螺纹第26页，讲稿共27张，创作于星期二感谢大家观看第27页，讲稿共27张，创作于星期二