晶体生长和缺陷精选PPT.ppt
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1、关于晶体生长和缺陷第1页,讲稿共59张,创作于星期二11.1 11.1 晶核的形成晶核的形成 成成核核是是一一个个相相变变过过程程,即即在在母母液液相相中中形形成成固固相相小小晶晶芽芽,这这一一相变过程中体系自由能的变化为:相变过程中体系自由能的变化为:G=Gv+Gs 式中式中Gv为新相形成时体自由能的变化,且为新相形成时体自由能的变化,且Gv0,GS为为新相形成时新相与旧相界面的表面能,且新相形成时新相与旧相界面的表面能,且GS0。也就是说,晶核的形成,一方面由于体系从液相转变为也就是说,晶核的形成,一方面由于体系从液相转变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降,另一方面又由于增内能更小的晶体
2、相而使体系自由能下降,另一方面又由于增加了液加了液-固界面而使体系自由能升高。固界面而使体系自由能升高。第2页,讲稿共59张,创作于星期二 晶体形成的一般过程是先生成晶核,而后再逐晶体形成的一般过程是先生成晶核,而后再逐 渐长渐长大。大。一般认为晶体从液相或气相中形成有三个阶段:一般认为晶体从液相或气相中形成有三个阶段:1 1、介质达到过饱和、过冷却阶段;、介质达到过饱和、过冷却阶段;2 2、成核阶段;、成核阶段;3 3、生长阶段。、生长阶段。第3页,讲稿共59张,创作于星期二成核作用与晶核成核作用与晶核晶核:从介质中析出,并达到某个临界大小,晶核:从介质中析出,并达到某个临界大小,从而得以继
3、续成长的结晶相微粒。从而得以继续成长的结晶相微粒。成核作用:形成结晶相微粒的作用。成核作用:形成结晶相微粒的作用。第4页,讲稿共59张,创作于星期二以溶液情况为例,说明成核作用的过程以溶液情况为例,说明成核作用的过程n设单位体积溶液本身的自由能为设单位体积溶液本身的自由能为g g液液n从溶液中析出的单位体积结晶相自由能为从溶液中析出的单位体积结晶相自由能为g g晶晶 在饱和溶液中,在饱和溶液中,g g液液g g晶晶,析晶。析晶。一方面:结晶相析出,利于降低体系的总自由能一方面:结晶相析出,利于降低体系的总自由能一方面一方面:体系由一相变为两相,两相间产生界面,导体系由一相变为两相,两相间产生界
4、面,导致体系自由能增加致体系自由能增加在不饱和溶液中,在不饱和溶液中,g g液液g g晶晶,不会析晶;,不会析晶;第5页,讲稿共59张,创作于星期二设结晶相与液相自由能差为设结晶相与液相自由能差为G Gv v(0)两相界面表面能为两相界面表面能为G Gs s(0)体系总自由能的变化为体系总自由能的变化为G G G Gv v G Gs s设晶核为球形,半径为设晶核为球形,半径为r,r,则上式可表示为则上式可表示为G G(4/3)(4/3)rr3 3GGv v0 0+4+4rr2 2GGs s0 0GGv v0 0为单位体积新相形成时自由能的下降为单位体积新相形成时自由能的下降GGs s0 0为单
5、位面积的新旧相界面自由能的增加为单位面积的新旧相界面自由能的增加过饱和溶液中过饱和溶液中第6页,讲稿共59张,创作于星期二0+-Gv GsGG(4/3)(4/3)rr3 3GGv v0 0+4+4rr2 2GGs s0 0粒径为粒径为r rc c的晶核为临界的晶核为临界晶核晶核GGc c称为成核能称为成核能rc和和Gc与溶液的过饱和与溶液的过饱和度有关,过饱和度越高,度有关,过饱和度越高,两者值越小,成核几率越两者值越小,成核几率越大。大。第7页,讲稿共59张,创作于星期二成核作用分为:成核作用分为:1 1、均匀成核:在体系内任何部位成核率相等。、均匀成核:在体系内任何部位成核率相等。2 2、
6、不均匀成核:在体系的某些部位的成核率高、不均匀成核:在体系的某些部位的成核率高 于另一些部位。于另一些部位。由于体系中存在某种不均匀性,如溶液中由于体系中存在某种不均匀性,如溶液中悬浮地杂质微粒,容器壁上凹凸不平,或悬浮地杂质微粒,容器壁上凹凸不平,或人为地放入籽晶或成核剂等。人为地放入籽晶或成核剂等。第8页,讲稿共59张,创作于星期二11.2 11.2 形成晶体的方式形成晶体的方式 晶体是在物相转变的情况下形成的。物相晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种,即气相、液相和固相。只有晶体才是有三种,即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成真正的固体。由气相、
7、液相转变成固相时形成固体,固相之间也可以直接产生转变。固体,固相之间也可以直接产生转变。第9页,讲稿共59张,创作于星期二1 1 气体凝华结晶:气体凝华结晶:气态物质不经过液态阶段直接转变成气态物质不经过液态阶段直接转变成固体。固体。2 2 熔融体过冷却结晶:熔融体过冷却结晶:当温度低于熔点时,晶体开始析出,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发生。也就是说,只有当熔体过冷却时晶体发生。如如:雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。雪花就是由于水蒸气冷却直接结晶而成的晶体。如如:水低于冰点时结晶成冰;铁水冷凝成铁的晶体水低于冰点时结晶成冰;铁水冷凝成铁的晶体。3
8、3 溶液过饱和结晶:溶液过饱和结晶:当溶液达到过饱和时,才能析出晶体。当溶液达到过饱和时,才能析出晶体。如:食盐的过饱和溶液中会析出食盐晶体。如:食盐的过饱和溶液中会析出食盐晶体。4 4 非晶质晶化:非晶质晶化:由非晶质体转化为晶体由非晶质体转化为晶体如:火山玻璃经长期的晶化作用而转变为石英、长石的微如:火山玻璃经长期的晶化作用而转变为石英、长石的微晶。晶。第10页,讲稿共59张,创作于星期二 (1)(1)同质多象转变:同质多象转变:在一定热力学条件下,由一种结晶在一定热力学条件下,由一种结晶相转变为另一种结晶相。它们在转变前后的成分相同,相转变为另一种结晶相。它们在转变前后的成分相同,但晶体
9、结构不同。但晶体结构不同。5 5 固态下结晶相转变固态下结晶相转变(2 2)离溶:)离溶:在一定热力学条件下,由一种结晶相分离在一定热力学条件下,由一种结晶相分离成两种结晶相的作用。成两种结晶相的作用。如:在高压和适当温度条件下,石墨可转变为金刚石。如:在高压和适当温度条件下,石墨可转变为金刚石。如:闪锌矿(如:闪锌矿(ZnSZnS)和黄铜矿()和黄铜矿(CuFeSCuFeS2 2)在高温时为均一相)在高温时为均一相固溶体,低温时分离成两种独立晶体。固溶体,低温时分离成两种独立晶体。第11页,讲稿共59张,创作于星期二11.3 晶体的生长晶体的生长n晶核形成后,将进一步成长。晶核形成后,将进一
10、步成长。n下面介绍关于晶体生长的几种理论。下面介绍关于晶体生长的几种理论。第12页,讲稿共59张,创作于星期二 1层生长理论层生长理论(科塞尔理论模型)(科塞尔理论模型)它是论述在晶核的光滑表而上生长一层原子它是论述在晶核的光滑表而上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格面时,质点在界面上进入晶格“座位座位”的最佳位的最佳位置是具有三面凹角的位置。置是具有三面凹角的位置。第13页,讲稿共59张,创作于星期二晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解11三面凹角三面凹角2 2二面凹角二面凹角3 3一般位置一般位置假设晶核为由同一种原子组成的立方格子,其相邻假设晶核为
11、由同一种原子组成的立方格子,其相邻质点的间距为质点的间距为a a0 0第14页,讲稿共59张,创作于星期二 晶体在理想情况下生长时,先长一条行晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,再长相邻的行列;在长满一层原子面后,列,再长相邻的行列;在长满一层原子面后,再长相邻的一层,逐层向外平行推移。再长相邻的一层,逐层向外平行推移。第15页,讲稿共59张,创作于星期二 (1 1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。(2 2)在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,)在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不同时刻生成的晶体在物性不同时刻生成的晶体在物性(如颜色如颜色
12、)和成分等方面和成分等方面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常常可以可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造。看到带状构造。石英的带状构造石英的带状构造此结论可解释如下一些生长现象此结论可解释如下一些生长现象第16页,讲稿共59张,创作于星期二2 螺旋生长理论螺旋生长理论 根据实际晶体结构的螺旋位错现象,提出了晶体根据实际晶体结构的螺旋位错现象,提出了晶体的螺旋生长理论的螺旋生长理论。即在晶体生长界面上螺旋位错露头即在晶体生长界面上螺旋位错露头点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶体生长的台阶源,促进光滑界面上的生长。晶体生
13、长的台阶源,促进光滑界面上的生长。第17页,讲稿共59张,创作于星期二 位错的出现,在晶体的界面上提供了一个永不位错的出现,在晶体的界面上提供了一个永不消失的台阶源(凹角)。消失的台阶源(凹角)。第18页,讲稿共59张,创作于星期二晶体螺旋生长示意图晶体螺旋生长示意图 质点先落在凹角处。随着晶体的生长,凹角不会随质点的质点先落在凹角处。随着晶体的生长,凹角不会随质点的堆积而消失,仅仅是凹角随质点的堆积而不断地螺旋上升,导堆积而消失,仅仅是凹角随质点的堆积而不断地螺旋上升,导致整个晶面逐层向外推移。致整个晶面逐层向外推移。第19页,讲稿共59张,创作于星期二螺旋生长过程模拟螺旋生长过程模拟第20
14、页,讲稿共59张,创作于星期二SiCSiC晶体表面的生长螺旋纹晶体表面的生长螺旋纹印度结晶学家弗尔麻印度结晶学家弗尔麻(verma(verma,1951)1951)对对SiCSiC晶体晶体表面上的生长螺旋纹及其他表面上的生长螺旋纹及其他大量螺旋纹的观察,证实了大量螺旋纹的观察,证实了这个理论在晶体生长过程中这个理论在晶体生长过程中的重要作用。的重要作用。第21页,讲稿共59张,创作于星期二3 3布拉维法则布拉维法则 早在早在18551855年,法国结晶学家布拉维从晶体具有年,法国结晶学家布拉维从晶体具有空间格子构造的几何概念出发,论述了实际晶面空间格子构造的几何概念出发,论述了实际晶面与空间格
15、子构造中面网之间的关系。与空间格子构造中面网之间的关系。布拉维法则:实际晶体的晶面常常平行于面网密布拉维法则:实际晶体的晶面常常平行于面网密度大的面网;面网密度越大,相应晶面的重要性度大的面网;面网密度越大,相应晶面的重要性越大。越大。第22页,讲稿共59张,创作于星期二ab面网密度面网密度ABCDBC布布拉拉维维法法则则图图解解123第23页,讲稿共59张,创作于星期二布拉维法则图示布拉维法则图示第24页,讲稿共59张,创作于星期二结论:结论:在一个晶体上,各晶面间的相对生在一个晶体上,各晶面间的相对生长速度与它们本身面网密度的大小成反长速度与它们本身面网密度的大小成反比,即面网密度越大的晶
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