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1、北京石油化工學院學報第14卷第2期Vol.14No.2JournalofBeijingInstituteof2006年6月June2006Petro2chemicalTechnology晶體生長機理的研究綜述12郝保紅黃俊華(1北京石油化工學院機械工程系,北京102617;2中國石油大學機電工程學院,北京102249)摘要控制晶體生長使材料達到最高的強度可以采取兩條相反的途徑:一是盡量增大位錯密度,非晶態(tài)材料就可看成是位錯密度極高的材料;二是盡量減少位錯密度,晶須就是這種方法的一個實例。晶體生長理論研究
2、包括晶體成核理論、輸運理論、界面穩(wěn)定性理論、界面結構理論和界面動力學理論的體系。揭示了晶體生長的基本過程,介紹了晶體生長的機理,概述了晶體生長理論研究的技術和控制晶體生長的途徑及手段,闡述晶體生長研究的發(fā)展方向,以及晶體生長與界面相的關系。這將對晶體生長的實踐起著一定的指導作用。晶體生長理論研究的發(fā)展方向是使晶體生長過程可視化,這也是晶體生長實驗技術的最終目標。關鍵詞晶體結構;晶界;晶須;擴散;成核中圖法分類號O78晶體生長機理是研究金屬材料的基礎,它原子、分子,也可以是具有一定幾何構型的原子本質(zhì)上就是
3、理解晶體內(nèi)部結構、缺陷、生長條件(分子)聚集體。所謂的“基元”過程包括以下主和晶體形態(tài)之間的關系。通過改變生長條件來要步驟:控制晶體內(nèi)部缺陷的形成,從而改善和提高晶(1)基元的形成:在一定的生長條件下,環(huán)體的質(zhì)量和性能,使材料的強度大大增強,開發(fā)境相中物質(zhì)相互作用,動態(tài)地形成不同結構形材料的使用潛能。式的基元,這些基元不停地運動并相互轉化,隨晶體生長研究已從一種純工藝性研究逐步時產(chǎn)生或消失。發(fā)展形成晶體制備技術研究和晶體生長理論研(2)基元在生長界面的吸附:由于對流、熱究兩個主要方向。兩者相互滲透、相互
4、促進。力學無規(guī)則的運動或原子間的吸引力,基元運晶體制備技術研究為晶體生長理論研究提供了動到界面上并被吸附。豐富的對象;而晶體生長理論研究又力圖從本(3)基元在界面的運動:基元由于熱力學的質(zhì)上揭示晶體生長的基本規(guī)律,進而指導晶體驅動,在界面上遷移運動。制備技術研究。(4)基元在界面上結晶或脫附: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1晶體生長的基本過程當?shù)奈恢媒Y晶并長入固相,或者脫附而重新回從宏觀角度看,晶體生長過程是晶體-環(huán)到環(huán)境相中。境相(蒸氣、溶液、熔體)界面向環(huán)境相中不斷推晶體內(nèi)部結
5、構、環(huán)境相狀態(tài)及生長條件都移的過程,也就是由包含組成晶體單元的母相將直接影響晶體生長的“基元”過程。環(huán)境相及從低秩序相向高度有序晶相的轉變。生長條件的影響集中體現(xiàn)于基元的形成過程之從微觀角度來看,晶體生長過程可以看作中;而不同結構的生長基元在不同晶面族上的一個“基元”過程,所謂“基元”是指結晶過程中吸附、運動、結晶或脫附過程主要與晶體內(nèi)部結最基本的結構單元,從廣義上說“,基元”可以是構相關聯(lián)。不同結構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)生收稿日期:2005208231不同結構的生
6、長基元,最終形成不同形態(tài)的晶第2期郝保紅等.晶體生長機理的研究綜述59體。同種晶體可能有多種結構的物相,即同質(zhì)晶體的生長。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果。生長機理如下:111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,并按照晶體結構重排。若這種運送受速率控制,則擴散和對流將會起重要作用。當晶體粒度不大于10μm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。112成核控制機理在晶體生長過程中,成核控制遠不如擴散控
7、制那么常見。但對于很小的晶體,可能不存在位錯或其它缺陷,生長是由分子或離子一層一層地沉積而得以實施,各層均由離子、分子或低聚合度的基團沉積所成的“排”所組成,因此,圖1層錯機制中臺階的產(chǎn)生過程對于成核控制的晶體生長,成核速率可看作是晶體生長速率。2晶體生長理論研究的基本科學當晶體的某一層長到足夠大且達到一定邊問題界時,由于來自溶液中的離子在完整表面上不能找到有效吸附點而使晶體的生長停止,單個實際晶體中也不是所有原子都嚴格的按周表面晶核和溶液之間達成不穩(wěn)定狀態(tài)。期性規(guī)律排列的,因為晶體中存在著一些微小11
8、3位錯控制機理的區(qū)域,在這些區(qū)域內(nèi)或穿過這些區(qū)域時,原子當溶液的飽和比小于2時,表面成核速率排列的周期性將受到破壞。這樣的區(qū)域稱為晶極低,如果每個表面晶核只能形成一個分子層,體缺陷。按照缺陷區(qū)相對于晶體的大小,可將則晶體生長的實際速率只能是零。事實上,很晶體缺陷分為以下四類:多實驗表明,即使在S=1101的低飽和比條件(1)點缺陷:如果在任何方向上缺陷區(qū)的尺下,晶體都能很容易地進行生長,這不可能用表寸都遠小于晶體或晶粒的線度而可以忽略不[3
