晶體的生長(zhǎng)機(jī)理及生長(zhǎng)速度（連續(xù)生長(zhǎng)）課件.ppt

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1、2.1.3晶體的長(zhǎng)大3晶體的生長(zhǎng)方式和速度晶體的生長(zhǎng)方式，是指液相中原子向某個(gè)晶粒表面的堆砌方式。根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的不同，晶體可采取連續(xù)生長(zhǎng)，側(cè)向生長(zhǎng)和從缺陷生長(zhǎng)等方式;這三種生長(zhǎng)方式相互聯(lián)系又各具特征。8/12/202111）連續(xù)生長(zhǎng)――粗糙界面的生長(zhǎng)粗糙界面--原子只占50%左右的位置，存在50%左右的空位，可作為液相中原子向上堆砌的臺(tái)階。這種臺(tái)階不限于一層原子，甚至存在于幾個(gè)原子層內(nèi)。沉積到界面上的原子受到前方和側(cè)面固態(tài)原子的作用，結(jié)合牢固且不易反彈或脫落，如圖。晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中界面上的臺(tái)階始終存在（保持粗糙界面）因此，液體中的原子可以在整個(gè)界面上連續(xù)沉積，促使界面便連續(xù)、均

2、勻地垂直生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)被稱為連續(xù)生長(zhǎng)、垂直生長(zhǎng)或正常生長(zhǎng)。8/12/20212圖2-14粗糙界面上原子的堆砌過(guò)程返回8/12/20213由于一個(gè)原子到達(dá)界面后不因彈性碰撞而被彈回幾率AF→1，故生長(zhǎng)中幾乎不存在熱力學(xué)能障。由于界面的多層結(jié)構(gòu)和過(guò)渡性質(zhì)，其動(dòng)力學(xué)能障也比較小。因此生長(zhǎng)過(guò)程易為較小的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷所驅(qū)動(dòng)，并能得到較高的生長(zhǎng)速度。絕大多數(shù)金屬定量：連續(xù)生長(zhǎng)速度R與ΔTK關(guān)系？8/12/20214如圖2,當(dāng)固/液界面溫度低于平衡熔點(diǎn)溫度Tm時(shí)，原子從液相跳向固相界面所需活化能為ΔGb，則原子越過(guò)勢(shì)壘ΔGb從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的頻率υLS為：υ0—原子的振動(dòng)頻率。圖2固/液界面的自

3、由能8/12/20215如果原子從固相界面反彈回液相液相中所要克服的勢(shì)壘是ΔGb＋ΔGm。原子反彈回液相的頻率υSL示為：只有當(dāng)原子由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的頻率大于由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的頻率時(shí)，晶體才能長(zhǎng)大。因此，原子沉積與反彈頻率之差，即凈頻率為8/12/20216由于式中ΔTK為動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度。當(dāng)KT值很大，而ΔGm很小時(shí)，凈頻率表達(dá)式可以按Taylor公式展開(kāi)，整理得8/12/20217如果原子在界面上沉積的概率處處相等，并且沉積一層原子使界面向前推進(jìn)的距離為a，則界面連續(xù)長(zhǎng)大的速度為:由于因此，粗糙界面的連續(xù)長(zhǎng)大速度為式中μ1是連續(xù)長(zhǎng)大系數(shù)。8/12/20218粗糙界面連續(xù)長(zhǎng)大方式的特

4、點(diǎn)：(1)當(dāng)液態(tài)原子的擴(kuò)散系數(shù)DL隨溫度變化不大時(shí)，晶體長(zhǎng)大速度R與動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度ΔTK呈線性關(guān)系，如圖2-7(a)。其長(zhǎng)大所需的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷很小，一般為ΔTK≈0.01~0.05K。一般μ1≈1～100cm/(s?K)，因此在很小的過(guò)冷度下就可以獲得極高的生長(zhǎng)速度。實(shí)際鑄錠凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)速度約為10-2cm/s，由此推算出的動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度ΔTK≈10-2～10-4K，小到無(wú)法測(cè)量的程度。8/12/20219圖2-7連續(xù)長(zhǎng)大速度R與過(guò)冷度ΔTK的關(guān)系(a)非粘性金屬液體(b)氧化物或有機(jī)物返回1返回28/12/202110(2)實(shí)質(zhì)上：過(guò)冷度的大小是由界面附近的溫度和成分所決定的。

5、由于這種生長(zhǎng)機(jī)理的界面原子遷移速度極高，故晶體的生長(zhǎng)速度最后將由傳熱過(guò)程或傳質(zhì)過(guò)程所決定。即由液相原子的擴(kuò)散能力和界面導(dǎo)出結(jié)晶潛熱的能力所決定。前者決定了液體中原子向界面上跳躍沉積的速度，后者決定了界面前沿始終保持一個(gè)較大動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度ΔTK。在DL變化不大時(shí)，通過(guò)增大過(guò)冷度ΔTK，可獲得很大的長(zhǎng)大速度。金屬的結(jié)晶潛熱較低，散熱條件較好，溶質(zhì)擴(kuò)散速度也較高，因此易于保持較高的生長(zhǎng)速度。8/12/202111(3)當(dāng)DL值隨溫度變化很大時(shí)，如氧化物和有機(jī)化合物等，在某一過(guò)冷度ΔTK時(shí)，晶體長(zhǎng)大速度達(dá)到最大值；繼續(xù)增大過(guò)冷度，晶體長(zhǎng)大速度反而下降如圖2-7(b)所示。(4)粗糙界面連

6、續(xù)長(zhǎng)大的結(jié)果，淹沒(méi)了晶體的棱角，使晶體呈現(xiàn)光滑的外表面。8/12/202112(1)生長(zhǎng)機(jī)制假定光滑界面為理想的無(wú)缺陷完整晶面。這種晶面有顯著的晶體學(xué)特性，它一般都是特定的密排面，晶面內(nèi)原子排列緊密。固、液兩相的結(jié)構(gòu)和鍵合情況差別很大，界限非常分明。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)要在很窄的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)急劇完成。液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困難。由于缺少現(xiàn)成的臺(tái)階作為接納新原子的角落，堆砌上去的原子也很不穩(wěn)定，極易脫落或彈回因此不可能像粗糙界面那樣借助于連續(xù)生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行生長(zhǎng)。2）二維形核生長(zhǎng)機(jī)理――完整平整界面（光滑界面）的生長(zhǎng)8/12/202113當(dāng)光滑界面為完整的界面時(shí)，只能依靠能量

7、起伏使液態(tài)原子:首先在界面上形成單原子厚度的二維晶核，然后利用其周圍臺(tái)階沿著界面橫向擴(kuò)展，直到長(zhǎng)滿一層后，界面就向液相前進(jìn)了一個(gè)晶面間距。這時(shí)，又必須利用二維形核產(chǎn)生新臺(tái)階，才能開(kāi)始新一層的生長(zhǎng)，周而復(fù)始地進(jìn)行。界面的推移具有不連續(xù)性，并且有橫向生長(zhǎng)的特點(diǎn)。臺(tái)階沿界面的運(yùn)動(dòng)是這種生長(zhǎng)機(jī)理的基本特征。又稱側(cè)面生長(zhǎng)、沿面生長(zhǎng)或?qū)訝钌L(zhǎng)。8/12/202114圖2-8光滑界面?zhèn)认蛏L(zhǎng)方式8/12/202115特點(diǎn)：二維形核控制界面生長(zhǎng)過(guò)程。二維形核的熱力學(xué)能障較高；由于界面的突變性質(zhì)，其動(dòng)力學(xué)能障