1、第二章 人工晶体的生长2.1 人工晶体的生长过程人工晶体的生长过程2.2 晶体生长的热量运输和质量运输晶体生长的热量运输和质量运输2.3 人工晶体生长方法人工晶体生长方法2.4 晶体的缺陷与检测晶体的缺陷与检测2.5 我国人工晶体生长设备的展望我国人工晶体生长设备的展望第二章 人工晶体的生长2.1 晶体的生长过程晶体的生长过程成核成核生长生长均匀成核均匀成核非均匀成核非均匀成核完整晶面生长完整晶面生长准理想晶面生长准理想晶面生长2.1.1 晶核的形成 晶体的生成一般是先生成晶核，然后再逐晶体的生成一般是先生成晶核，然后再逐渐长大。晶核：从母相中初始析出并达到某个渐长大。晶核：从母相中初始析出并
2、达到某个临界大小，从而得以继续成长的结晶相微粒。临界大小，从而得以继续成长的结晶相微粒。 均匀成核作用均匀成核作用 初次成核作用初次成核作用成核作用成核作用 非均匀成核作非均匀成核作用用 二次成核作用二次成核作用 n晶核可由已达过饱和或过冷却的流体相本晶核可由已达过饱和或过冷却的流体相本身自发地产生，这种成核作用叫身自发地产生，这种成核作用叫均匀成核均匀成核作用；作用；n晶核也可借助于非结晶相外来物的诱导而晶核也可借助于非结晶相外来物的诱导而产生，叫产生，叫非均匀成核作用非均匀成核作用；n晶体还可由体系中业已存在的晶体的诱导晶体还可由体系中业已存在的晶体的诱导而产生，这种成核作用叫而产生，这种
3、成核作用叫二次成核作用二次成核作用。 成核是一个相变过程，即在母液相中成核是一个相变过程，即在母液相中形成固相小晶芽，这一相变过程中体系自形成固相小晶芽，这一相变过程中体系自由能的由能的变化变化为：为：23434rGrGGGvSVGV是体系从液相转变成晶体相时是体系从液相转变成晶体相时体自由能体自由能的变化，的变化，GS是增加的固液界面的是增加的固液界面的表面能表面能，一、均匀成核一、均匀成核GVGSGrcrG 成核能成核能(G)的大小随的大小随着晶核临界尺寸着晶核临界尺寸rc的不同而变的不同而变化，而化，而rc又与溶液的又与溶液的过饱和度过饱和度密切相关。过饱和度越高，密切相关。过饱和度越高
4、，晶核的晶核的rc以及以及G就越小，相就越小，相应地成核几率就越大，应地成核几率就越大，成核成核速率速率（单位时间内所形成的单位时间内所形成的晶核之总体积晶核之总体积）就越高。）就越高。23434rGrGGGvSVcrr 非均匀成核和二次成核非均匀成核和二次成核作用也需要一定的成核作用也需要一定的成核能（能（ G）。）。若若 G G，晶核与固相外来物之间完全没有亲，晶核与固相外来物之间完全没有亲和力，不发生非均匀成核和二次成核；和力，不发生非均匀成核和二次成核；若若 G0，说明固相外来物与所结晶物质是同种晶说明固相外来物与所结晶物质是同种晶体，优先二次成核。体，优先二次成核。晶种晶种若若 G
5、G0，固相外来物与所结晶物质两者的，固相外来物与所结晶物质两者的内部结构越接近，内部结构越接近， G就越小，越容易发生非均就越小，越容易发生非均匀成核或二次成核作用。匀成核或二次成核作用。二、非均匀成核二、非均匀成核在在O点，满足力学平衡条件：点，满足力学平衡条件：SLSCLCSLSCLCcoscos)(fGGHSSLSLSCSCLCLCr rOSCL4coscos32)(3HHSGfGG形成胚芽形成胚芽S后自由能后自由能的改变量的改变量均匀成核均匀成核自由能的自由能的改变量改变量010 fHSGG衬底能降低临界核形成能，衬底能降低临界核形成能，使得晶核容易形成使得晶核容易形成2.1.2 晶体
6、生长过程和形态 晶体生长形态是其内部结构的外在反映，晶体的晶体生长形态是其内部结构的外在反映，晶体的各个晶面间的各个晶面间的相对生长速率相对生长速率决定了它的生长形态。决定了它的生长形态。 晶体生长形态不但受其内部结构的对称性、结构晶体生长形态不但受其内部结构的对称性、结构基元间键合和晶体缺陷等因素的制约，而且在很大程基元间键合和晶体缺陷等因素的制约，而且在很大程度上还受到度上还受到生长环境相生长环境相的影响。的影响。 一、布拉维法则一、布拉维法则面网密度：面网密度：ABDCBC生长速度：生长速度：ABDCT0，这样在，这样在生长界面附近存在着厚度生长界面附近存在着厚度为为T的温度边界层的温度
7、边界层n温度边界层厚度温度边界层厚度T，不仅与熔体的物理化学性，不仅与熔体的物理化学性质有关，而且与生长体系的搅拌程度也有关。质有关，而且与生长体系的搅拌程度也有关。n采用提拉法生长晶体，采用提拉法生长晶体，T与与的关系为的关系为为晶体转速为熔体的密度；为熔体的比热；为熔体的热导率为熔体的粘滞度；式中，c 61. 1 2121313161cT快，温度边界层越薄也就是说，晶体转速越 21T六、温度梯度对界面稳定性的影响六、温度梯度对界面稳定性的影响2.2.2 质量输运一、质量输运的两种模式一、质量输运的两种模式其一其一扩散扩散：通过分子运动来实现的；：通过分子运动来实现的；其二其二对流对流：通过
8、溶解于流体中的物质质点，在流体：通过溶解于流体中的物质质点，在流体宏观运动过程中被流体带动并一同输运。宏观运动过程中被流体带动并一同输运。o扩散的驱动力来源于扩散的驱动力来源于溶液浓度梯度溶液浓度梯度；o浓度梯度浓度梯度是一个矢量，它沿着等浓度面的法线并指向浓是一个矢量，它沿着等浓度面的法线并指向浓度升高的方向，其大小是沿该方向单位长度浓度的变化。度升高的方向，其大小是沿该方向单位长度浓度的变化。二、分凝现象与分凝系数二、分凝现象与分凝系数溶质溶质B浓度浓度TCLCSTL溶质溶质B浓度浓度TCLCSTL(1)(2)1 1、分凝现象分凝现象将含有杂质的晶态物质溶化将含有杂质的晶态物质溶化后，再结
9、晶时杂质在结晶的固体和未结晶的液后，再结晶时杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度不同的现象，也称为偏析现象。体中浓度不同的现象，也称为偏析现象。所制备所制备晶体晶体杂质杂质 溶液的凝固点是溶质浓度的函数：溶液的凝固点是溶质浓度的函数： T(CL)=T0+dT/dCLCL= T0+mCL； m表征溶液中溶质改变单位浓度导致凝固点的变化，表征溶液中溶质改变单位浓度导致凝固点的变化，决定于溶液系统决定于溶液系统(溶质溶质+溶剂溶剂)的性质的性质2、分凝系数、分凝系数存在两种溶质：存在两种溶质：降低溶液的凝固点，降低溶液的凝固点，m0 (2)溶质浓度溶质浓度TCLCSTL溶质浓度溶质浓度TCLCSTL
10、(1)(2) 图中的中间区域是固溶体和溶液共存区，在恒定的图中的中间区域是固溶体和溶液共存区，在恒定的温度温度T下，两者处于热力学平衡状态。下，两者处于热力学平衡状态。 不同的温度下虽然有不同的平衡浓度不同的温度下虽然有不同的平衡浓度CS和和CL，但比，但比值恒为常数：值恒为常数：k0=CS/CL； k0与温度、浓度无关，只决定于溶剂和溶质的性质。与温度、浓度无关，只决定于溶剂和溶质的性质。由于由于k0是表征溶液与固溶体共存的热力学平衡性质的，是表征溶液与固溶体共存的热力学平衡性质的，所以定义所以定义k0为溶质（相对于材料）的为溶质（相对于材料）的平衡分凝系数平衡分凝系数。(1)(2)存在两种
11、存在两种K0：(1)降低溶液的凝固点降低溶液的凝固点K0 1，杂质向头部集中，杂质向头部集中(1)(2) 平衡分凝系数平衡分凝系数k0为无对流、无机械为无对流、无机械搅拌等因素干扰的理想值，考虑实际情搅拌等因素干扰的理想值，考虑实际情况，引入况，引入有效分凝系数有效分凝系数K有效有效。)exp()1 (000cDVKKKK有效K01凝固点凝固点曲线曲线温度梯温度梯度曲线度曲线三、溶质浓度对界面稳定性的影响三、溶质浓度对界面稳定性的影响o在在以内（溶质边界层以内），熔体的实际温度以内（溶质边界层以内），熔体的实际温度比应有的凝固点温度低，在界面附近形成了过冷比应有的凝固点温度低，在界面附近形成了
12、过冷区（阴影），这是因为溶质在界面附近的熔体中区（阴影），这是因为溶质在界面附近的熔体中浓集而引起的，故称为浓集而引起的，故称为组分过冷组分过冷。o在这种情况下，当界面上出现任何干扰，都会使在这种情况下，当界面上出现任何干扰，都会使原来的光滑界面变为凹凸不平的不稳定界面。原来的光滑界面变为凹凸不平的不稳定界面。1 1、组分过冷、组分过冷TA)exp()1 ()1 (000DVkkDkmCVGL2 2、组分过冷的临界条件、组分过冷的临界条件o结论：结论：o分凝系数分凝系数K0越接近越接近1，越不易产生组分过，越不易产生组分过冷；冷；o分凝系数分凝系数K0大于大于1，不产生组分过冷；，不产生组分过
13、冷；o液流状态对组分过冷的影响主要通过边界液流状态对组分过冷的影响主要通过边界层厚度来反映，转速越大、边界层厚度越层厚度来反映，转速越大、边界层厚度越小，越不易产生组分过冷。小，越不易产生组分过冷。四、溶质分布的均化四、溶质分布的均化1、计划速率法 调节工艺参数V和D，来改变K有效的大小，使其与CL（X）的乘积保持不变，即使得CS（X）保持不变，制得的材料中杂质分布均匀。XXDVc01)exp(已凝固部分的体已凝固部分的体积百分数积百分数计划速率法可能获得计划速率法可能获得的溶质分布均匀的最的溶质分布均匀的最大体积百分数大体积百分数2、溶液稀释法 0211KAAII室的截面积室的截面积I室和室和II室截面积之和室截面积之和3、溶液补充法 4、层熔法 溶质添加口溶质添加口1)(21212RRVV熔化层移熔化层移动速率动速率生长速率生长速率晶体直径晶体直径坩埚直径坩埚直径精品课件精品课件！精品课件精品课件！五、生长层五、生长层 生长层是晶体内溶质浓度交替变化的薄生长层是晶体内溶质浓度交替变化的薄层，其形状与固液界面相同，是一种宏观缺层，其形状与固液界面相同，是一种宏观缺陷。陷。
