1、第2章 晶体生长的基本规律主要教学内容主要教学内容p晶体生长晶体生长*p晶面的发育晶面的发育*p影响晶体生长的外部因素影响晶体生长的外部因素p晶体生长技术简介晶体生长技术简介2.1 晶体的形成方式晶体的形成方式气态物质处于低气态物质处于低蒸汽压和较低的温度下。蒸汽压和较低的温度下。火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积气-固结晶作用从溶液中结晶从溶液中结晶p溶液过饱和溶液过饱和 c=c ceq c：绝对过饱和度；：绝对过饱和度；c：溶液浓度；：溶液浓度；ceq：溶解度：溶解度p通过化学反应生成难溶物质通过化学反应生成难溶物质CaNO3+Na2CO3=CaCO3 +NaNO
2、3Ca(OH)2+H3PO4=Ca5(PO4)3(OH)+H2O 液-固结晶作用从熔体中结晶从熔体中结晶 条件：熔体过冷却条件：熔体过冷却 T=Tf T ；Tf：熔点；：熔点；T：熔体温度；：熔体温度；T：绝对过冷度，绝对过冷度，p同质多像转变同质多像转变 石墨在高压条件下转变为金刚石。石墨在高压条件下转变为金刚石。p固相反应结晶固相反应结晶 CaO+SiO2=Ca2SiO3 p重结晶重结晶 p脱玻化脱玻化 固固-固结晶作用固结晶作用 青海察尔汗盐湖中盐花结晶体石钟乳、石笋、石柱岩浆岩的形成岩浆岩的形成How Igneous Rock Is Formed天然熔体：岩浆天然熔体：岩浆Heat s
3、ome solvent to boiling.Place the solid to be recrystallized in an Erlenmeyer flask.盐溶液的结晶实验盐溶液的结晶实验Pour a small amount of the hot solvent Into the flask containing the solid.Swirl the flask to dissolve the solid.Place the flask on the steam bath to keep the solution warm.If the solid is still not di
4、ssolved,add a tiny amount more solvent and swirl again.When the solid is all in solution,set it on the bench top.Do not disturb it!After a while,crystals should appear in the flask.You can now place the flask in an ice bath to finish the crystallization process Close-up of pictures forming in a flas
5、k2.2 晶体的生长晶体的生长晶体形成的三个阶段晶体形成的三个阶段p介质的过饱和或过冷却阶段；介质的过饱和或过冷却阶段；p成核阶段；成核阶段；p生长阶段。生长阶段。晶核上的三种位置晶核上的三种位置三三面面凹凹角角二面凹角二面凹角一般位置一般位置层生长理论层生长理论假设：晶体由单原子假设：晶体由单原子构成的立方晶胞堆积构成的立方晶胞堆积而成，相邻质点间而成，相邻质点间 距距为为a a。晶体的生长的基本理论a a1.414a1.732a 三面凹角三面凹角 3 6 4 二面凹角二面凹角 2 6 4 一般位置一般位置 1 4 4三种位置上最邻近的质点数三种位置上最邻近的质点数三面凹角三面凹角二面凹角二
6、面凹角一般位置一般位置质点的堆积顺序质点的堆积顺序三面凹角三面凹角二面凹角二面凹角一般位置。一般位置。晶体的理想生长过程晶体的理想生长过程p 在晶核的基础上，逐行生长，直到长满一层面在晶核的基础上，逐行生长，直到长满一层面网，再长相邻面网，如此网，再长相邻面网，如此逐层向外推移逐层向外推移；p 生长停止后，最外层面网就是实际晶面，相邻生长停止后，最外层面网就是实际晶面，相邻面网的交棱就是实际晶棱。面网的交棱就是实际晶棱。层生长理论可以解释的现象层生长理论可以解释的现象p晶体的几何多面体形态晶体的几何多面体形态p晶体中的环带构造晶体中的环带构造电气石横截面上的环带电气石横截面上的环带蓝宝石中的六
7、方环状生长纹蓝宝石中的六方环状生长纹p某些晶体内部的沙钟构造。某些晶体内部的沙钟构造。p同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。普通辉石的砂钟构造普通辉石的砂钟构造晶体的阶梯状生长晶面上阶梯状的生长纹晶面上阶梯状的生长纹晶体的螺旋状生长晶体的螺旋状生长晶体的螺旋状生长 石墨底面上的生长螺纹石墨底面上的生长螺纹2.3 晶面的发育实际晶体往往为面网密度大的面网所包围。p晶面生长速度：晶面在单位时间内沿法线方向晶面生长速度：晶面在单位时间内沿法线方向向外推移的距离。向外推移的距离。布拉维法则 晶面法线方向晶面法线方向ABCDab面网密度面网密度ABCDBC
8、生长速度快生长速度快生长速度慢生长速度慢面网密度大，生长速度慢；面网密度大，生长速度慢；面网密度小，生长速度快。面网密度小，生长速度快。生长速度最快的面网消缩最快。生长速度最快的面网消缩最快。布拉维法则以简化条件为前提，没有考虑温布拉维法则以简化条件为前提，没有考虑温度、压力、浓度、杂质等对晶面生长速度产度、压力、浓度、杂质等对晶面生长速度产生影响。生影响。p居里：晶体生长的平衡态表面能最小。居里：晶体生长的平衡态表面能最小。p吴里夫：生长速度快的晶面表面能大。吴里夫：生长速度快的晶面表面能大。居理吴里夫原理周期键链（Periodic Bond Chain）理论o在晶体结构中存在一系列周期性的
9、强键链在晶体结构中存在一系列周期性的强键链,其其重复特征与晶体结构中质点的重复一致。重复特征与晶体结构中质点的重复一致。o按键链的多少，可将晶体生长过程中可能出现按键链的多少，可将晶体生长过程中可能出现的晶面分为三种类型。的晶面分为三种类型。F面：面：平坦面平坦面S面：面：阶梯面阶梯面K面：面：扭折面扭折面p F F面发育成较大的面；面发育成较大的面；K K面罕见或缺失面罕见或缺失箭头箭头A、B、C指示强健指示强健PBC方向方向2.4 影响晶体生长的外部因素影响晶体生长的外部因素左：温度较高时形成；右：常温下形成方解石（方解石（CaCO3）晶体形态）晶体形态 温度 杂质的吸附将改变晶面的比表面
10、自由能，结果使杂质的吸附将改变晶面的比表面自由能，结果使晶面的生长速度发生变化。晶面的生长速度发生变化。溶液中含有少量硼酸溶液中含有少量硼酸NaCl晶体晶体溶液中不含有杂质溶液中不含有杂质杂质 介质粘度大，会影响物质的运移和供给。由于晶体介质粘度大，会影响物质的运移和供给。由于晶体的棱和角顶处较易于接受溶质，因此生长较快；的棱和角顶处较易于接受溶质，因此生长较快；晶面中心生长较慢，甚至不生长，结果形成晶面中心生长较慢，甚至不生长，结果形成骸晶骸晶。介质粘度 介质富含介质富含Al2O3；Y3Al2AlO43）晶形）晶形介质介质富含富含Y2O3 组分的相对浓度涡流使生长晶体的物质供应不均匀。涡流使
11、生长晶体的物质供应不均匀。涡流对晶体形态的影响涡流愛和感謝愛和感謝 真噁心討厭，真噁心討厭，我要殺了你我要殺了你 良善的訊息可以產生美麗的水結晶良善的訊息可以產生美麗的水結晶 照片日本照片日本IHM研究所江本勝博士研究所江本勝博士聽田園交響曲聽田園交響曲 聽離別曲聽離別曲 聽重金屬音樂聽重金屬音樂2.5 晶体晶体的人工的人工生长技术生长技术 p特点：装置简单，成本低，特点：装置简单，成本低，产量大。产量大。p原理：原料在火焰中熔融，原理：原料在火焰中熔融，在籽晶上结晶。在籽晶上结晶。p设备与生产过程设备与生产过程(以刚玉以刚玉为例为例)燃烧温度：燃烧温度：2200(2200(刚玉刚玉的熔点为的
12、熔点为2050)2050)。晶体生长速率：晶体生长速率：lcm/hlcm/h。焰熔法焰熔法合成晶体生产过程中生长结束生产过程结束生产过程结束 提拉法(Czochralski Process)又称丘克拉斯基法。主要用来生长高质量的晶体。又称丘克拉斯基法。主要用来生长高质量的晶体。o半导体单晶：半导体单晶：单晶单晶Si、单晶、单晶Ge；o固体激光器的核心材料：固体激光器的核心材料：红宝石红宝石(Al2O3)、掺钕钇、掺钕钇铝榴石铝榴石(Nd:Y3Al5O12)o重要的压电材料：重要的压电材料：钛酸钡钛酸钡(BaTiO3)、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO3)；o热释电材料：热释电材料：铌酸锂铌酸锂(Li
13、NbO3)，用于红外探测和，用于红外探测和红外摄像等技术。红外摄像等技术。p原理原料在坩埚中加热熔化，并在与熔体表面接触的籽晶上结晶。p设备隔热材料生长晶体窗口铱坩埚耐火材料射频线圈提拉法装置结构示意图 提拉法生长晶体过程提拉法生长晶体过程提拉法生产晶体设备提拉法生产晶体设备 专门用于生产立方氧化锆专门用于生产立方氧化锆-光学和激光基质材料。光学和激光基质材料。p原理：氧化锆的熔化温度为氧化锆的熔化温度为2750oC。没有容器能够承。没有容器能够承受如此高的温度。因此，这种方法没有专门的坩受如此高的温度。因此，这种方法没有专门的坩埚，而是巧妙地利用原料作为坩埚。埚，而是巧妙地利用原料作为坩埚。
14、壳熔法-冷坩埚法p 设备设备Cubic Zirconia Rough Crystals(Skull Melting Process)Corundum Rough Crystals(Verneuil Process)p生产过程生产过程氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金属氧化锆粉末和稳定剂装在由冷却铜管组成的金属杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末或锆杯内，在粉末中心放入引燃用的锆金属粉末或锆金属棒。然后由高频线圈加热。金属棒。然后由高频线圈加热。高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃周高频使锆金属熔化，熔化部分向外蔓延，引燃周围的粉末。紧靠着杯壁的粉末在循环冷剂的作用围的粉末。紧靠着杯
15、壁的粉末在循环冷剂的作用下保持固态，构成一层薄薄的外壳下保持固态，构成一层薄薄的外壳熔壳，这个熔壳，这个熔壳厚不足熔壳厚不足lmmlmm。待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加待坩埚内的物质达到完全熔融后，将坩埚从加热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶热区缓缓移开，坩埚内的物质开始冷却，结晶从壳底开始，向上长出圆柱状的晶体，直到全从壳底开始，向上长出圆柱状的晶体，直到全部结晶固化。部结晶固化。最后，在最后，在14001400时恒温时恒温12h12h，使晶体退火，以消，使晶体退火，以消除应变除应变。p原理原理 在高温高压条件下，在高温高压条件下，组分在封闭的高压釜组分在封闭的高压釜中较热的部位溶解，中较热的部位溶解，然后在较冷部位的籽然后在较冷部位的籽晶片上结晶。晶片上结晶。p设备设备水热法从从高高压压釜釜中中取取出出合合成成水水晶晶复习与思考：1.晶体的形成经历了那三个阶段？2.层生长理论的基本要点。3.布拉维法则
