关于培养晶体一些理论
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晶体学中的晶体生长机理晶体生长是晶体学中的一个重要领域,研究晶体生长机理对于探索材料科学、地球科学、生物科学等方面都有着重要的意义。
晶体生长机理主要涉及晶体生长的基本原理、动力学规律、影响因素等方面,下面我们就一一进行深入探讨。
1.晶体生长的基本原理晶体是由无序的原子、分子或离子按一定的方式排列而成的,因此晶体生长就是把这些原子或分子有序地聚集到一起构建成晶体的过程。
不同的物种会在不同的条件下形成不同的结晶形态。
在晶体生长过程中,要满足一定的热力学和动力学条件,最终完成晶体形态的转化。
其中,热力学条件主要包括熔点、饱和溶解度、自由能等,而动力学条件则与晶体核形成、生长速率、晶面生长速率等因素有关。
2.晶体生长的动力学规律晶体生长的动力学规律可以根据各种动力学理论进行研究,如沉淀理论、界面扩散和溶液流体力学。
其中,沉淀理论是最基本的晶体生长理论,它认为晶体的生长是由过饱和度引起的,而沉淀物的形成则为晶体生长提供原料。
界面扩散指的是在固体和液体界面上,由于能量的差异,物质会发生扩散流动,从而促进晶体生长。
同时,溶液中也会存在着流体力学因素,如对流、振荡等,它们也会对晶体生长产生影响。
3.晶体生长的影响因素晶体生长过程中,影响晶体质量和形态的因素非常多。
其中,物理因素主要包括温度、溶液浓度、溶液pH值、气体压力等。
化学因素则与晶体的生长速率、晶体形态、晶体尺寸等方面有关。
此外,晶体生长还受到了生物、物理和地球环境等方面的影响。
在生物领域中,晶体生长被广泛应用于蛋白质晶体学领域,其中生物分子的晶体生长往往需要在理想的环境条件下进行。
而在地球科学领域中,晶体生长则被应用于岩石和矿物的研究中,通过分析矿物的生长环境,我们可以了解到地球历史的一些重要信息。
结论综上所述,晶体生长机理涉及了热力学、动力学、影响因素等许多方面。
了解晶体生长机理对于进一步发展晶体技术和探索材料科学等领域都有着重要的意义。
在未来的研究中,我们还需要结合材料科学、生物学、地球科学等领域中的问题,深入探讨晶体生长的规律和机制。
人工晶体生长理论与应用人工晶体生长是一门制备高纯度单晶体的技术,应用于众多领域,包括电子、光电、能源和生物学等。
本文将深入探讨人工晶体生长的理论和应用。
一、人工晶体生长的理论人工晶体生长的基本原理是控制溶液中某种化合物的过饱和度,使其从溶液中结晶形成单晶体。
而过饱和度是指溶液中某种物质的浓度,超过了在该温度和压力下饱和溶解度时的浓度。
人工晶体生长的主要步骤包括溶解、凝胶化、核化、生长和收获等。
其中,溶解是指将化合物加入一个适当的溶剂中,使之溶解成无色、透明的溶液;凝胶化则是指在溶液中加入上述化合物,使之开始凝胶并逐渐形成晶核;核化是指晶核的形成与增长,是整个晶体生长的关键步骤;生长是指晶核继续生长,使之变成完整单晶;收获是指分离和处理已生长完成的单晶。
对于人工晶体生长来说,其理论依据是热力学和动力学原理。
在热力学上,由于化合物在不同温度下的饱和溶解度不同,因此通过控制温度可以控制过饱和度,从而影响晶体的生长速率和形态。
在动力学上,由于晶体生长受到多种因素的影响,如溶液的流动、温度场、浓度场和晶体表面热力学特性等,因此调整这些因素的配比可以影响晶体的形态和质量。
二、人工晶体生长的应用人工晶体生长技术已经成为很多领域内制备高纯度单晶体的重要方法。
下面将对其中几个领域的应用进行简要介绍。
1. 电子学领域在电子学领域,人工晶体生长被广泛运用于制备高纯度半导体材料,如硅和锗等。
这些材料被广泛用于半导体器件制造,如各种芯片和集成电路等。
此外,人工晶体生长技术还可以制备高精度光栅和自适应镜头等,用于光刻和激光微加工等。
2. 光电领域在光电领域,人工晶体生长技术被用于制备各种光学器件,如LED、激光器和像空间器等。
特别是在LED领域,人工晶体生长技术被广泛运用,可以制备高效率的芯片和高亮度的LED灯泡。
3. 能源领域在能源领域,人工晶体生长技术也发挥着重要作用。
例如,太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的装备,其中的太阳能电池芯片就是通过人工晶体生长技术制备的。
晶体生长的理论与实践晶体学是一个独立的学科,是关于晶体结构与晶体性质的研究。
晶体学涉及到的学科包括物理学、化学、生物学、地球物理学等。
晶体生长是晶体学的一个重要分支,它是指在固态状况下,晶体凝聚体的孪晶、成核、生长和形态等过程。
晶体生长理论和实践的研究对于晶体学和材料科学的发展起到了重要的推动作用。
晶体生长的理论晶体生长涉及到的物理化学过程非常复杂,需要借助大量的物理学、化学、数学等知识来支撑其理论研究。
现代晶体生长理论主要分为热力学理论、动力学理论、表面化学理论和传输理论。
热力学理论是晶体生长理论的基础,它描述了晶体形成的化学平衡和热力学平衡的过程。
在热力学理论中,研究的重点是晶体的固相物相变化、溶解度等热力学指标和热力学平衡条件。
动力学理论是指晶体在生长过程中受到的各种因素,例如温度、浓度、流速等的影响。
动力学理论的中心问题是固体晶体、液相晶体和气相晶体的相互作用、晶体生长的速率、填充度等。
表面化学理论是指在晶体的生长过程中,晶体表面上分子的相互作用,主要研究表面形貌以及晶体与环境中存在的物质交换的动力学过程。
表面化学理论是目前较为活跃的晶体生长理论领域之一。
传输理论是指晶体生长中从溶液、气体和固体中传输质量和能量的传输理论。
它的核心问题是描述在固态生长、溶液和气相材料中,物质和能量的传输过程,以及影响该传输的各种因素。
晶体生长的实践晶体生长理论的研究是一个基础性的工作,但真正推动材料科学的发展还需要对晶体生长的具体实践进行深入的研究。
晶体生长的实践涉及的领域非常广泛,主要包括单晶生长、微晶生长、大晶体生长等。
单晶生长是指利用化学反应、冷却结晶等方法,在高温、高压条件下,使物质在单一方向上快速生长并形成单晶的过程。
单晶常常被用于研究材料的磁电性质、光电特性、电学、热学和机械性质等。
目前单晶生长的主要方法包括坩埚法、溶剂法、氧化还原法等。
微晶生长是指获得亚毫米尺度的小晶体的过程,主要用于材料的研究和生产领域。
晶体生长理论及其应用晶体在日常生活中无处不在,从家具上的水晶饰品到微处理器芯片,晶体都起着至关重要的作用。
晶体的实际应用需要通过掌握晶体生长的基本原理,使其品质得以提高,从而提高其应用性能。
晶体生长的基本原理晶体生长是指从固态或液态中将单一或复杂的化合物、元素或合金排列成一定结构并并定向生长,最终形成具有良好晶体结构的物质。
晶体生长依赖于物质分子间的相互作用力。
这些力可以近似地描述为分子间键的力。
晶体稳定性可从它们表面和周围环境的化学反应率来推断。
在晶体生长中,物质粒子从溶液或气体的界面处被吸附并形成新的晶体表面。
此过程中,分子间距离增加,而多面体结构的晶体表面能量则随之降低。
这种过程是可逆的,即晶体表面吸附的物质可在适当的条件下溶解。
晶体生长应用生长高纯度晶体是许多技术领域的一个重要问题。
为了保障晶体品质的重复性和稳定性,需要控制在生长过程中的密度和速度。
因此,对晶体生长机理的研究,能够提高晶体的生长速率和结构表现,并能够建立晶体生长的多个参数之间的关系。
研究显示,普通的晶体生长方法在高产量和生长质量方面存在很大局限性。
因此,许多新的生长方法和技术正在被开发。
一些新兴的晶体生长方法如电化学、电泳沉淀和喷雾干燥等能够提高生长速率、提高纯度、减少缺陷。
另外,通过研究晶体生长机制,一些新型的功能晶体和超硬晶体也被制造出来。
例如,尽管很难生长,但氮化硼晶体具有优异的物理特性。
氮化硼晶体具有高硬度、高热稳定性和较高的折射率。
这些物性使其成为重要的工业原料,用于制造磨料、切割工具、防弹材料和光学透镜。
此外,一些晶体生长技术还被广泛应用于生物医学、电子学和能源领域,如肿瘤治疗、生物芯片和太阳电池等。
在生物医学方面,人类组织需要一种有效的培养技术,以便生长新的组织。
这就需要合适的支架来支撑新组织的生长。
晶体生长方法可生产出高品质的生物聚合物薄膜,在人类组织移植和细胞培养方面具有很大的潜力。
总之,晶体生长理论的研究和应用,为各个领域提供了很多发展机会。
晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。
晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域,对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。
晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识,在实际应用中也有着广泛的应用价值。
晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面:1. 原子或分子的扩散。
晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。
这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。
原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。
2. 晶体表面的吸附和解吸。
当原子或分子到达晶体表面时,它们会发生吸附和解吸的过程。
吸附是指原子或分子附着在晶体表面,解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。
吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性,进而影响晶体生长的速率和形貌。
3. 晶体生长的动力学过程。
晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程,以及晶体内部的结构调整和排列。
这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响,对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。
4. 晶体生长的形貌控制。
晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。
在实际应用中,通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件,可以实现对晶体生长形貌的控制,获得特定形状和尺寸的晶体。
总的来说,晶体生长是一个复杂的过程,受到多种因素的影响。
在实际应用中,通过深入研究晶体生长的原理,可以实现对晶体生长过程的控制,获得具有特定形貌和性能的晶体材料,为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。
同时,对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律,对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。
材料科学中晶体生长的研究晶体生长是材料科学领域中的一个重要研究方向。
晶体是指空间周期性排列的原子、离子、分子等物质结构,它们的结构对材料的物理、化学性质以及应用有着直接影响。
晶体生长是指具有晶体结构的材料从液态、气态、溶液等状态中生成的过程,它的形态、尺寸、方向、结构等往往决定了晶体的性能。
在晶体生长研究中,主要包括晶体生长理论、晶体生长技术、晶体生长机理等多个方面。
下面将从几个不同角度来探讨晶体生长的研究:晶体生长理论、晶体生长技术、晶体生长机制。
晶体生长理论晶体生长的理论描述尤为重要。
早期对于晶体生长研究的主要理论基础是化学动力学和晶体学。
化学动力学是研究化学反应速率的学科,其研究对象包括化学反应产生的各种化合物和它们的反应机理。
而晶体学是研究晶体的学科,包括晶体的各种性质和结构。
将这两门学科相结合,就可以理解晶体生长的基础——晶体在各种反应环境下的形态和生长过程。
通过分析晶体的各种特性,可以为晶体生长的数学模型提供理论支持,并且为更好地控制晶体生长过程提供依据。
晶体生长模型从简单到复杂经历了多个时期。
最初的模型认为,晶体生长速率只取决于晶面对反应物的反应能力和表面吸附的原子和分子数目,且在反应过程中各种成键能力相当。
为了考虑晶体生长的更多参数,晶体生长最近出现了更为复杂的模型。
其中之一是晶体生长模拟。
模拟处于晶体生长模型的顶点,可以通过计算机模拟,采用数学模型、物理模型、化学模型等知识建立各种晶体生长模型,以优化晶体生长。
晶体生长技术有多种方法可以进行晶体生长,每种方法都有其优缺点。
例如,液相法、气相沉积法等技术可以实现小尺寸高质量的晶体生长,而通过电泳沉积、拉伸等技术可以实现大尺寸晶体生长。
但是,不同的晶体生长技术适用的范围和效果各不相同。
其中,液相法是晶体生长技术中常用的一种,它通过加热和混合多种化学物质来控制晶体生长。
尽管此方法在生长过程中受搅拌、温度和其他变量的影响,但这种方法被普遍使用,因为它可以实现高质量晶体生长并可以进行比较精确的控制。
晶体的生长机理和控制方法晶体是由原子或分子有序排列而形成的有规律的固体结构,广泛应用于化学、生物、材料、电子等领域。
晶体的生长是指通过物质的凝聚和有序排列形成完整晶体过程,其机理和控制方法也是学术和实践上重要的问题。
一、晶体的生长机理晶体的生长机理涉及到热力学、动力学、热传导、质量传输、界面化学等多个方面。
其中主要包括以下几个方面的内容:1.核化与成核:在过饱和度条件下,原料分子集聚形成的不稳定凝聚体称为临界核(nucleus),成核的速度与临界尺寸大小有关。
过大的临界尺寸会影响成核速度,过小则会限制晶体成长速率。
2.晶面生长与形核模式选择:晶体在生长过程中受到的外界环境和晶面热力势能的作用,会直接影响晶面造型和选择。
这也是研究晶体形貌和遗传的主要内容之一。
3.晶体成长速率:晶体生长速度受到物理、化学作用力和传质速率等影响,是一种非平稳过程。
晶面生长速率与色散系数、溶解度、传质系数等有关。
二、晶体的控制方法晶体的生长速率和生长状态的控制及调控,是晶体工艺和材料战略发展的主要研究方向之一。
以下是几种晶体生长控制方法的介绍:1.温度差控制法:是利用温度差异控制晶体生长速率和生长方向的一种方法。
在对称的两侧,控制温差形成温差层,从而调控晶体生长位置和速率。
2.流速控制法:流体在晶体表面的流动速度对晶体生长状态有明显影响。
通过调节流体流速来控制晶体生长速率和晶体形态。
3.添加控制剂:控制剂可以影响过饱和度和晶体成核速度。
通过添加控制剂来调节晶体的生长速率和生长方向。
4.电化学控制法:利用电场、电位或电流等电学性质,在晶体生长过程中对物质传输和物种吸附等过程进行有针对性的调节。
以上方法仅是晶体生长控制的概述,实际上还有其他方法,如冷却速率、溶液浓度、晶体取向控制等,具体选择方法还要根据晶体特性和工艺需求。
三、晶体的应用前景晶体作为一种重要的结晶材料,其应用领域广泛,包括但不限于以下几个方面:1.半导体电子学:从硅基结晶到磷化镓、硅锗合金、氧化锌等,晶体在电子学领域的应用尤为广泛,几乎所有电子器件都将其诞生地定义为晶体管!2.磁性材料:铁、钴、镍等金属的磁性,体现在固体晶体中体现出来。
1对于分子量比较大的物质(比如说普通配体),一般用极性相差较大的,比如三氯甲烷和乙醇;对于分子量较大的如杯芳烃,一般用极性相差较小的,比如三氯甲烷和甲苯2选择的比例一般是惰性溶剂:良性溶剂=2:1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。
只有晶体才是真正的固体。
由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变。
晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大。
一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段:①介质达到过饱和、过冷却阶段;②成核阶段;②生长阶段。
在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶。
体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。
这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。
这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用。
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用。
均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几宰相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核。
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。
因之在过冷却度很小时亦能局部地成核在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度。
它决定于物质的过饱和度或过冷却度。
过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大。
成核速度还与介质的粘度有关,轮度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度晶核形成后,将进一步成长。
下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。
一、层生长理论科塞尔(Kossel,1927)首先提出,后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置。
材料科学中的晶体生长理论与技术进入21世纪以来,随着科技的不断进步,材料科学成为一个越来越重要的领域。
晶体生长理论和技术更是材料科学中最重要的方面之一。
本文就探讨晶体生长理论和技术的相关内容。
一、晶体生长理论晶体生长是指在水或其他适当溶解液中,将溶解的原料分子和原先已经结晶的晶粒加热至临界温度,然后使其在熔体中重新结晶形成新的单晶,这个过程就是晶体生长。
晶体生长理论主要包括两个方面:核生成和晶面生长。
1.核生成晶体生长的核生成过程是指在溶液或熔体中形成一个小的晶体颗粒。
对于凝聚态物质,一般晶体在生长之前都是先形成核。
核的形成是一个动力学过程,它涉及到体系的热力学和动力学特性。
晶体生长是从正常的物态向有序的晶体物态转化,因此核的生成是这个转化的初期阶段,它对于整个过程是至关重要的。
2.晶面生长晶面生长是一种以晶体表面为基础的结晶生长方式。
晶面作为晶体生长过程的基础,其构成元素是“原子层面”,形成时它必须具备一定的“晶格结构”,这种结构又称为“晶面构造”。
晶面构造是晶体生长中非常重要的结构,因为它决定了晶体的结晶方向、晶格常数以及合成材料的性质。
二、晶体生长技术随着晶体生长理论的不断发展,伴随而来的是各种晶体生长技术的不断出现。
这些技术可以大致分为以下几大类。
1.质量曲线法质量曲线法是一种依据晶体生长过程中质量与温度的关系研究晶体生长的方法。
这种方法涉及到温度变化的实验,实验结果可以通过相对应的质量曲线来表述。
利用这种方法可以了解晶体生长过程中晶面扩散的机制和动力学参数。
2.气相扩散法气相扩散法是指利用气相中的物质沉积在正在生长的晶体表面上来做成晶体的方法。
这种方法有着较好的控制能力和生长条件,可以生长出高纯度、高质量的单晶。
3.溶液法溶液法是指在溶液中直接生长出单晶的方法。
这种方法较为简单,操作容易,可以生长出高品质的晶体。
溶液法是目前用得最广泛的方法之一。
4.熔岩法熔岩法是指将熔态物质缓慢降温,使其结晶成晶体。
三种晶体生长理论:一、层生长理论科赛尔首先提出,后经斯兰特斯基加以发展的晶体的层生长理论亦称为科赛尔-斯兰特斯基理论。
这一模型主要讨论的关键问题是:在一个面尚未生长完全前在一界面上找出最佳生长位置。
图8-2表示了一个简单立方晶体模型中一界面上的各种位置,各位上成键数目不同,新支点就位后的稳定程度不同。
每个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位置是能量上最有利的位置,即结合成键时应该是成键数目最多、释放出能量最大的位置。
图8-2所示质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置:k为曲折面,具有三面凹角,是最有利的生长位置;其次是S阶梯面,具有两面凹角的位置;最不利的生长位置是A。
由此可以得出如下的结论:警惕在理想情况下生长时,一旦有三面凹角位存在,质点则优先沿着三面凹角位生长一条行列;而当这一行列长满后,就只有二面凹角位了,质点就只能在二面凹角处就位生长,这时又会产生三面凹角位,然后生长相邻的行列;在长满一层面网后,质点就只能在光滑表面上生长,这一过程就相当于在光滑表面上形成一个二维核,来提供三面凹角和二面凹角,再开始生长第二层面网。
晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。
这就是晶体生长的层生长模型,它可以解释如下一些生长现象:(1)晶体常生长成面平棱直的多面体形态。
(2)晶体在生长的过程中,环境可能有所变化,不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)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看到带状构造(图8-3)。
它表明晶面是平行向外推移生长的。
(3)由于晶面是向外推移生长的,所以同种矿物不同晶面上对应晶面间的夹角不变。
(4)晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体,成为生长锥或砂钟状构造(图8-4,图8-5)在薄片中常常能看到。
然而晶体生长的实际情况要比简单层生长模型复杂得多,往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。
晶体生长理论和实验研究晶体生长是指在液体或气体中,原子、离子或分子在规则的空间排列中催化化学反应,从而形成晶体结构的过程。
晶体生长包括晶体形成和晶体生长两个过程。
晶体形成是指晶体的核心形成过程,晶体生长是指晶体在核心周围成长的过程。
晶体生长理论和实验研究是化学、材料和物理学等领域中的重要研究方向,其中涉及了众多的学科,如物理、化学、生物等,深入研究将有助于揭示晶体生长机理,为优化晶体的生长提供参考。
晶体生长理论晶体生长理论是通过物理学和化学原理描述晶体生长机理的理论。
晶体生长机理涉及了多个领域,包括热力学、动力学、电化学、物理学、化学等,其研究对象主要是纳米尺度或分子尺度的粒子。
在理论上,晶体生长机理是通过对溶液或气体中物质分子和表面之间相互作用的研究来实现的。
晶体生长的热力学理论可用于解释从一种原子/分子/离子结构转变为其他晶体结构时的稳定性差异。
晶体生长的动力学理论涵盖了众多的动力学过程,包括扩散、凝聚、聚集和晶体结构的演化。
晶体的电化学性质与从配合物处引出的体系中常见的游离离子(金属离子或振荡离子)的相互作用以及用于制备晶体的电解质性质密切相关。
而化学理论则通过表面活性剂、添加剂和电笼来解释液滴的稳定性和成核率的变化,以及晶体的分类器以及阴、阳离子交换树脂等表面活性剂及其转运作用。
晶体生长实验晶体生长的实验操作是通过对物质和表面之间的相互作用来得到晶体的自组织结构和形态。
一般来说,晶体生长实验主要包括三个步骤:(1)制备适当的物体和化学物质,(2)准备适当的生长条件,(3)进行晶体生长实验。
在晶体生长实验中,温度、压力、水溶液浓度、酸酸度、溶液结晶速率是实验中常常需要控制的参数。
其中,X射线和电子显微镜等技术,已经成为分析晶体结构和形态的标准方法。
X射线和电子显微镜可以用来确定晶体结构、位向关系和表面形貌的重要参数,从而实现晶体结构、表面形态的数据分析。
目前,晶体生长实验的发展越来越依赖于计算机技术,电脑控制、智能膜技术等现代技术,使研究者能够通过更加方便、准确和精密的实验技术来揭示晶体生长和晶体结构的基本规律。
晶体生长理论探究晶体生长是一种普遍存在于自然界中的现象,对于化学、材料科学以及地球科学等领域至关重要。
晶体生长的理论探究可以帮助人们更好地理解和应用晶体,从而推动这些领域的发展。
一、晶体生长的基本原理晶体是由有序排列的分子、原子或离子组成的周期性结构物体。
当分子、原子或离子从容器中的溶液、气体或熔体中聚集在一起时,它们会以一定的方式排列,形成一个有序的晶体。
这个过程就是晶体生长。
晶体生长的基本原理是有机会的分子、离子或原子由于热运动具有一定的振动,通过互相碰撞、吸附和扩散等过程,在固体表面逐渐沉积下来并结晶。
在这一过程中,晶体的生长速率、晶体形态和晶体品质等方面均受到多种因素的影响。
二、影响晶体生长的因素2.1 溶液结构溶液结构参数是影响晶体生长的主要因素之一。
它对晶体生长速率、晶体形态以及晶体品质等方面均产生重要的影响。
一般来说,溶液结构参数包括晶种、离子强度、离子半径、配位数、缔合能以及电荷等。
其中,离子强度、离子半径以及配位数均与晶体生长速率密切相关,而缔合能和电荷则主要影响晶体形态以及晶体品质。
2.2 温度温度也是影响晶体生长的一个重要因素。
温度的变化会导致原子、分子或离子的运动状态发生改变,从而影响晶体生长速率、晶体形态以及晶体品质等方面。
例如,一般来说,当温度升高时,晶体的生长速率会增加,但晶体品质则往往会降低。
2.3 流体力学条件流体力学条件也是影响晶体生长的重要因素之一。
它主要包括流体温度、流体流动速度、流体流动方向以及流体化学组成等方面。
其中,流体流动速度和流动方向对晶体形态和晶体取向影响较大,流体温度和化学组成则影响晶体生长速率。
三、常见的晶体生长方法3.1 溶液法溶液法是最常见的晶体生长方法之一。
它利用溶液中有机化合物的能力来吸附和生长晶体。
溶液法在化学、医学和生物学等领域得到广泛应用。
3.2 熔融法熔融法是利用高温熔融的物质来生长晶体的一种方法。
它可用于生长含金属的晶体,如半导体材料。
无机材料晶体生长理论与实验无机材料晶体生长是材料科学中的一个重要领域。
晶体生长的理论和实验对于材料科学的发展和实际应用至关重要。
本文将介绍无机材料晶体生长理论与实验的基本概念、原理及应用。
我们将从晶体生长的基本原理开始,逐步深入探讨有关晶体生长过程的各个方面。
无机材料晶体生长的定义及基本原理无机材料晶体生长是指从无机溶液中通过结晶过程将物质有序排列成晶体的过程。
此过程通常限制在一定的温度、压力和溶质浓度范围内。
晶体生长过程需要满足热力学和动力学条件,包括热力学平衡条件、物质扩散条件、核形成条件和晶体生长速度控制条件等。
晶体生长理论的发展经历了许多阶段。
早期的晶体生长理论主要基于热力学条件,包括熔体理论和溶液理论。
20世纪初,动力学条件开始被广泛研究,其中核形成和晶体生长速度控制理论成为最主要的研究方向。
此外,近年来,生物晶体生长和基于气相和半导体材料生长的晶体生长理论等新兴领域也吸引了许多研究者的关注。
晶体生长的实验方法无机材料晶体生长实验通常采用溶液法、气相法、熔体法和溶胶-凝胶法等方法。
其中,溶液法是最基本、最常见的方法。
溶液法通常需要将精确称量的化学品和溶剂混合在一起形成特定的溶液,然后通过混匀、过滤、调节pH值等步骤将其制备成适宜的晶体生长溶液。
晶体生长溶液涉及的化学反应非常复杂,必须严格控制温度、搅拌和各种溶液参数,以实现理想的晶体生长。
气相法是另一种常用的晶体生长方法。
气相法主要用于生长无机晶体和半导体晶体。
该方法通常需要通过化学气相沉积、物理气相沉积、金属有机化合物气相沉积和分子束外延等不同技术来实现晶体生长。
除了溶液法和气相法外,熔体法和溶胶凝胶法也是常见的晶体生长方法。
晶体生长实验中的关键问题无机材料晶体生长实验中存在一些关键问题。
其中最关键的问题包括:溶液浓度、温度、pH值、溶解度、有机物控制、搅拌和晶种控制等。
为使晶体生长成功,必须控制好溶液浓度和温度等参数。
此外,pH值也是影响晶体生长的关键因素之一。
一、实验目的1. 了解晶体生长的基本原理和过程。
2. 掌握晶体培养的方法和技巧。
3. 观察晶体生长的过程,分析影响晶体生长的因素。
二、实验原理晶体生长是指物质从溶液中析出形成晶体的过程。
在一定条件下,溶质以晶体的形式从溶液中析出,形成具有规则几何外形的固体。
晶体生长的过程主要包括晶核形成、晶核生长和晶体成熟三个阶段。
三、实验仪器与药品1. 实验仪器:烧杯、漏斗、玻璃棒、滤纸、温度计、酒精灯、石棉网、铁架台、玻璃片、镊子等。
2. 实验药品:硫酸铜、蒸馏水、NaCl等。
四、实验步骤1. 准备工作:将实验药品和仪器准备好,确保实验过程中所需物品齐全。
2. 晶核形成:a. 将一定量的硫酸铜溶解于蒸馏水中,制成饱和溶液。
b. 将饱和溶液过滤,得到清澈的滤液。
c. 将滤液倒入烧杯中,放入石棉网,用酒精灯加热至沸腾。
d. 撤去酒精灯,待溶液自然冷却至室温。
3. 晶核生长:a. 将NaCl溶解于蒸馏水中,制成饱和溶液。
b. 将饱和溶液过滤,得到清澈的滤液。
c. 将滤液倒入盛有硫酸铜溶液的烧杯中,轻轻搅拌,使两种溶液充分混合。
d. 将混合溶液倒入漏斗中,通过滤纸过滤,收集滤液。
e. 将滤液倒入烧杯中,放入石棉网,用酒精灯加热至沸腾。
f. 撤去酒精灯,待溶液自然冷却至室温。
4. 晶体成熟:a. 将烧杯中的溶液放入阴凉处,静置过夜。
b. 第二天,用镊子取出晶体,观察晶体形态。
c. 若晶体生长不理想,可重复步骤3和4,直至获得满意的晶体。
五、实验结果与分析1. 实验结果:通过实验,成功培养了硫酸铜晶体和NaCl晶体。
2. 结果分析:a. 晶核形成阶段:温度和溶液的纯净度对晶核形成有较大影响。
温度越高,溶液越纯净,晶核形成越容易。
b. 晶核生长阶段:溶液的浓度、搅拌速度和温度对晶核生长有较大影响。
溶液浓度越高,搅拌速度越快,温度越低,晶核生长越快。
c. 晶体成熟阶段:晶体生长速度、环境温度和湿度对晶体成熟有较大影响。
晶体生长速度越快,环境温度和湿度越适宜,晶体成熟越完整。
1 对于分子量比较大的物质(比如说普通配体),一般用极性相差较大的,比如三氯甲烷和乙醇;对于分子量较大的如杯芳烃,一般用极性相差较小的,比如三氯甲烷和甲苯2 选择的比例一般是惰性溶剂:良性溶剂=2:1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。
只有晶体才是真正的固体。
由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变。
晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大。
一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段:①介质达到过饱和、过冷却阶段;②成核阶段;②生长阶段。
在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶。
体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。
这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。
这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用。
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用。
均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几宰相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核。
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。
因之在过冷却度很小时亦能局部地成核在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度。
它决定于物质的过饱和度或过冷却度。
过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大。
成核速度还与介质的粘度有关,轮度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度晶核形成后,将进一步成长。
下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。
一、层生长理论科塞尔(Kossel,1927)首先提出,后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔—斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位臵是具有三面凹入角的位臵。
质点在此位臵上与晶核结合成键放出的能量最大。
因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位臵是能量上最有利的位臵,即结合成键时应该是成键数目最多,释放出能量最大的位臵。
质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位臵:k为曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生长位臵;其次是S阶梯面,具有二面凹入角的位臵;最不利的生长位臵是A。
由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,然后长相邻的行列。
在长满一层面网后,再开始长第二层面网。
晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。
这就是晶体的层生长理论,用它可以解释如下的一些生长现象。
1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。
2)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(如颜色)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看到带状构造(图I-2-2)。
它表明晶面是平行向外推移生长的。
3)由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。
4)晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或砂钟状构造。
在薄片中常常能看到。
然而晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。
往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。
同时亦不一定是一层一层地顺序堆积,而是一层尚未长完,又有一个新层开始生长。
这样继续生长下去的结果,使晶体表面不平坦,成为阶梯状称为晶面阶梯。
科塞尔理论虽然有其正确的方面,但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的。
因为当晶体的一层面网生长完成之后,再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难,其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小,不易克服质点的热振动使质点就位。
因此,在过饱和度或过冷却度较低的情况下,晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释。
在晶体生长过程中,不同晶面的相对生长速度如何,在晶体上哪些晶面发育,下面介绍有关这方面的几种主要理论。
一、布拉维法则早在1855年,法国结晶学家布拉维(A.Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发,论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系,即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网,这就是布拉维法则。
布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。
所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。
如图I一2—9所示,晶面AB的网面上结点的密度最大,网面间距也最大,网面对外来质点的引力小,生长速度慢,晶面横向扩展,最终保留在晶体上;CD晶面次之;BC晶面的网面上结点密度最小,网面间距也就小,网面对外来质点引力大,生长速度最快,横向逐渐缩小以致晶面最终消失;因此,实际晶体上的晶面常是网面上结点密度较大的面。
总体看来,布拉维法则阐明了晶面发育的基本规律。
但由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知,布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子,而非真实的晶体结构。
因此,在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离。
1937年美国结晶学家唐内—哈克(Donnay -Harker)进一步考虑了晶体构造中周期性平移(体现为空间格子)以外的其他对称要素(如螺旋轴、滑移面)对某些方向面网上结点密度的影响,从而扩大了布拉维法则的适用范围。
布拉维法则的另一不足之处是,只考虑了晶体的本身,而忽略了生长晶体的介质条件。
由液相变为固相由气相变为固相由固相再结晶为固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。
只有晶体才是真正的固体。
由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变。
由液相变为固相(1)从熔体中结晶当温度低于熔点时,晶体开始析出,也就是说,只有当熔体过冷却时晶体才能发生。
如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰;金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。
(2)从溶液中结晶当溶液达到过饱和时,才能析出晶体。
其方式有:1)温度降低,如岩浆期后的热液越远离岩浆源则温度将渐次降低,各种矿物晶体陆续析出;2)水分蒸发,如天然盐湖卤水蒸发,3)通过化学反应,生成难溶物质。
决定晶体生长的形态,内因是基本的,而生成时所处的外界环境对晶体形态的影响也很大。
同一种晶体在不同的条件生长时,晶体形态是可能有所差别的。
现就影响晶体生长的几种主要的外部因素分述如下。
涡流温度杂质粘度结晶速度影响晶体生长的外部因素还有很多,如晶体析出的先后次序也影响晶体形态,先析出者有较多自由空间,晶形完整,成自形晶;较后生长的则形成半自形晶或他形晶。
同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时,在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征,这些特征标志着晶体的生长环境,称为标型特征。
1.晶体的溶解把晶体臵于不饱和溶液中晶体就开始镕解。
由于角顶和棱与溶剂接触的机会多,所以这些地方溶解得快些,因而晶体可溶成近似球状。
如明矾的八面体溶解后成近于球形的八面体晶面溶解时,将首先在一些薄弱地方溶解出小凹坑,称为蚀像。
经在镜下观察,这些蚀象是由各种次生小晶面组成。
图I一2—15表示方解石与白云石(b)晶体上的蚀像。
不同网面密度的晶面溶解时,网面密度大的晶面先溶解,因为网面密度大的晶面团面间距大,容易破坏。
2.晶体的再生破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态,称为晶体的再生,如班岩中石英颗粒的再生溶解和再生不是简单的相反的现象。
晶体溶解时,溶解速度是随方向逐渐变化的,因而晶体溶解可形成近于球形;晶体再生时,生长速度随方向的改变而突变,因之晶体又可以恢复成几何多面体形态。
晶体在自然界的生长往往不是直线型进行的,溶解和再生在自然界常交替出现,使晶体表面呈复杂的形态。
如在晶体上生成一些窄小的晶面,或者在晶面上生成一些特殊的突起和花纹。
人工合成晶体对天然矿物晶体生长的研究有助于了解矿物、岩石、地质体的形成及发展历史,并为矿物资源的开发和利用提供一些有益的启发性资料。
人工合成品体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件,更重要的是能够提供现代科学校术所急需的晶体材料。
近年来人工合成晶体实验技术迅速发展,成功地合成了大量重要的晶体材料,如激光材料、半导体材料、磁性材料、人造宝石以及其它多种现代科技所要求的具有特种功能的晶体材料。
当前人工合成晶体已成为工业主要文柱的材料科学的一个重要组成部分。
人工合成晶体的主要途径是从溶液中培养和在高温高压下通过同质多像的转变来制备(如用石墨制备金刚石)等。
具体方法很多,下面简要介绍几种最常用的方法。
(1)水热法这是一种在高温高压下从过饱和热水溶液中培养晶体的方法。
用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、石榴子石及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体。
晶体的培养是在高压釜内进行的。
高压釜由耐高温高压和耐酸碱的特种钢材制成。
上部为结晶区,悬挂有籽晶;下部为溶解区,放臵培养晶体的原料,釜内填装溶剂介质。
由于结晶区与溶解区之间有温度差(如培养水晶,结晶区为330-350℃,溶解区为360-380℃)而产生对流,将高温的饱和溶液带至低温的结晶区形成过饱和析出溶质使籽晶生长。
温度降低并已析出了部分溶质的溶液又流向下部,溶解培养料,如此循环往复,使籽晶得以连续不断地长大。
(2)提拉法这是一种直接从熔体中拉出单晶的方法。
熔体臵柑塌中,籽晶固定于可以旋转和升降的提拉杆上。
降低提拉杆,将籽晶插入熔体,调节温度使籽晶生长。
提升提拉杆,使晶体一面生长,一面被慢慢地拉出来。
这是从熔体中生长晶体常用的方法。
用此法可以拉出多种晶体,如单晶硅、白钨矿、钇铝榴石和均匀透明的红宝石等。
(3)焰熔法这是一种用氢氧火焰熔化粉料并使之结晶的方法。
小锤1敲打装有粉料的料筒2,粉料受振动经筛网3而落下,氧经入口4进入将粉料下送,5是氢的入口,氢和氧在喷口6处混合燃烧,粉料经火焰的高温而熔化并落于结晶杆7上,控制杆端的温度,使落于杆端的熔层逐渐结晶。
为使晶体生长有一定长度,可使结晶杆逐渐下移。
用这种方法成功地合成了如红宝石、蓝宝石、尖晶石、金红石、钛酸锶、钇铝榴石等多种晶体。