晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型

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。

三种晶体生长理论三种晶体生长理论：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。

晶体的生长模式晶体的生长过程一般认为有三个阶段：首先是溶液或气体达到过饱和状态或过冷却状态，然后整个体系中出现瞬时的微细结晶粒子，这就是形成了晶核，最后这些粒子按照一定的规律进一步生长，成为晶体。

科学家已经发现了晶体生长的多种模式，其中较为重要的是层生长模式和螺旋生长理论。

晶体生长理论简介自从1669年丹麦学者斯蒂诺(N.Steno)开始研究晶体生长理论以来，晶体生长理论经历了晶体平衡形态理论、界面生长理论、PBC理论和负离子配位多面体生长基元模型4个阶段，目前又出现了界面相理论模型等新的理论模型。

现代晶体生长技术、晶体生长理论以及晶体生长实践相互影响，使人们越来越接近于揭开晶体生长的神秘面纱。

下面简单介绍几种重要的晶体生长理论和模型。

.晶体平衡形态理论：主要包括布拉维法则（Law of Bravais）、Gibbs—Wulff 生长定律、BFDH法则(或称为Donnay-Harker原理)以及Frank运动学理论等。

晶体平衡形态理论从晶体内部结构、应用结晶学和热力学的基本原理来探讨晶体的生长，注重于晶体的宏观和热力学条件，没有考虑晶体的微观条件和环境相对于晶体生长的影响，是晶体的宏观生长理论。

.界面生长理论：主要有完整光滑界面模型、非完整光滑界面模型、粗糙界面模型、弥散界面模型、粗糙化相变理论等理论或模型。

界面生长理论重点讨论晶体与环境的界面形态在晶体生长过程中的作用，没有考虑晶体的微观结构，也没有考虑环境相对于晶体生长的影响。

.PBC（周期键链）理论：1952年，P．Hartman、W．G．Perdok提出，把晶体划分为三种界面：F面、K面和S面。

BC理论主要考虑了晶体的内部结构——周期性键链，而没有考虑环境相对于晶体生长的影响。

.负离子配位多面体模型：1994年由仲维卓、华素坤提出，将晶体的生长形态、晶体内部结构和晶体生长条件及缺陷作为统一体加以研究，考虑的晶体生长影响因素全面，能很好地解释极性晶体的生长习性。

第六章 界面的微观结构§1. 晶体的平衡形状1． 界面能极图与晶体的平衡形状γ(n)—界面能γ(n)dA=最小液体 γ(n)= γ=常数——球形晶体 ——界面能最低的晶面所包围（低指数面）§2. 邻位面与台阶的平衡结构1． 奇异面（低指数面、原子密排面、界面能最低的面）邻位面非奇异面界 面 能 极 图2． 邻位面台阶化邻位面→台阶（总界面能最低）§2. 台阶热力学性质1． 台阶——奇异面的一条连续曲线，线之间则有一个原子的高度差。

台阶是起止于晶体边缘或形成闭合曲线，不会终止在晶面内。

hk yZ tg -=∂∂=θ2． 台阶棱边能：单位长度台阶具有的自由能（产生单位长度台阶所作之功）台阶有线张力（棱边能大小），使台阶缩短。

3． 台阶棱边能的各项异性——台阶扭折化h tg k /θ=4． 台阶的平衡结构台阶上的扭折取决于台阶取向，当θ=0（台阶和密排方向一致），k →0,这只在0k 时成立。

热涨落可在台阶上产生扭折。

扭折有正负号。

扭折产生与台阶吸附空位或原子有关。

α+=α- α++α-+α0=1α+：产生正扭折机率台 阶 的 扭 折 化α-：产生负扭折机率α0：不产生扭折的机率细微平衡原理（The principle of detailed balancing ）求扭折形成能 a: 2Φ1 2扭折b: 4Φ1 4扭折 一个扭折形成能为Φ1 c: 0 0 )/exp(//100kT Φ-==∴-+αααα台阶任意位置产生扭折的总机率（正和负）为： )/exp(210kT Φ-=+=-+αααα台阶有n 原子，a 为原子间距，台阶长na,台阶上的扭折数为：n （α++α-）扭折平均距离： +-+-+=+=+=ααααα2)(0a a n na X由于α++α-+α0=α0+2α+=1 即： )(1αααα+=++ }2){exp(210+Φ=∴kT a X X 0>>a , )exp(210kT a X Φ≈∴T →0k 时，X 0→∞ 扭折密度为零在有限温度下，台阶上总是存在扭折的（θ=0） 600K X0≈4～5a§3. 界面相变熵和界面的平衡结构1．光滑界面与粗糙界面晶体原子→振动平均频率固定熔体原子→振动平均频率是变化的X=N A/N N A晶体原子1-X 熔体X≈50% 1-X≈50% 粗糙界面X≈0% 或 1-X≈100% 光滑界面考察界面自由能的表达式，求出自由能最低时的X。

晶体生长原理与技术晶体生长是指无定形物质逐渐形成有序排列的晶体结构的过程。

晶体生长的原理和技术在材料科学、化学工程、地质学等领域都有着重要的应用。

本文将介绍晶体生长的基本原理和常见的生长技术，希望能够为相关领域的研究者和工程师提供一些参考。

晶体生长的原理主要包括热力学和动力学两个方面。

热力学上，晶体生长是在适当的温度、压力和化学势条件下，通过原子、分子或离子的有序排列形成晶体结构。

动力学上，晶体生长受到核形成、生长和形貌稳定性等多个因素的影响。

在实际应用中，热力学和动力学的相互作用决定了晶体生长的过程和结果。

晶体生长的技术包括自发晶体生长和人工晶体生长两种类型。

自发晶体生长是指在自然条件下晶体从溶液、气相或熔体中沉积生长的过程。

常见的自发晶体生长技术包括溶液结晶、气相沉积和熔融结晶等。

人工晶体生长是指通过人为控制条件来促进晶体生长的过程。

常见的人工晶体生长技术包括气相输运法、熔融法、溶液法和固相法等。

在晶体生长技术中，溶液法是应用最为广泛的一种技术。

溶液法是指将溶剂中的溶质逐渐沉积形成晶体的过程。

在溶液法中，溶剂的选择、溶质的浓度、溶液的温度和搅拌速度等因素都会对晶体生长的过程产生影响。

另外，溶液法还包括了一些特殊的技术，如悬浮溶液法、凝胶溶液法和水热法等，这些技术在不同领域都有着重要的应用。

除了溶液法，气相沉积也是一种常见的晶体生长技术。

气相沉积是指通过气相中的原子或分子沉积在基底表面上形成晶体的过程。

在气相沉积技术中，通常会选择适当的气相载体和反应条件来控制晶体的生长方向和形貌。

气相沉积技术在半导体材料、功能薄膜和纳米材料等领域有着广泛的应用。

总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和多种技术的相互作用。

通过深入理解晶体生长的原理和技术，可以更好地控制和应用晶体材料，为材料科学和工程技术的发展提供新的思路和方法。

希望本文能够对相关领域的研究和实践有所帮助。

晶体学中的晶体生长机理及控制技术晶体是由分子、离子、原子等有序排列形成的固体物质，其在现代科学和工业生产中具有广泛应用。

晶体学是研究晶体性质和构造的科学，而晶体生长机理及控制技术则是晶体学中一个非常重要的领域。

一、晶体生长机理晶体的生长过程是非常复杂的，在这个过程中会涉及到多种因素的影响。

晶体的生长可以分为自然生长和人工生长两种。

1、自然晶体生长机理自然晶体生长机理一般指矿物晶体的自然生成和自然生长过程。

这类晶体的生长机理主要由地质环境和化学因素所影响，其形成过程中会涉及到多种因素，如蒸发、降水、氧化等。

2、人工晶体生长机理人工晶体生长机理则是指将某种化合物，通过特定的条件下，形成一定的晶体结构。

这类晶体的生长过程一般是通过晶体生长压力、温度、浓度、PH值、添加剂等因素的调控来实现的。

二、晶体生长控制技术晶体生长控制技术是指通过外界的控制手段，调节晶体生长过程中的各种因素，以达到获得理想晶体的目的。

1、温度控制温度是影响晶体生长的一个重要因素，其通过控制晶体液体中的分子运动以及原子固定的规律，影响晶体的生长和晶格的稳定。

晶体生长过程中的温度变化可能会导致晶体生长速度的改变和晶体结构的变异。

2、PH值控制PH值也是影响晶体生长速度的一个重要的控制因素，通过控制晶体溶液中H+、OH-离子的浓度，调节晶体生长速度和质量。

PH值控制可以通过添加酸碱度调节剂来实现。

3、添加剂控制添加剂是控制晶体生长过程的另一个关键因素。

添加剂的作用是在晶体生长过程中，将其它物质加入晶体溶液中，以增加溶液中的物质数量和改变溶液性质，从而影响晶体生长速度和晶体的稳定度。

4、电磁辐射控制电磁辐射技术是通过电磁波的波长、强弱、频率等特性，对晶体进行生长和改造的技术。

电磁辐射控制技术可以有效的影响晶体生长和结构，从而实现对晶体性能的调节与提升。

5、机械辅助控制机械辅助控制技术是通过将晶体生长过程置于一定的机械压力或固态环境中，从而影响晶体结构和长大速度的技术。

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。

1.晶体生长机理理根据经典的晶体生长理论，液相反应体系中晶体生长包括以下步骤：①营养料在水溶液介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液(溶解阶段)：②由于体系中存在十分有效的热对流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区(输运阶段)；③离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附；④吸附物质在界面上的运动；⑤结晶(③、④、⑤统称为结晶阶段)。

液相条件下生长的晶体晶面发育完整，晶体的结晶形貌与生长条件密切相关，同种晶体在不同的生长条件下可能有不同的结晶形貌。

简单套用经典晶体生长理论不能很好解释许多实验现象，因此在大量实验的基础上产生了“生长基元”理论模型。

“生长基元"理论模型认为在上述输运阶段②，溶解进入溶液的离子、分子或离子团之间发生反应，形成具有一定几何构型的聚合体一生长基元，生长基元的大小和结构与溶液中的反应条件有关。

在一个水溶液反应体系里，同时存在多种形式的生长基元，它们之间建立起动态平衡。

某种生长基元越稳定(可从能量和几何构型两方面加以考察)，其在体系里出现的几率就越大。

在界面上叠合的生长基元必须满足晶面结晶取向的要求，而生长基元在界面上叠合的难易程度决定了该面族的生长速率。

从结晶学观点看：生长基元中的正离子与满足一定配位要求的负离子相联结，因此又进一步被称为“负离子配位多面体生长基元"。

生长基元模型将晶体的结晶形貌、晶体的结构和生长条件有机地统一起来，很好地解释了许多实验现象。

2晶体生长的影响条件对于水热合成，晶粒的形成经历了“溶解一结晶"两个阶段。

水热法制备常采用固体粉末或新配制的凝胶作为前驱物，所谓“溶解”是指在水热反应初期，前驱物微粒之间的团聚和联结遭到破坏，以使微粒自身在水热介质中溶解，以离子或离子团的形式进入溶液，进而成核、结晶而形成晶粒。

在水热条件下，晶体自由生长，晶体各个面族的生长习性可以得到充分显露，由于水热条件下晶体生长是在非受迫的情况下进行，所以生长温度压力、溶液、溶液流向和温度梯度对晶体各个面族的生长速率影响很明显，表现在晶体的结晶形态变化。

晶体学中的晶体生长机制分析晶体生长是晶体学中一个重要的研究方向，它涉及到晶体的形成、发展和演化过程。

了解晶体生长机制对于深入理解晶体结构与性质之间的关系具有重要意义。

本文将从晶体生长的基本原理、影响因素以及研究方法等方面进行分析。

一、晶体生长的基本原理晶体生长是指无定形物质逐渐转变为有序晶体结构的过程。

晶体生长是在特定条件下，由原子、分子或离子按照一定的排列方式逐渐组装形成晶体。

晶体生长的基本原理可以概括为以下几点：1. 同质核形成：晶体生长始于同质核的形成。

在适当的条件下，溶液中的原子、分子或离子能够聚集成为一个小团簇，这个团簇就是同质核。

同质核的形成是晶体生长的起点。

2. 择优生长：同质核在溶液中吸附溶质，随着时间的推移，溶液中的物质会不断地附着在核表面上，导致晶体逐渐增长。

在晶体生长过程中，晶体的生长方向和速度往往与晶体表面的结构和溶质的浓度有关，晶体会优先沿着特定的方向生长，这就是择优生长。

3. 扩散控制：晶体生长的速率通常由物质在溶液中的扩散速率控制。

扩散是物质由高浓度区域向低浓度区域运动的过程，晶体的生长速率与扩散速率密切相关。

二、影响晶体生长的因素晶体生长的过程受到多种因素的影响，下面介绍几个主要的因素：1. 溶液浓度：溶液中物质的浓度是影响晶体生长速率的重要因素。

当溶液中物质的浓度较高时，晶体生长速率通常较快。

然而，过高的浓度也可能导致晶体生长出现缺陷。

2. 温度：温度对晶体生长速率有着显著的影响。

通常情况下，温度升高会加快晶体生长速率，因为高温有利于溶质分子的运动和扩散。

但过高的温度也可能引起结晶的失稳。

3. 溶液饱和度：溶液饱和度是指溶液中溶质浓度达到饱和状态的程度。

当溶液饱和度较高时，晶体生长速率通常较快。

溶液饱和度的变化可以通过调节溶解度和溶质浓度来控制。

三、研究晶体生长机制的方法为了深入研究晶体生长机制，科学家们采用了多种研究方法。

以下是几种常用的方法：1. 原位观察：通过光学显微镜等设备，可以直接观察晶体在实时中的生长过程。

第3章晶体生长3_1.1.pdf第三章晶体生长晶体生长理论基础熔体的晶体生长硅、锗单晶生长硅锗单晶生长1制作半导体器件的材料，绝大部分使用单晶体（体单晶、薄膜单晶），研究晶体生长对半导体材料的制备是一个重要课题。

20世纪20年代柯塞尔（Kossel）等人提出了完整晶体生长微观理论模型。

40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论。

40年代弗兰克（Frank）发展了缺陷晶体生长理论50年代后伯顿（Burton）和杰克逊（Jackson）等人对晶体生长、界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面晶体生长界面的平衡结构理论及平衡界面理论等方面进行了研究。

计算机技术的广泛应用，使晶体生长理论研究向微观计算机技术的广泛应用使晶体生长理论研究向微观定量计算又进了一步。

2§ 3 1 晶体生长理论基础 3-1晶体形成的热力学条件晶核的形成晶核长大的动力学模型晶体的外形31.晶体生长的般方法 1.晶体生长的一般方法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。

由气相、液相?固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。

晶体生长是非平衡态的相变过程，热力学一般处理平衡态问题，若系统处于准平衡状态，可使用热力学的平衡条件来处理问题若系统处于准平衡状态可使用热力学的平衡条件来处理问题相平衡条件：各组元在各相的化学势相等热平衡条件：系统各部分温度相等力学平衡条件：系统各部分压强相等(1) 固相生长:固体→固体在具有固相转变的材料中进行（相变又称多形转变或同素异形转变。

）高温、高压石墨————金刚石α-Fe(体心立方) ———γ -Fe（面心立方）1气压900℃通过热处理或激光照射等手段，将部分结构不完整通过热处理或激光照射等手段，将一部分结构不完整的晶体转变为较为完整的晶体“图形外延”: 微晶硅———单晶硅薄膜激光照射(2) 液相生长:液体→固体溶液中生长从溶液中结晶当溶液达到过饱和时，才能析出晶体。