《结晶学》第5章晶体生长

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。

结晶学基础第一章绪论第二章晶体及其基本性质第三章晶体的发生与成长晶体的宏观对称第四章晶体的定向和晶面符号第五章晶体结构的几何理论第六章晶体化学第七章典型晶体结构第八章晶体缺陷第一章绪论一、结晶学(crystallography)：是以晶体为研究对象的一门科学。

自然界中的绝大多数矿物都是晶体，要了解这些结晶的矿物，就必须了解和掌握结晶学特别是几何结晶学的基本知识。

如：冰、雪、土壤、金属、矿物、陶瓷、水泥、化学药品等晶体和非晶质体：人们常见的晶体有水晶、石盐、蔗糖等，在一般人的心目中就认为晶体就像水晶和石盐那样，具有规则的几何多面体形状。

晶体—具有格子构造的固体, 或内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。

研究表明，数以千计的不同种类晶体尽管各种晶体的结构各不相同，但都具有格子状构造，这是一切晶体的共同属性。

与晶体结构相反，内部质点不作周期性的重复排列的固体，即称为非晶质体。

二、研究简史：★1000多年前，认识了石英和石盐具有规则的外形；★17世纪中叶前，以外形研究为主；★1912年，X射线晶体衍射实验成功，结晶学进入快速发展阶段；★19世纪中叶开始对晶体内部结构探索，逐渐发展成为一门独立的学科；★20世纪初, 内部结构的理论探索。

三、结晶学的研究意义：是矿物学的基础，是材料科学的基础，是生命科学的基础。

四、现代结晶学的几个分支：1、晶体生成学：研究天然及人工晶体的发生、成长和变化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。

2、几何结晶学：研究晶体外表几何多面体的形状及其规律性。

3、晶体结构学：研究晶体内部结构中质点排列的规律性，以及晶体结构的不完善性。

4、晶体化学：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体的物理、化学性质之间关系的规律性。

5、晶体物理学：研究晶体的各项物理性质及其产生的机理。

思考题1、什么是矿物？2、什么是晶体？晶体和非晶体有何本质区别？3、现代结晶学有哪几个分支?第二章晶体及其基本性质晶体的定义：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说是具有格子状构造的固体。

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。

晶体⽣长理论晶体⽣长理论晶体⽣长理论是⽤以阐明晶体⽣长这⼀物理－化学过程。

形成晶体的母相可以是⽓相、液相或固相；母相可以是单⼀组元的纯材料，也可以是包含其他组元的溶液或化合物。

⽣长过程可以在⾃然界中实现，如冰雪的结晶和矿⽯的形成；也可以在⼈⼯控制的条件下实现，如各种技术单晶体的培育和化学⼯业中的结晶。

基础晶体⽣长的热⼒学理论[1]J.W.吉布斯于1878年发表的著名论⽂《论复相物质的平衡》奠定了热⼒学理论的基础。

他分析了在流体中形成新相的条件，指出⾃然体⾃由能的减少有利新相的形成，但表⾯能却阻碍了它。

只有通过热涨落来克服形成临界尺⼨晶核所需的势垒，才能实现晶体的成核。

到20世纪20年代M.福⽿默等⼈发展了经典的成核理论，并指出了器壁或杂质颗粒对核的促进作⽤（⾮均匀成核）。

⼀旦晶核已经形成（或预先制备了⼀块籽晶），接下去的就是晶体继续长⼤这⼀问题。

吉布斯考虑到晶体的表⾯能系数是各向异性的，在平衡态⾃由能极⼩的条件就归结为表⾯能的极⼩，于是从表⾯能的极图即可导出晶体的平衡形态。

晶体平衡形态理论曾被P.居⾥等⼈⽤来解释⽣长着的晶体所呈现的多⾯体外形。

但是晶体⽣长是在偏离平衡条件下进⾏的，表⾯能对于晶体外形的控制作⽤限于微⽶尺⼨以下的晶体。

⼀旦晶体尺⼨较⼤时，表⾯能直接控制外形的能⼒就丧失了，起决定性作⽤的是各晶⾯⽣长速率的各向异性。

这样，晶⾯⽣长动⼒学的问题就被突出了。

动⼒学理论晶体⽣长的动⼒学理论晶⾯⽣长的动⼒学指的是偏离平衡的驱动⼒（过冷或过饱和）与晶⾯⽣长的速率的关系，它是和晶体表⾯的微观形貌息息相关的。

从20世纪20年代就开始了这⽅⾯的研究。

晶⾯的光滑（原⼦尺度⽽⾔）与否对⽣长动⼒学起了关键性的作⽤。

在粗糙的晶⾯上，⼏乎处处可以填充原⼦成为⽣长场所，从⽽导出了快速的线性⽣长律。

⾄于偏离低指数⾯的邻位⾯，W.科塞⽿与 F.斯特兰斯基提出了晶⾯台阶－扭折模型，晶⾯上台阶的扭折处为⽣长的场所。

由此可以导出相应的⽣长律。

从结晶到生长——晶体生长的物理与化学基础晶体是具有一定的空间周期性，组成元素有着定比例的排列顺序的固体结构体系。

晶体的物理特性和结构与其生长过程密切相关。

在学习晶体的生长原理时，我们需要了解晶体生长的物理和化学基础。

一、晶体生长的化学基础晶体是由分子、离子或原子通过化学键结合而成的，因此晶体生长的化学基础主要是化学反应。

晶体生长的化学基础主要包括四个方面：吸附、扩散、核化和生长。

下面分别进行介绍。

1. 吸附当晶体生长过程中，物质到达晶体表面时会发生吸附现象。

吸附是物理和化学现象的综合体，它是一个物质从一种状态转移到另一种状态的过程。

吸附可以发生在物质分子和晶体表面之间，也可以发生在物质分子和液相之间。

晶体表面的吸附是晶体生长的第一步，它决定了晶体生长的起始点和速度。

晶体生长的原始核心出现在晶体表面吸附的分子之间，因此晶体表面吸附的分子种类和数量对晶体结构和性质的形成起着关键作用。

2. 扩散分子在液相中扩散也是晶体生长的重要过程，是保证晶体生长速度可控的关键因素。

分子在液相中扩散需要消耗能量，因此物质的浓度、温度和压力等因素会影响扩散的速率和方向。

3. 核化晶体生长的一个关键步骤是能量释放产生的核化过程。

核化是物质在晶体表面形成一个严格有序的排列结构的过程。

核化的速率受到温度、浓度和物质种类的影响。

在晶体生长过程中，高温、高浓度、多组元共存时容易出现层状结构典型的取向凝固现象，导致不同方向之间的结晶体质性能不同，这也是需要重视的问题。

4. 生长晶体生长过程中的生长是指晶体中原子、分子或离子按照预定方向有序排列的过程。

生长过程是必须要根据预定方向和晶体结构等特性，按照一定的机理和规律进行的。

在晶体生长的过程中，晶体的生长速率、晶体表面形貌、晶体缺陷和晶体质量芝麻都是受到生长机理和生长环境的影响。

二、晶体生长的物理基础晶体生长也受到一些物理因素的影响，下面主要介绍三个物理因素：热力学、表面张力和电场。