第二章 晶体生长动力学

第二章
成核
处于非平衡态的系统，由于驱动力的存在，趋向于转化成稳定的平衡态， 例如：过冷蒸气凝结成液体，过冷的熔体凝固成固体，过饱和溶液结晶溶质？
成核：由于母相相中密度、热容、原子构型等产生局部涨落，导致局部自由能 增加，产生小范围的新相（胚团cluster），胚团可以继续长大，成为宏观晶体， 也可以溶解消失。 成核理论研究的内容就是，用热力学知识，研究胚团得以形成、长大的条件 以及影响胚团长大速率的因素等。
P0
dG SdT VdP
dG G G G VdP
b P1
a
T0
T
图1.34 相变驱动力示意图
设蒸气为理想气体,由状态方程
PV RT V
P RT P dP RT ln 0 RT ln 1 P P1 P0 P1 P P P 定义 1 为过饱和比 , 1 0 1 为过饱和度 , 则有 : P0 P0
亚稳相具有向稳定相转变的趋势，由于势垒的存在，实现这一过程需要驱动力。 什么是相变驱动力？设有两相α和β，自由能分别是Gα和Gβ。平衡共存时， Gα＝ Gβ，此时的温度和压强分别称为平衡温度T0和平衡压强P0，当
P1>P0时，α相处于亚稳态， Gα>Gβ，这样α相就有转变为β相的趋势，这
种趋势的大小可以用ΔG＝ Gα－Gβ来度量并称为相变驱动力。 即原始态的自由能与终态自由能的差值。 一. 气相(Vapour-Crystal)生长系统中的驱动力表达式 推导恒温转变时(dT＝0)的驱动力表达式： P1 P0 a(P1,T0) 固(β) b(P0,T0) 气(α)
饱和浓度
恒温转变时，μi0(T)相等，故有：
s i c i
定义
xs i

YBCO超导晶体生长动力学原理图3-l为包含Ba3Cu508—Y2BaCu05截面的准二元相图。

从图中可以看出，Y2BaCuO5(211)与液相间存在一包晶反应:211+L →123。

123化合物经过熔融织构生长，形成了一种新的片层状的123晶体，片层状的123晶体沿c 轴方向堆积成具有良好显微织构的123晶体。

123化合物在高温下可以分解，在降温时，又可以重新生长，正是基于这种可逆反应。

粉末熔化处理法(PMP)、淬火熔化生长法(QMG)、熔融织构(MTG)以及相应改进方法的原理基本相同，都主要包括YBCO化合物在包晶反应温度(10150C)以上的熔化分解及YBCO超导体经过包晶反应温度以下的熔化慢冷结晶再生长过程。

但各种方法之间存在着一些微妙的差别，正是由于这些微小差别，导致了各种方法制备的样品在显微组织及超导性能上的差异。

因此，弄清YBCO超导体的生长机理，不仅有利于制备高性能的YBCO超导体，而且有利于改进YBCO超导体的制备工艺。

当123化合物被加热到包晶反应温度(约10150C)以上时，它开始逐渐异质熔化分解成具有固相和液相的一种半熔融态物质，具体反应如下:YBa2Cu3O6+x(123) 10150C <T<13000C Y2BaCuO5+L(Ba一Cu一O) (3一l) Y2BaCuO5+L(Ba一Cu一O) 13000C <T<15000C Y203+L(Ba一Cu一O) (3一2)在123均匀熔化分解后，紧接着将这种半熔状态的材料快速冷却到包晶反应温度左右，再以比较慢的速率(<l0C/h)冷却到某一温度使YBCO晶体成核生长，以获得具有良好生长织构的YBCO超导体，并使211粒子均匀弥散地分布在YBCO超导体中。

在熔化慢冷的过程中，处于半熔状态样品中的Y2BaCuO5(211)固相粒子与液相的Ba一Cu一O化合物发生包晶反应，最终生成织构生长的YBCO超导体。

。
功能晶体
功能晶体 在传感器、换能器、闪烁计数器等领域有广泛应用。
除了具有光学和半导体性质外，还具有其他特殊功能， 如压电、热释电、铁电、闪烁等。
应用特点：功能多样，可满足不同领域的需求。
04
CATALOGUE
晶体生长的挑战与前景
晶体生长的挑战
晶体生长过程的控制
晶体生长过程中，需要精确控制温度、压力、浓度等参数，以确 保晶体质量、形态和尺寸的稳定性。
晶体性质
晶体具有各项异性、对称性、光 学特性、电学特性等，这些性质 决定了晶体在不同领域的应用价 值。
晶体生长的热力学与动力学
热力学条件
晶体生长的热力学条件包括温度、压 力、组分等，这些因素决定了晶体能 否自发形成以及形成的相态和稳定性 。
动力学过程
晶体生长的动力学过程涉及原子或分 子的迁移、扩散、碰撞和结晶等，这 些过程决定了晶体生长的速率和形态 。
晶体生长技术
气相法
物理气相沉积法
利用物理方法，如真空蒸发、溅射等，使原 料气体在冷却过程中凝结成晶体。
气相法生长晶体的优点
可生长大尺寸、高质量的单晶，且生长速率 较快。
化学气相沉积法
通过化学反应使原料气体在加热或光照条件 下转化为晶体。
气相法生长晶体的缺点
设备成本高，操作复杂，对原料气体的纯度 要求高。
晶体生长的基本过程
成核
形态控制Βιβλιοθήκη 在一定的条件下，原子或分子通过扩 散和聚集形成微小的晶核。
通过控制晶体生长的条件，可以调控 晶体的形态，从而获得具有特定结构 和性质的晶体。
生长
晶核在一定的热力学和动力学条件下 不断吸收周围的原子或分子，逐渐长 大成为具有一定形态和大小的晶体。

Crystallography
斯里兰卡蓝宝石中的环带及蛛网状 的晶红石针包裹体
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第二章 晶体生长的基本规律
澳大利亚蓝宝石中的六方环状生长纹
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第二章 晶体生长的基本规律
⑵晶体的阶梯状生长
晶体阶梯状生长的示意剖面图
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第二章 晶体生长的基本规律
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第二章 晶体生长的基本规律
生长停止后，最外层的面网就是实际 晶面，相邻面网的交棱就是实际晶 棱。整个晶体就成为被晶面包围的几 何多面体。
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第二章 晶体生长的基本规律
⑤层生长理论可以解释的现象
晶体的几何多面体形态。 晶体中的环带构造。
天然熔体：岩浆
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第二章 晶体生长的基本规律
金伯利岩岩筒的形成
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第二章 晶体生长的基本规律
金刚石晶体
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第二章 晶体生长的基本规律
⑶固-固结晶作用
同质多像转变 固相反应结晶 重结晶 脱玻化
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第二章 晶体生长的基本规律
When the solid is all in solution, set it on the bench top. Do not disturb it!
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第二章 晶体生长的基本规律