第十二节晶体生长方式..

石英的带状构造
蓝宝石中的环带
（3）同种晶体的不同个体，对应晶面间的夹角不变。 （4）某些晶体内部的沙钟构造
普通辉石的生长锥(a)和砂钟状构造(b)
• 但是，实际晶体生长不可能达到这么理想 的情况，也可能一层还没有完全长满，另一层 又开始生长了，这叫阶梯状生长，最后可在晶 面上留下生长层纹或生长阶梯。
4.介质粘度
粘度的加大，影响物质的运移和供给。由于晶 体的棱和角部分比较容易接受溶质，生长得较快， 晶面的中心生长得慢，甚至完全不长，从而形成 骸晶。
石盐的骸晶
5.各组分的相对浓度
对于化合物晶体，当介质中各组分的相对浓度发 生变化时，会导致晶面生长速度的相对变化，从而 影响晶形。
介质富Al2O3
1、布拉维法则 2、居里－吴里佛原理 3、周期键链理论
一．布拉维法则
早在1885年，法国结晶学家布拉维从晶体具有 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。
布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的晶面所包围
晶面生长速度：晶面在单位时间内沿其法线方向向外 推移的距离
图释
2、高温溶液法
• 原理：高温下从溶液或熔融盐溶剂中生长晶体，可以使 溶质相在远低于熔点的温度下进行。
• 优点(1)适用性强。只要找到适当的助熔剂，就能生长 晶体。
• （2）许多难熔化合物或在熔点极易挥发或高温有相变， 不能直接从熔体中生长优质单晶，助熔剂法由于温度低， 显示出独特的能力。
• 缺点：生长速度慢，不易观察，助熔剂常常有毒。 • 具体有缓冷法和水热法。
2.温度
温度的变化直接导致了过饱和度或过冷却 度的变化，相应的改变了晶面的比表面能及不 同晶面的相对生长速度，影响晶体形态。

晶体生长方法单晶体原则上可以由固态、液态（熔体或溶液）或气态生长而得。

实际上人工晶体多半由熔体达到一定的过冷或溶液达到一定的过饱和而得。

晶体生长是用一定的方法和技术，使单晶体由液态或气态结晶成长。

由液态结晶又可以分成熔体生长或溶液生长两大类。

熔体生长法这类方法是最常用的，主要有提拉法（又称丘克拉斯基法）、坩埚下降法、区熔法、焰熔法（又称维尔纳叶法）等。

提拉法此法是由熔体生长单晶的一项最主要的方法，被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入熔体，由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度、熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。

坩埚可以由高频感应或电阻加热。

半导体锗、硅、氧化物单晶如钇铝石榴石、钆镓石榴石、铌酸锂等均用此方法生长而得。

应用此方法时控制晶体品质的主要因素是固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应等。

坩埚下降法将盛满材料的坩埚置放在竖直的炉内,炉分上下两部分，中间以挡板隔开，上部温度较高，能使坩埚内的材料维持熔融状态，下部则温度较低，当坩埚在炉内由上缓缓下降到炉内下部位置时，材料熔体就开始结晶。

坩埚的底部形状多半是尖锥形，或带有细颈,便于优选籽晶,也有半球形状的以便于籽晶生长。

晶体的形状与坩埚的形状是一致的，大的碱卤化合物及氟化物等光学晶体是用这种方法生长的。

区熔法将一个多晶材料棒，通过一个狭窄的高温区，使材料形成一个狭窄的熔区，移动材料棒或加热体，使熔区移动而结晶，最后材料棒就形成了单晶棒。

这方法可以使单晶材料在结晶过程中纯度提得很高，并且也能使掺质掺得很均匀。

图3为区熔法的原理图。

区熔技术有水平法和依靠表面张力的浮区熔炼两种。

焰熔法这个方法的原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使材料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部。

由于火焰在炉内形成一定的温度梯度，粉料熔体落在一个结晶杆上就能结晶。

小锤敲击料筒震动粉料，经筛网及料斗而落下，氧氢各自经入口在喷口处，混合燃烧，结晶杆上端插有籽晶，通过结晶杆下降，使落下的粉料熔体能保持同一高温水平而结晶。

➋ 在一个晶体上，各晶面间相对的 生长速度与其本身的面网密度成反比。
即 面网密度越Βιβλιοθήκη 的晶面，其生长速度越慢；而 面网密度小的晶面的生长速度则快， 以至最终消失了。
∴ 晶体上得以保存下来的晶面 是面网密度大的晶面。
实际晶体为面网密度大的面网所包围。
小结：
1．重点： 晶体生长和晶面发育的3个基本理论：
按空间格子规律，自发地集结成体积达 一定大小但仍极其微小的微晶粒即晶核。
一、层生长理论
晶体的自限性是晶体在生长过程中
按格子构造中的某些原子面网逐层 平行生长的结果。
层生长理论：科塞尔-斯特兰斯基二维成核理论。
在理想条件下，晶体的生长过程是在晶核 的基础上先长完一条行列，再长相邻的行列，
长满一层面网，再开始长第二层面网， 逐层地向外平行推移。当生长停止时， 其最外层的面网便表现为实际晶面。
意义： 解释：
➊ 晶体自发地长成面平、棱直的
规则的凸几何多面体；(晶体的自限性)
➋ 矿物晶体的环带构造；
➌ 同种矿物的不同晶体对应晶面之间 的夹角不变；(面角守恒定律)
➍ 生长锥或砂钟状构造。
注意： 实际晶体生长并非完全按照 二维生长机制进行，往往一层未长完 另一层又开始生长。
(过饱和度或过冷却度低时)
这意味着，即使是在溶液的过饱和度很低
的情况下，晶体仍可以按螺旋生长机理 而不断地生长。
➋ 晶体按螺旋生长模型生长最终会 在晶面上形成各种各样的螺旋纹。
三、布拉维法则
晶体上的实际晶面 平行于对应空间格子中 面网密度大的面网，且面网密度越大， 相应晶面的重要性也越大。
注意：
➊ 晶面的重要性， 可由晶面本身的大小， 在各个晶体上出现的频数， 以及是否平行于解理面等来衡量。

晶体生长技术晶体生长技术§1.1 晶体的分类晶体构成物质的原子、分子在空间作长程有序的排列，形成具有一定的点阵结构的固体就是晶体。

所谓长程有序就是由一些相同的质点（基元）在空间有规则地作周期性的无限分布。

即至少在微米量级的范围内是有序的排列。

这些质点代表原子、离子、分子或基团的重心。

晶体分成天然晶体和人工晶体。

天然晶体：水晶、红宝石、蓝宝石、祖母绿等，这些晶体叫做天然晶体。

§1.2 晶体的应用当物质以晶体状态存在时，它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。

此外，由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料。

被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。

1、半导体晶体。

2、激光晶体：激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光。

3、非线性光学晶体：非线性光学晶体与激光紧密相连，是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。

4、压电晶体：当对某些晶体挤压或拉伸时，该晶体的两端就会产生不同的电荷，这种晶体就叫压电晶体。

第二章晶体的品质鉴定§2.1 晶体的物相和组分分析1物相鉴定：当一种材料制备出来以后，我们需要知道材料中包含哪几种结晶物质，或某种物质以何种结晶状态存在。

一般地，将材料中的一种结晶物质称为一个相。

物相鉴定方法：X射线粉末衍射法原理：Bragg方程: 2dsinθ= λ测定步骤:1）将晶体研磨成一定颗粒度的多晶粉末(5μm)（2）用X射线粉末衍射仪测量晶体的粉末衍射图(I,d,2θ, β) ；（3）将晶体的粉末衍射图与粉末衍射标准联合委员会（the joint Committee on Powder Diffraction Standards)所收集的标准粉末衍射卡进行比较，就可以判定出所生长的晶体物相。