晶體的層生長與螺旋生長

晶體的生長一般是先生成晶核，爾后再逐漸長大。晶核的形成是一個復雜的過程。對于從液相中生成晶體的情況而言，通常，當溶液達到過飽和或熔體達到過冷卻時，體系內(nèi)相應組分的質(zhì)點將按照格子構(gòu)造形式首先聚合成一些具有一定大小、但實際上是極其微小的微晶粒，這些微小的晶粒便稱為晶核或晶芽。晶核是晶體生長的中心。晶核形成以后，圍繞晶核的生長，實際上就是溶液或熔體中的其他質(zhì)點，按照格子構(gòu)造規(guī)律不斷地堆積在晶核上，使晶核逐漸長成晶體的過程。那么質(zhì)點是如何堆積到晶核上長成晶體的呢？下面重點介紹兩個有關(guān)的理論模型。圖2-1層生長模型（據(jù)潘兆櫓等，1993）1.層生長理論層生長（layer growth）理論又稱科塞爾-施特蘭斯基二維成核（two-dimensional nucleation）理論，是由科塞爾（W.Kossel）提出后經(jīng)施特蘭斯基（I.N.Stranski）發(fā)展而成的晶體生長模型。該理論認為，質(zhì)點在光滑的晶核表面堆積時，存在著3種不同的占位位置1和2及3（圖2-1），分別稱為三面凹角、二面凹角和一般位置。每種位置周圍分布著數(shù)量不等的質(zhì)點，這些質(zhì)點對欲進入該位置的外來質(zhì)點具有一定的吸引作用。三面凹角周圍分布的相鄰質(zhì)點數(shù)多于二面凹角，二面凹角周圍分布的相鄰質(zhì)點數(shù)多于一般位置。這樣質(zhì)點進入3種位置后與周圍質(zhì)點成鍵的數(shù)量多少就不相同。三面凹角周圍分布的相鄰質(zhì)點數(shù)最多，進入該位置的質(zhì)點與周圍相鄰質(zhì)點之間形成的化學鍵最多，釋放的能量也最大，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。因此，質(zhì)點優(yōu)先進入三面凹角，其次是二面凹角，最后是一般位置。由此可以推出，在理想情況下，晶體在晶核基礎上生長時，應先生長一條行列，然后生長相鄰的行列，在長滿一層面網(wǎng)后，再開始生長第二層面網(wǎng)，這樣晶體面網(wǎng)一層一層地逐漸向外平行推移，最外層的面網(wǎng)便發(fā)育成晶體的晶面。這就是層生長理論。圖2-2 石英縱切面上的環(huán)帶構(gòu)造（據(jù)李勝榮等，1996）晶體表面微形貌的掃描電鏡觀察表明，實際晶體的生長并不嚴格按照簡單的逐層外推的方式進行。因為在晶體的生長過程中，常常粘附在晶核表面的不是一個質(zhì)點，而是按格子構(gòu)造聚合而成的質(zhì)點團，其厚度可達幾萬或幾十萬個原子層。另外，晶體表面不一定是平坦的晶面，而可能出現(xiàn)晶面階梯，表明質(zhì)點向晶核上堆積時也不一定是在一層堆滿以后才開始堆積第二層，晶核表面可有多個層同時在堆積。盡管如此，晶體的生長在許多情況下還是按層進行的。例如，晶體斷面上常?？梢砸姷江h(huán)帶構(gòu)造（zoning，圖2-2）；晶體常生長成為面平、棱直的多面體形態(tài)（晶體的自限性）；同種物質(zhì)的晶體上對應晶面間的夾角不變（面角守恒定律）；形成生長錐（圖2-3）等。所有這些現(xiàn)象都證明了晶體在較理想條件下生長時，晶面是平行向外推移的。圖2-3 晶體的生長錐（據(jù)南京大學巖礦教研室，1978）a—各晶面生長速度保持恒定時形成的棱錐狀生長錐；b和c—各晶面相對生長速度有變化時形成的復雜生長錐2.螺旋生長理論層生長理論雖然較好地闡述了理想條件下晶體的生長機制，但也存在一定的缺陷。因為當晶體的第一層面網(wǎng)生長完成以后，再在其上開始第二層面網(wǎng)生長時，三面凹角和二面凹角已經(jīng)消失，這時已長好的面網(wǎng)上僅存在一般位置，該位置對溶液中質(zhì)點的引力較小，質(zhì)點就不易克服熱振動而進入該位置。因此，開始生長第二層面網(wǎng)時需要較高的過冷卻度和過飽和度。顯然，層生長理論還不能很好地解釋低過飽和度和低過冷卻度條件下晶體面網(wǎng)的連續(xù)生長問題。為此，基于實際晶體結(jié)構(gòu)中常見的位錯現(xiàn) 象，伯頓（W.K.Burton）、卡夫雷拉（N.Cabrera）、弗蘭克（F.C.Frank）等人又提出了晶體的螺旋生長模型，亦稱BCF模型。按照螺旋生長（spiral growth）理論，雜質(zhì)在晶格中的不均勻分布可使晶格內(nèi)部產(chǎn)生應力，圖2-4 晶格中的螺旋位錯和螺旋生長模型（據(jù)潘兆櫓等，1993）a—f示不同生長階段當應力積累超過一定限度時，晶格便沿某一面網(wǎng)發(fā)生相對剪切位移，形成螺旋位錯（screw dislo-cation）。螺旋位錯的出現(xiàn)使平滑的界面上出現(xiàn)沿位錯線分布的凹角（圖2-4），從而使介質(zhì)中的質(zhì)點優(yōu)先向凹角處堆積。顯然，隨著質(zhì)點在凹角處的堆積，凹角并不會消失，只是凹角所在的位置隨質(zhì)點的堆積而不斷地螺旋式上升，導致生長界面以螺旋層向外推移，并在晶面上留下成長過程中形成的螺旋紋（圖2-5）。這便是晶體的螺旋生長。層生長理論是母相的過飽和度及過冷卻度較大而能滿足二維成核所需成核能時較適合的晶體生長模型，螺旋生長理論是解釋母相的過飽和度及過冷卻度較小甚至很小時較適合的晶體生長模型。圖2-5 晶面上的螺旋紋（據(jù)王文魁，2002）
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