Рост кристаллов - Crystal growth - Wikipedia

Кристаллизация
Основы
	Кристалл · Кристальная структура · Зарождение
Концепции
	Кристаллизация · Рост кристаллов ; Перекристаллизация · Семенной кристалл ; Протокристаллический · Монокристалл
Методы и технологии
	Буль; Метод Бриджмена – Стокбаргера ; Процесс хрустального бруса; Метод Чохральского ; Эпитаксия · Метод флюса; Фракционная кристаллизация; Фракционное замораживание ; Гидротермальный синтез; Киропулос метод; Рост пьедестала с лазерным нагревом; Микро-вытягивание вниз; Формирующие процессы при росте кристаллов; Тигель черепа; Метод Вернейля; Зона плавления

Схема небольшой части растущего кристалла. Кристалл состоит из (голубых) кубических частиц на простой кубической решетке. Верхний слой неполный, только десять из шестнадцати позиций решетки заняты частицами. Частица в жидкости (показана красными краями) присоединяется к кристаллу, увеличивая кристалл на одну частицу. Он присоединяется к решетке в точке, где его энергия будет минимальной, то есть в углу незавершенного верхнего слоя (поверх частицы, показанной желтыми краями). Его энергия будет минимальной, потому что в этом положении он будет взаимодействовать с тремя соседями (один внизу, один слева и один вверху справа). Все остальные позиции на неполном кристаллическом слое имеют только одного или двух соседей.

А кристалл это твердый материал составляющая часть атомы, молекулы, или же ионы расположены в упорядоченно повторяющемся узоре, охватывающем все три пространственных измерения. Рост кристаллов это важный этап процесс кристаллизации, и заключается в добавлении новых атомов, ионов или полимер струны в характерное расположение кристаллической решетки.^[1]^[2] Рост обычно следует за начальной стадией гомогенного или гетерогенного (поверхностный катализ). зарождение за исключением случаев, когда «затравочный» кристалл, специально добавленный для начала роста, уже присутствовал.

В результате роста кристаллов образуется кристаллическое твердое тело, атомы или молекулы которого плотно упакованы с фиксированными положениями в Космос относительно друг друга. состояние дела характеризуется отчетливым структурная жесткость и очень высокая устойчивость к деформация (то есть изменения формы и / или объема). Большинство кристаллических твердых веществ имеют высокие значения как Модуль для младших и из модуль сдвига из эластичность. Это контрастирует с большинством жидкости или же жидкости, которые имеют низкий модуль сдвига и обычно проявляют способность к макроскопическим вязкое течение.

Обзор

В процессе кристаллизации есть две стадии: зарождение и рост. На первой стадии зародышеобразования создается небольшое ядро, содержащее вновь формирующийся кристалл. Зарождение происходит относительно медленно, поскольку компоненты исходного кристалла должны сталкиваться друг с другом в правильной ориентации и размещении, чтобы они сцепились и сформировали кристалл. После успешного образования стабильного ядра следует стадия роста, на которой свободные частицы (атомы или молекулы) адсорбируются на ядре и распространяют его кристаллическую структуру наружу от центра зарождения. Этот процесс значительно быстрее зародышеобразования. Причина столь быстрого роста в том, что настоящие кристаллы содержат вывихи и другие дефекты, которые действуют как катализатор для добавления частиц к существующей кристаллической структуре. Напротив, идеальные кристаллы (без дефектов) будут расти чрезвычайно медленно.^[3]

Зарождение

Кристалл серебра, растущий на керамической подложке.

Зарождение может быть либо однородный, без воздействия посторонних частиц, или неоднородный, с воздействием посторонних частиц. Как правило, гетерогенное зародышеобразование происходит быстрее, поскольку инородные частицы действуют как строительные леса для роста кристалла, что устраняет необходимость создания новой поверхности и возникающих требований к поверхностной энергии.

Гетерогенное зародышеобразование может происходить несколькими способами. Некоторые из наиболее типичных - это небольшие включения или порезы в контейнере, на котором выращивается кристалл. Это включает царапины на боках и дне стеклянной посуды. Обычной практикой при выращивании кристаллов является добавление в раствор постороннего вещества, такого как нить или камень, тем самым обеспечивая места зародышеобразования для облегчения роста кристаллов и сокращения времени для полной кристаллизации.

Таким образом можно также контролировать количество центров зародышеобразования. Если используется новая стеклянная посуда или пластиковый контейнер, кристаллы могут не образовываться, потому что поверхность контейнера слишком гладкая, чтобы допускать гетерогенное зародышеобразование. С другой стороны, сильно поцарапанный контейнер приведет к появлению множества линий мелких кристаллов. Для получения умеренного количества кристаллов среднего размера лучше всего подходит контейнер с несколькими царапинами. Точно так же добавление небольших ранее изготовленных кристаллов или затравочных кристаллов в проект по выращиванию кристаллов обеспечит центры зародышеобразования в растворе. Добавление только одного затравочного кристалла должно привести к более крупному монокристаллу.

Механизмы роста

Пример кубические кристаллы типично для каменно-солевой состав.

Воспроизвести медиа

Промежуток времени роста лимонная кислота кристалл. Видео занимает площадь 2,0 на 1,5 мм и было снято более 7,2 мин.

Граница раздела между кристаллом и его паром может быть молекулярно острой при температурах значительно ниже точки плавления. Идеальная кристаллическая поверхность растет за счет растекания отдельных слоев или, что то же самое, за счет бокового продвижения ступеней роста, ограничивающих слои. Для ощутимых скоростей роста этот механизм требует конечной движущей силы (или степени переохлаждения) для того, чтобы снизить барьер зародышеобразования в достаточной степени, чтобы зарождение происходило посредством тепловых флуктуаций.^[4] В теории роста кристаллов из расплава Бертон и Кабрера различают два основных механизма:^[5]^[6]^[7]

Неравномерный боковой рост

Поверхность продвигается за счет бокового движения ступенек, которые имеют один межплоскостной интервал по высоте (или некоторое его целое кратное). Элемент поверхности не претерпевает изменений и не продвигается нормально к себе, кроме как во время прохождения ступеньки, а затем продвигается на высоту ступеньки. Ступеньку полезно рассматривать как переход между двумя соседними областями поверхности, которые параллельны друг другу и, следовательно, идентичны по конфигурации - смещены друг от друга на целое число плоскостей решетки. Обратите внимание на явную возможность ступеньки на диффузной поверхности, даже если высота ступеньки будет намного меньше, чем толщина диффузной поверхности.

Равномерный нормальный рост

Поверхность продвигается перпендикулярно самой себе без использования механизма ступенчатого роста. Это означает, что при наличии достаточной термодинамической движущей силы каждый элемент поверхности может непрерывно изменяться, способствуя развитию границы раздела. Для острой или прерывистой поверхности это непрерывное изменение может быть более или менее равномерным на больших площадях при каждом следующем новом слое. Для более диффузной поверхности механизм непрерывного роста может потребовать одновременного переключения нескольких последовательных слоев.

Неравномерный боковой рост - это геометрическое движение ступеней, в отличие от движения всей поверхности перпендикулярно самой себе. В качестве альтернативы, равномерный нормальный рост основан на временной последовательности элемента поверхности. В этом режиме нет движения или изменения, кроме случаев, когда шаг проходит через непрерывное изменение. Предсказание того, какой механизм будет действовать при любом наборе данных условий, имеет фундаментальное значение для понимания роста кристаллов. Для этого прогноза использовались два критерия:

Независимо от того, является ли поверхность размытый: диффузная поверхность - это поверхность, на которой переход от одной фазы к другой является непрерывным, происходящим в нескольких атомных плоскостях. Это отличается от острой поверхности, для которой основное изменение свойств (например, плотности или состава) является прерывистым и обычно ограничивается глубиной одного межплоскостного расстояния.^[8]^[9]

Независимо от того, является ли поверхность единственное число: особая поверхность - это поверхность, на которой поверхностное натяжение как функция ориентации имеет резкий минимум. Известно, что рост особых поверхностей требует шагов, в то время как обычно считается, что неособые поверхности могут непрерывно продвигаться по нормали к себе.^[10]

Движущая сила

Рассмотрим далее необходимые требования к появлению бокового роста. Очевидно, что механизм бокового роста будет обнаружен, когда любая область на поверхности может достичь метастабильного равновесия в присутствии движущей силы. Тогда он будет стремиться оставаться в такой равновесной конфигурации до прохождения ступени. После этого конфигурация будет идентичной, за исключением того, что каждая часть ступени будет увеличиваться на высоту ступени. Если поверхность не может достичь равновесия при наличии движущей силы, то она продолжит движение, не дожидаясь бокового движения ступенек.

Таким образом, Кан пришел к выводу, что отличительной чертой является способность поверхности достигать состояния равновесия в присутствии движущей силы. Он также пришел к выводу, что для каждой поверхности или границы раздела в кристаллической среде существует критическая движущая сила, которая, если она будет превышена, позволит поверхности или границе раздела продвигаться перпендикулярно самой себе, и, если ее не превышают, потребуется механизм бокового роста. .

Таким образом, при достаточно больших движущих силах граница раздела может перемещаться равномерно без использования механизма гетерогенного зарождения или винтовой дислокации. То, что составляет достаточно большую движущую силу, зависит от диффузности поверхности раздела, так что для чрезвычайно диффузных поверхностей раздела эта критическая движущая сила будет настолько малой, что любая измеримая движущая сила превысит ее. В качестве альтернативы для острых поверхностей раздела критическая движущая сила будет очень большой, и наибольший рост будет происходить за счет механизма бокового шага.

Обратите внимание, что в типичном затвердевание или же кристаллизация процесса термодинамическая движущая сила продиктована степенью переохлаждение.

Морфология

Сульфид серебра усы растут из резисторов поверхностного монтажа.

Обычно считается, что механические и другие свойства кристалла также имеют отношение к предмету изучения, и что кристалл морфология обеспечивает недостающее звено между кинетикой роста и физическими свойствами. Необходимый термодинамический аппарат предоставил Джозайя Уиллард Гиббс 'исследование гетерогенного равновесия. Он дал четкое определение поверхностной энергии, благодаря которому концепция поверхностного натяжения применима как к твердым телам, так и к жидкостям. Он также оценил, что анизотропная поверхностная свободная энергия подразумевает несферическую форму равновесия, который термодинамически следует определить как форма, которая сводит к минимуму общую поверхностную свободную энергию.^[11]

Может быть полезным отметить, что усы Рост обеспечивает связь между механическим явлением высокой прочности усов и различными механизмами роста, которые ответственны за их волокнистую морфологию. (До открытия углеродных нанотрубок монокристаллические усы имел самую высокую прочность на разрыв из всех известных материалов). Некоторые механизмы создают бездефектные усы, в то время как другие могут иметь одновинтовые дислокации вдоль главной оси роста, создавая высокопрочные усы.

Механизм роста усов не совсем понятен, но, похоже, ему способствует механическое сжатие. подчеркивает в том числе механически вызванные напряжения, напряжения, вызванные распространение различных элементов и термически индуцированных напряжений. Металлические усы отличаются от металлических дендриты в нескольких отношениях. Дендриты папоротник - имеют форму ветвей дерева и растут по поверхности металла. Напротив, усы волокнистые и выступают под прямым углом к поверхности роста или субстрату.

Диффузион-контроль

НАСА анимация образования дендритов в условиях микрогравитации.

Дендриты марганца на плоскости напластования известняков из Solnhofen, Германия. Масштаб в мм.

Очень часто, когда пересыщение (или степень переохлаждения) велико, а иногда даже когда оно невелико, кинетика роста может контролироваться диффузией. В таких условиях многогранная кристаллическая форма будет нестабильной, на ее углах и краях будут появляться выступы, где степень пересыщения находится на самом высоком уровне. Концы этих выступов явно будут точками наибольшего перенасыщения. Обычно считается, что выступ будет становиться длиннее (и тоньше на кончике) до тех пор, пока эффект межфазной свободной энергии, повышающий химический потенциал, не замедлит рост кончика и не будет поддерживать постоянное значение толщины кончика.^[12]

В последующем процессе утолщения наконечника должна быть соответствующая нестабильность формы. Незначительные неровности или «выпуклости» следует преувеличивать - и они перерастают в быстрорастущие боковые ветви. В такой нестабильной (или метастабильной) ситуации небольшой степени анизотропии должно быть достаточно для определения направлений значительного ветвления и роста. Самым привлекательным аспектом этого аргумента, конечно же, является то, что он дает основные морфологические особенности дендритный рост.

Смотрите также

Моделирование

Кинетический метод роста поверхности Монте-Карло