晶体相场模拟微观组织生长的讲义
【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件

体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体(Crystal)是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造,所以,晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明:晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(=空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order); 在原子近邻具有的周期性,叫短程有序(shortrange order), 液体具有短程有序;气体既无长程,也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2(KBBF) 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中,晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反,内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态(Non-crystal)。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状,虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质,在各个方 向上都是相同的,即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ,在熔化过程中,随着温度的升高,它首先变软,然后 逐渐由稠变稀,经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
,顾名思义,就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石,也有食盐、石英等 常见的晶体,也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体,普普通通的砂石泥土等常见的物质,以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。
《晶体生长机理》课件

晶体生长的原理
晶体生长是指晶体在适宜的条件下从溶液或气相中生长增大的过程。它受到 晶体生长条件和晶体形态影响,涉及物质输送、结晶核、晶体生长速率等因 素。
滴定法生长晶体
滴定法是一种常用的生长晶体的方法。它利用溶液中所含物质的滴定反应, 控பைடு நூலகம்条件使晶体从溶液中沉淀出来。
物质输送导致晶体生长
物质输送是晶体生长的重要因素之一。毛细管现象导致了溶液中物质传输的 变化,对晶体生长速率产生影响。晶体生长速率与传质系数密切相关。
结论
晶体生长机理的研究对于推动材料科学和生命科学的发展至关重要。未来的研究方向包括深入探究晶体 生长的动力学过程和机制,并应用于更广泛的领域。
《晶体生长机理》PPT课 件
晶体生长机理是研究晶体生长过程及其原理的学科。本课件将介绍晶体的定 义、组成、生长过程、条件,以及滴定法生长晶体、物质输送导致晶体生长 等内容。
什么是晶体?
晶体是具有确定的物理结构和几何形状的固体物质。它由阵列有序排列的原 子、离子或分子构成,因此具有独特的性质和形态。
晶体生长机制的研究方法
研究晶体生长机制的方法包括红外光谱法、X射线衍射法和晶体形态模拟法。 这些方法可以揭示晶体生长的分子结构、微观行为和晶体形态发展规律。
晶体生长机理的意义
晶体生长机理对新材料研究和生命科学具有重要意义。了解晶体生长原理可 以指导材料设计、制备和性能优化,以及研究细胞、蛋白质等生命科学领域。
半导体材料晶体生长通用课件

气相生长法具有制备的晶体材料纯度高、结晶完整等优点 ,适用于制备小尺寸、高纯度的晶体材料。在气相生长法 中,需要选择合适的气体原料,控制反应温度、压力和气 体流速等参数,以获得高质量的晶体材料。
晶体生长的历史与发展
历史回顾
晶体生长技术的发展可以追溯到 19世纪中期,随着科技的不断进 步,晶体生长技术也在不断改进 和创新。
发展趋势
当前,半导体材料晶体生长正朝 着生长高质量大尺寸晶体、发展 新型晶体生长技术、探索新型半 导体材料等方向发展。
应用前景
随着5G通信、物联网、人工智能 等领域的快速发展,半导体材料 晶体生长技术的应用前景将更加 广阔。
等,以提高晶体的完整性和性能。
杂质和缺陷控制
02
严格控制晶体中的杂质和缺陷,如金属杂质、非金属杂质、空
位等,以提高半导体的电学和光学性能。
晶体尺寸与形状
03
随着应用需求的增加,需要生长更大尺寸、更规则形状的晶体
,以满足集成电路、光电子器件等领域的需求。
新材料与新技术的探索
新一代半导体材料
探索新型半导体材料,如硅基氮化物、碳化物、氧化物等,以提高 半导体的性能和适应性。
晶体生长是物质从液态、气态向固态转变的过程,涉及到原子或 分子的排列结构形成。
晶体生长的相平衡
在晶体生长过程中,需要了解液态和固态之间的相平衡关系,以及 不同温度、压力条件下的相变过程。
表面张力与晶体生长
表面张力是影响晶体生长的重要因素之一,它决定了晶体在生长过 程中的形态和结构。
晶体生长的热力学与动力学
溶液生长法
南京大学晶体生长课件Chapter晶体生长动力学演示文稿

47种几何单形
• 一般说来,对于一个单形的描述,要注意晶面的数目、形状、 相互关系、晶面与对称要素的相对位置及单形的横切面等。
• 单形的晶面数目、形状(包括晶面、横切面的形状)常是命名 的主要依据。
• 记住一些单形名称的方法:
• 1、面类
等轴晶系:
2、柱类
1、四面体组
3、单锥类
2、八面体组
4、双锥类
and c are the FFT patterns of the corresponding HRTEM images, and inset in Fig. d is the SAED pattern taken from the [010]-zone axis. The {100} and (101) facets are indicated in Fig. c, and surface steps lying on the {100} planes are indicated in Fig. d.
第三十三页,共126页。
第三十四页,共126页。
HRTEM images of a single ZnZrO3 particle from the ZnZrO3 powders synthesized at different Zn/Zr molar ratios. (c) Zn/Zr = 3.0, and (d) Zn/Zr = 4.0. Insets in Figs. a
第五页,共126页。
第六页,共126页。
假想的某晶体截面图
在晶体中任意给定晶面(hkl)的生长速 度(在其垂直方向上的移动速率)Rhkl 与
该晶面的原子层间距 dhkl 成反比
第七页,共126页。
第八页,共126页。
晶体生长机理PPT课件

非平衡材料研究室
• A single molecule is denoted by C60 .
西安理工大学
非平衡材料研究室
• Each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to one another to form both hexagon (six-carbon atom) and pentagon (five-carbon atom) geometrical configurations.
• 应用:
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(8)闪烁晶体
• 定义:
当射线或放射性粒子通过晶体时,晶体会 发出荧光脉冲,这类晶体为闪烁晶体。
• 应用:
核医学、核技术、空间物理等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(9)半导体晶体
• 定义:
电阻率处于导电体(10 - 5 .cm)和绝缘 体(1010 .cm )之间的晶体为半导体晶体。
• 应用:
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
• 要求:
在使用的波长范围内,对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
西安理工大学
非平衡材料研究室
(4)声光晶体
• 定义:
超声波通过晶体时,在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域,使晶体的折射率发生周期性变 化,形成超声导致的折射率光栅,当光通过折射率 周期性变化的晶体时,将受到光栅的衍射,产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。
晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型

晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型晶体生长是一种重要的物理化学过程,它在材料科学、化学工业、生物医药等领域都有着广泛的应用。
晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型是研究晶体生长过程中关键的问题,本文将从以下几个方面进行探讨。
一、晶体生长微观机理1. 晶体的结构与生长晶体是由原子、离子或分子按照一定规律排列而成的固态物质,其结构可以通过X射线衍射等手段进行表征。
在晶体生长过程中,溶液中的溶质分子会逐渐聚集形成固态结构,这个过程可以分为三个阶段:核化、成核和晶体生长。
2. 晶核形成与影响因素在溶液中,当达到饱和度时,就会出现小于临界尺寸的“原始胚”,随着时间的推移,“原始胚”会不断增大并发展成为稳定的“晶核”。
影响晶核形成的因素包括温度、浓度、pH值等。
3. 晶体生长速率与形貌晶体生长速率与晶体表面的形貌密切相关,通常情况下,高速生长的晶体表面比较光滑,低速生长的晶体表面则会出现棱角和凸起。
晶体生长速率受到溶液中溶质浓度、温度、流动状态等多种因素影响。
二、晶体生长边界层模型1. 晶体生长边界层概念在晶体生长过程中,由于溶液和固态晶体之间存在着物质交换和能量转移,因此会形成一个厚度很小的“边界层”,这个“边界层”被称为“晶体生长边界层”。
它是指在固液相变过程中,在固相表面与液相之间存在的一种物理化学过程。
2. 晶体生长边界层模型目前已经提出了多种不同的晶体生长边界层模型,其中最为广泛应用的是Kossel-Stranski模型。
该模型认为,在固态表面上形成了一层原子密度比周围低的单分子层,该单分子层可以吸附在固态表面上,并且能够引导下一层原子的沉积。
随着晶体生长,这个单分子层会不断向外扩散,直至达到平衡状态。
3. 晶体生长边界层的影响晶体生长边界层对晶体生长速率和形貌都有着重要的影响。
较厚的边界层会导致晶体表面形貌不规则,生长速率变慢;而较薄的边界层则会使晶体表面光滑,生长速率加快。
三、总结晶体生长微观机理及晶体生长边界层模型是研究晶体生长过程中关键的问题。
《晶体生长理论》ppt课件

多次区熔的过程
○ 在凝固界面,对于k<1的杂质,由于分凝作用将部分被
排斥到熔区,并向后携带
○ 在熔化界面,锭料的熔化带入新的杂质,并从熔化界面向凝
固界面运动〔杂质倒流〕,其结果是使整个熔区杂质浓度添加
○ 随着区熔次数的添加,尾部杂质越来越多,浓度梯度越来越
陡,杂质倒流越严重
极限分布
○ 经过多次区熔提纯后,杂质分布形状到达一个
如Cu-Ni相图 :
相图分析:2个点、2条线、3个区。
测定方法:热分析法〔最常用〕。
③二元合金相图的建立——热分析法建立相图的过程
▲配制系列成分的铜镍合金
▲测出它们的冷却曲线,得到临
界点
▲把这些点标在T—成分坐标上
▲将具有一样意义的点衔接成线,
标明各区域内所存在的相, 即得到
Cu-Ni合金相图
2、分凝景象与分凝系数
④ l →大,Cs→小,提纯效果好⇒l越大越好
⑤ 极限分布时(K一定):
⑥ l →大,B →小, A →大,Cs(x)→大, 提纯效果差
⑦
⇒l越小越好
⑧ 运用:前几次用宽熔区,后几次用窄熔区。
②熔区的挪动速度
BPS公式:
Keff
K0
f
D
1K0e
K0
f越小,keff越接近k0,提纯效果好, 区熔次数少, 但是过低速
〔资料中的杂质量本来很少〕
由于存在分凝景象,正常凝固后锭条中的杂质分布不再是均匀的,
会出现三种情况:
K<1的杂质,杂质向尾部集中;
K>1的杂质,杂质向头部集中;
K≈1的杂质,根本上坚持原有的均匀分布的方式
正常凝固过程中,Cs沿锭长的分布
1
晶体生长中相图的介绍PPT课件

22
TP
1 V
2
T P
压缩系数 膨胀系数
特点:无相变潜热,无体积的不连续性,但有Cp、、的 不连续
二级相变:
相变发生时,两平衡相的化学势和化学势的一阶偏微 分相等,但化学势的二阶偏微分不相等。
由于这类相变中热容随温度的变化在相变温度T0时趋于无穷 大,因此可根据CP-T曲线具有λ形状而称二级相变为λ相变, 其相变点可称为λ点或居里点。 一般合金的有序-无序转变、铁磁性顺磁性转变、超导态转变 等均属于二级相变。 在许多一级相变中都重叠有二级相变的特征,因此有些相变 实际上是混合型
引言
一. 相变的分类
相变:指在一定外界条件下,体系中发生的从一相到另一 相的变化过程。
1.按热力学分类 按照自由能对温度和压力的偏导函数在相变点的 数学特征——连续或非连续,将相变分为一级相变、 二级相变或更高级的相变。 n级相变:在相变点系统的化学势的第(n-1)阶 导数保持连续,而其n阶导数不连续。
对 驴 讲 经 图
1966年诺贝尔奖得主 朗道
朗道:1908年-1968年 1922年:巴库大学物理系 1924年:转学列宁格勒大学 本科毕业后两年完成博士学位的学习 1929-1930年:博士后 (瑞士、德国、丹麦、英国、比利时和荷兰) 1938年4月-1939年4月:入狱
1962年:诺贝尔奖
高级相变
在临界温度,临界压力时,一阶,二阶偏导数相等,而 三阶偏导数不相等的相变成为三级相变。 实例:量子统计爱因斯坦玻色凝结现象为三级相变。 依次类推,自由焓的n-1阶偏导连续,n阶偏导不连续时 称为n级相变。二级以上的相变称为高级相变,一般高级 相变很少,大多数相变为低级相变。
二级相变和高级相变:连续相变
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However there are situations where atomic length and time scales are needed and therefore MD might be better suited. An example of this is the effect of grain boundaries on ion bombardment. The benefit here is that PFC method has generated a blurred atomic picture but to some degree can be used to represent the atomic positions. The resulting microstructures from PFC can be used by MD simulations, this is a rare example where information across scales occurs in reverse. An example of a 3D generated polycrystalline BCC sample using PFC is shown in 3.
More recently the PFC method has shown promise in addressing the short-comings of PF. The primary difference between PFC and PF is that the order parameter is refashioned as a temporally coarse but spatially described by an atomic probability density (APD)5. This is done by choosing
∗stefanb@emergy functional which is minimized by an APD that is spatially periodic for crystalline solids and constant for liquids. It so happens that such description incorporates the necessary physics to describe things like surface tension, elasticity, anisotropy, dislocations etc. Additionally diffusive behaviour can be studied as a consequence of the time scale. In Fig. 1 an example from Provatas and Elder 6 is showing the ADP field of a partially solidified simulation. Many aspects such as orientation, liquid/solid interface, and dislocations are highlighted.
Growing Microstructures using Phase-Field Crystal
Stefan Bringuier∗1
1University of Arizona, Department of Materials Science and Engineering
December 16, 2013
1 Overview
The phase-field (PF) and phase-field-crystal (PFC) methods are relatively new approaches to modelling materials based on the variational principles of minimizing the free energy of a given system. More specifically, PFC is concerned with minimizing the free-energy functional by considering density fields that have periodic spatial variation1. Thus for crystalline solids this inherently captures the periodic description. Furthermore such model naturally incorporates elastic/plastic deformations and captures varying grain boundary orientations.
2
experimental or other computational methods. Phase-field-crystal may provide some value insight since it is possible
to grow microstructures and interfaces.These structures can then be subjected to external fields or non-equilibrium events to extract properties7. For example in Fig. 2 the dislocation glide velocity and crack propagation behaviours have been study.
Figure 1: PFC simulation showing ADP field and the various micro structure properties captured.6
2 Proposed Research
The importance of structural information such as grain boundary (GB) interfaces is crucial to understand the properties of a given material. For this reason computational methods such as molecular dynamics (MD) and first principle calculations are utilized to subject these interfaces to varies conditions. However, due to constraints from time and spatial scales it is computational difficult to grow crystals/polycrystals and furthermore interfaces using MD or first principle calculations. In some cases the use of mathematical geometric constructions make ease in building GB, an example of such approach are the coincident-site lattice model and Voronoi tessellation method. Although very useful, such methods are limiting and do not necessarily provide agreement with experimental microstructures. In addition even after considerable annealing and equilibration cycles the resulting interfaces might still reside in local minima. Thus determining the most suitable initial configuration requires some prior knowledge from
Computational investigation of microstructure evolution using PF to date has been well studied2–4. The PF method makes use of field variables such as impurity concentration and temperature to evolve the system microstructure. This has been extensively used to study dendritic growth in metals and alloys as well as spinodal decomposition. The dynamics of the system are driven by the dissipative minimization of a phenomenological determined free-energy functional. One of the limitations concerning phase field modelling is that the formulation requires uniform fields that are in equilibrium. As a result of this properties such as elasticity, anisotropy, and grain orientations are not inherent in the physical description. Although this has been addressed via different methods, PF has yet been unable to handle diffusive phase transformations and anisotropic surface energy to name a few 1,5.