晶体生长机理研究综述

晶体生长机理研究综述

摘要

晶体生长机理是研究金属材料的基础，它本质上就是理解晶体内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态之间的关系。通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的形成从而改善和提高晶体的质量和性能使材料的强度大大增强开发材料的使用潜能。本文主要介绍了晶体生长的基本过程和生长机理，晶体生长理论研究的技术和手段，控制晶体生长的途径以及控制晶体生长的途径。

关键词：晶体结构晶界晶须扩散成核

一、晶体生长基本过程

从宏观角度看，晶体生长过程是晶体-环境相、蒸气、溶液、熔体、界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变从微观角度来看，晶体生长过程可以看作一个基元过程，所谓基元是指结晶过程中最基本的结构单元，从广义上说，基元可以是原子、分子，也可以是具有一定几何构型的原子分子聚集体所谓的基元过程包括以下主要步骤：（1）基元的形成：在一定的生长条件下，环境相中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失（2）基元在生长界面的吸附：由于对流~热力学无规则的运动或原子间的吸引力，基元运动到界面上并被吸附

（3）基元在界面的运动：基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动

（4）基元在界面上结晶或脱附：在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面某一适当的位置结晶并长入固相，或者脱附而重新回到环境相中。

晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的基元过程。环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中；而不同结构的生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态。对于同一晶体，不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元，最终形成不同形态的晶体。同种晶体可能有多种结构的物相，即同质异相体，这也是由于生长条件不同基元过程不同而导致的结果，生长机理如下:

1.1扩散控制机理从溶液相中生长出晶体，首要的问题是溶质必须从过饱和溶液中运送到晶体表面，并按照晶体结构重排。若这种运送受速率控制，则扩散和对流将会起重要作用。当晶体粒度不大于1Oum时，在正常重力场或搅拌速率很低的情况下，晶体的生长机理为扩散控制机理。

1.2 成核控制机理在晶体生长过程中，成核控制远不如扩散控制那么常见但对于很小的晶体，可能不存在位错或其它缺陷。生长是由分子或离子一层一层

地沉积而得以实施，各层均由离子、分子或低聚合度的基团沉积所成的排所组成，因此对于成核控制的晶体生长，成核速率可看作是晶体生长速率。

当晶体的某一层长到足够大且达到一定边界时，由于来自溶液中的离子在完整表面上不能找到有效吸附点而使晶体的生长停止，单个表面晶核和溶液之间达成不稳定状态。

1.3 位错控制机理当溶液的饱和比小于2时，表面成核速率极低，如果每个表面晶核只能形成一个分子层则晶体生长的实际速率只能是零。事实上，很多实验表明，即使在S =1. O1 的低饱和比条件下，晶体都能很容易地进行生长，这不可能用表面成核机理来解释。1949 年Frank指出，在这种情况下晶体的生长是由于表面绕着一个螺旋位错进行的缠绕生长，螺旋生长的势能可能要比表面成核生长的势能大。但是，表面成核一旦达到层的边界就会失去活性，而螺旋位错生长却可生长出成百万的层。由于层错过程中原子面位移距离不同，可产生不同类型的台阶台阶的高度小于面间距，被称为亚台阶；高度等于面间距的台阶则称为全台阶这两类台阶都能成为晶体生长中永不消失的台阶源。

1.4 综合控制机理晶体生长事实上是极为复杂的过程，特别是自溶液中的生长。一般情况下，控制晶体生长的机理都不止一种，而是由单核层机理、多核层机理和扩散控制生长机理的综合作用，控制着晶体的生长。

二、晶体生长理论研究的基本科学问题

实际晶体中也不是所有原子都严格的按周期性规律排列的，因为晶体中存在着一些微小的区域，在这些区域内或穿过这些区域时，原子排列的周期性将受到破坏，这样的区域称为晶体缺陷。按照缺陷区相对于晶体的大小，可将晶体缺陷分为以下四类：

（1）点缺陷：如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度而可以忽略不计，那么这种缺陷就称为点缺陷。

（2）线缺陷：如果在某一方向缺陷区的尺寸可以与晶体或晶粒的线度相比拟而在其它方向上的尺寸相对于晶体或晶粒线度可以忽略不计，那么这种缺陷便成为线缺陷。

（3）面缺陷：如果在共面的方向上缺陷区的尺寸可于晶体或晶粒的线度相比拟，而在穿过该面的任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度，那么这种缺陷便称为面缺陷。

（4）体缺陷：如果在任意方向上缺陷区的尺寸都可以于晶体或晶粒的线度相比拟，那么这种缺陷称为体缺陷。

位错是晶体中的线缺陷，它实际上是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重的“错排”或“错配”。位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。这样得到的位错不失位错的普遍性。位错分为 3 种类型：刃型位错、螺型位错和混合位错。位错线必须是连续的。它或者起止于晶体表面，或形成封闭回路，或者在结点处和其它位错相连。位错理论可用来解释固体材料的各种性能和行为，特

别是变形和力学行为。

（1）晶体的实际强度远低于理论强度是因为实际晶体的塑性变形是通过局部滑移进行，故所加外力仅需破坏局部区域滑移面两边原子的结合键，而此局部区域是有缺陷的区域，此处原子本来就处于亚稳状态，秩序很低的外应力就能离开平衡位置，发生局部滑移。

（2）晶体为什么会加工硬化是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错的运动越来越困难具体地说，引起晶体加工硬化的机制有：位错的塞积、交割及其反应，易开动的位错源不断消耗等。

（3）金属为什么会退化软化是因为金属在退火过程中位错在内应力作用下通过滑移和攀移而重新排列，以及异号位错相消而使位错密度下降。位错的重新排列发生在低温退火过程，此时同号刃位错排成位错墙，形成多边化结构或亚晶粒，其主要效果是消除内应力和使物理性质恢复到冷加工前的数值。位错密度的显著下降发生在高温退火过程，它导致金属显著软化。位错既可以自发地从表面晶核长出，也可能起源于早期生长过程中的错误事件。在气体和液体中，附层所包围，使得对螺旋位错的动力学研究极为困难;在溶液中，吸附层虽然照样存在，但其运动性能大为降低，晶体生长主要取决于通过扩散溶质自溶液进入位错点的速率，这使得动力学方程的推导更为方便。

三、晶体生长理论研究的技术和手段

近年来，晶体生长理论研究的技术和手段也有了很大的发展，其中最重要的有基于现代计算机技术发展而产生的数学建模和模拟以及晶体生长过程的实时观察。

3.1 Monte Carlo 模拟

近20年来，界面结构和界面动力学发展的一个重要方面就是电子计算机在这一领域的广泛应用，即用电子计算机来模拟实际的晶体生长过程，采用的方法称为MOnte CarlO方法，又叫统计实验方法，由于实际晶体生长过程观察的困难，这种方法对于验证晶体生长理论的正确性显得尤为重要，这种方法适用于非平衡态过程的模拟，因而易于获得更为接近实际生长结果的界面结构和生长动力学过程的描述。

MOnte CarlO方法是一种采用统计抽样理论近似地求解数学问题或物理问题的方法，其基本思路是首先建立一个与描述的物理对象具有相似性的概率模型，利用这种相似性，把概率模型的某些特征与描述物理问题的解答联系起来，然后对所建模型进行随机模拟和统计抽样利用所得到的结果求出特征的统计估计值作为原来问题的近似解。

3.2 生长基元稳定能计算

在对于生长基元认识的基础上，施尔畏等人提出了复杂晶体体系的数学建模和稳定能计算，指出了应用计算机模拟技术研究晶体生长的一条新途径，其主要