晶體生長機(jī)理研究綜述

1、晶體生長機(jī)理研究綜述摘要晶體生長機(jī)理是研究金屬材料的基礎(chǔ)，它本質(zhì)上就是理解晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷、生長條件和晶體形態(tài)之間的關(guān)系。通過改變生長條件來控制晶體內(nèi)部缺陷的形成從而改善和提高晶體的質(zhì)量和性能使材料的強(qiáng)度大大增強(qiáng)開發(fā)材料的使用潛能。本文主要介紹了晶體生長的基本過程和生長機(jī)理，晶體生長理論研究的技術(shù)和手段，控制晶體生長的途徑以及控制晶體生長的途徑。關(guān)鍵詞：晶體結(jié)構(gòu)晶界晶須擴(kuò)散成核一、晶體生長基本過程從宏觀角度看，晶體生長過程是晶體環(huán)境相

2、、蒸氣、溶液、熔體、界面向環(huán)境相中不斷推移的過程，也就是由包含組成晶體單元的母相從低秩序相向高度有序晶相的轉(zhuǎn)變從微觀角度來看，晶體生長過程可以看作一個(gè)基元過程，所謂基元是指結(jié)晶過程中最基本的結(jié)構(gòu)單元，從廣義上說，基元可以是原子、分子，也可以是具有一定幾何構(gòu)型的原子分子聚集體所謂的基元過程包括以下主要步驟：（1）基元的形成：在一定的生長條件下，環(huán)境相中物質(zhì)相互作用，動態(tài)地形成不同結(jié)構(gòu)形式的基元，這些基元不停地運(yùn)動并相互轉(zhuǎn)化，隨時(shí)產(chǎn)生或消失

3、（2）基元在生長界面的吸附：由于對流~熱力學(xué)無規(guī)則的運(yùn)動或原子間的吸引力，基元運(yùn)動到界面上并被吸附（3）基元在界面的運(yùn)動：基元由于熱力學(xué)的驅(qū)動，在界面上遷移運(yùn)動（4）基元在界面上結(jié)晶或脫附：在界面上依附的基元，經(jīng)過一定的運(yùn)動，可能在界面某一適當(dāng)?shù)奈恢媒Y(jié)晶并長入固相，或者脫附而重新回到環(huán)境相中。晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、環(huán)境相狀態(tài)及生長條件都將直接影響晶體生長的基元過程。環(huán)境相及生長條件的影響集中體現(xiàn)于基元的形成過程之中；而不同結(jié)構(gòu)的生長基元在不同晶

4、面族上的吸附、運(yùn)動、結(jié)晶或脫附過程主要與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。不同結(jié)構(gòu)的晶體具有不同的生長形態(tài)。對于同一晶體，不同的生長條件可能產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的生長基元，最終形成不同形態(tài)的晶體。同種晶體可能有多種結(jié)構(gòu)的物相，即同質(zhì)異相體，這也是由于生長條件不同基元過程不同而導(dǎo)致的結(jié)果，生長機(jī)理如下:1.1擴(kuò)散控制機(jī)理從溶液相中生長出晶體，首要的問題是溶質(zhì)必須從過飽和溶液中運(yùn)送到晶體表面，并按照晶體結(jié)構(gòu)重排。若這種運(yùn)送受速率控制，則擴(kuò)散和對流將會起重要作用。

5、當(dāng)晶體粒度不大于1Oum時(shí)，在正常重力場或攪拌速率很低的情況下，晶體的生長機(jī)理為擴(kuò)散控制機(jī)理。1.2成核控制機(jī)理在晶體生長過程中，成核控制遠(yuǎn)不如擴(kuò)散控制那么?；旌衔诲e(cuò)。位錯(cuò)線必須是連續(xù)的。它或者起止于晶體表面，或形成封閉回路，或者在結(jié)點(diǎn)處和其它位錯(cuò)相連。位錯(cuò)理論可用來解釋固體材料的各種性能和行為，特別是變形和力學(xué)行為。（1）晶體的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度是因?yàn)閷?shí)際晶體的塑性變形是通過局部滑移進(jìn)行，故所加外力僅需破壞局部區(qū)域滑移面兩邊原子的

6、結(jié)合鍵，而此局部區(qū)域是有缺陷的區(qū)域，此處原子本來就處于亞穩(wěn)狀態(tài)，秩序很低的外應(yīng)力就能離開平衡位置，發(fā)生局部滑移。（2）晶體為什么會加工硬化是因?yàn)榫w在塑性變形過程中位錯(cuò)密度不斷增加，使彈性應(yīng)力不斷增大，位錯(cuò)間的交互作用不斷增強(qiáng)，因而位錯(cuò)的運(yùn)動越來越困難具體地說，引起晶體加工硬化的機(jī)制有：位錯(cuò)的塞積、交割及其反應(yīng)，易開動的位錯(cuò)源不斷消耗等。（3）金屬為什么會退化軟化是因?yàn)榻饘僭谕嘶疬^程中位錯(cuò)在內(nèi)應(yīng)力作用下通過滑移和攀移而重新排列，以及異號

7、位錯(cuò)相消而使位錯(cuò)密度下降。位錯(cuò)的重新排列發(fā)生在低溫退火過程，此時(shí)同號刃位錯(cuò)排成位錯(cuò)墻，形成多邊化結(jié)構(gòu)或亞晶粒，其主要效果是消除內(nèi)應(yīng)力和使物理性質(zhì)恢復(fù)到冷加工前的數(shù)值。位錯(cuò)密度的顯著下降發(fā)生在高溫退火過程，它導(dǎo)致金屬顯著軟化。位錯(cuò)既可以自發(fā)地從表面晶核長出，也可能起源于早期生長過程中的錯(cuò)誤事件。在氣體和液體中，附層所包圍，使得對螺旋位錯(cuò)的動力學(xué)研究極為困難在溶液中，吸附層雖然照樣存在，但其運(yùn)動性能大為降低，晶體生長主要取決于通過擴(kuò)散溶質(zhì)自

8、溶液進(jìn)入位錯(cuò)點(diǎn)的速率，這使得動力學(xué)方程的推導(dǎo)更為方便。三、晶體生長理論研究的技術(shù)和手段近年來，晶體生長理論研究的技術(shù)和手段也有了很大的發(fā)展，其中最重要的有基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的數(shù)學(xué)建模和模擬以及晶體生長過程的實(shí)時(shí)觀察。3.1MonteCarlo模擬近20年來，界面結(jié)構(gòu)和界面動力學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要方面就是電子計(jì)算機(jī)在這一領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，即用電子計(jì)算機(jī)來模擬實(shí)際的晶體生長過程，采用的方法稱為MOnteCarlO方法，又叫統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，

9、由于實(shí)際晶體生長過程觀察的困難，這種方法對于驗(yàn)證晶體生長理論的正確性顯得尤為重要，這種方法適用于非平衡態(tài)過程的模擬，因而易于獲得更為接近實(shí)際生長結(jié)果的界面結(jié)構(gòu)和生長動力學(xué)過程的描述。MOnteCarlO方法是一種采用統(tǒng)計(jì)抽樣理論近似地求解數(shù)學(xué)問題或物理問題的方法，其基本思路是首先建立一個(gè)與描述的物理對象具有相似性的概率模型，利用這種相似性，把概率模型的某些特征與描述物理問題的解答聯(lián)系起來，然后對所建模型進(jìn)行隨機(jī)模擬和統(tǒng)計(jì)抽樣利用所得到的