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1、2022/11/22,1,2.1.3 晶体的长大 3 晶体的生长方式和速度,晶体的生长方式，是指液相中原子向某个晶粒表面的堆砌方式。 根据界面结构的不同，晶体可采取连续生长，侧向生长和从缺陷生长等方式; 这三种生长方式相互联系又各具特征。,2022/11/22,2,1） 连续生长粗糙界面的生长粗糙界面-原子只占50%左右的位置，存在50%左右的空位，可作为液相中原子向上堆砌的台阶。这种台阶不限于一层原子，甚至存在于几个 原子层内。沉积到界面上的原子受到前方和侧面固态原子 的作用，结合牢固且不易反弹或脱落，如图。晶体在生长过程中界面上的台阶始终存在（保持粗糙界面）因此，液体中的原子可以在整个界面
2、上连续沉积， 促使界面便连续、均匀地垂直生长。这种生长被称为连续生长、垂直生长或正常生长 。,2022/11/22,3,图2-14 粗糙界面上原子的堆砌过程,返回,2022/11/22,4,由于一个原子到达界面后不因弹性碰撞而被弹回几率AF1，故生长中几乎不存在热力学能障。由于界面的多层结构和过渡性质，其动力学能障也比较小。因此生长过程易为较小的动力学过冷所驱动，并能得到较高的生长速度。绝大多数金属 定量：连续生长速度R与TK关系？,2022/11/22,5,如图2,当固/液界面温度低于平衡熔点温度Tm时， 原子从液相跳向固相界面所需活化能为Gb， 则原子越过势垒Gb从液态变为固态的频率LS为
3、： 0 原子的振动频率。,图2 固/液界面的自由能,2022/11/22,6,如果原子从固相界面反弹回液相液相中所要克服的势垒是GbGm。原子反弹回液相的频率SL示为：只有当原子由液态变为固态的频率大于由固态变为液态的频率时，晶体才能长大。因此，原子沉积与反弹频率之差，即净频率为,2022/11/22,7,由于式中TK为动力学过冷度。当KT值很大，而Gm很小时，净频率表达式可以按Taylor公式展开，整理得,2022/11/22,8,如果原子在界面上沉积的概率处处相等，并且沉积一层原子使界面向前推进的距离为a，则界面连续长大的速度为 :由于 因此，粗糙界面的连续长大速度为式中1是连续长大系数。
4、,2022/11/22,9,粗糙界面连续长大方式的特点：(1) 当液态原子的扩散系数DL随温度变化不大时，晶体长大速度R与动力学过冷度TK呈线性关系，如图2-7(a) 。 其长大所需的动力学过冷很小，一般为TK0.010.05 K。一般1 1100cm/(sK)，因此在很小的过冷度下就可以获得极高的生长速度。实际铸锭凝固时的晶体生长速度约为10-2cm/s，由此推算出的动力学过冷度TK10-210-4 K，小到无法测量的程度。,2022/11/22,10,图2-7 连续长大速度R与过冷度TK的关系(a)非粘性金属液体 (b)氧化物或有机物,返回1,返回2,2022/11/22,11,(2)实质
5、上：过冷度的大小是由界面附近的温度和成分所决定的。由于这种生长机理的界面原子迁移速度极高，故晶体的生长速度最后将由传热过程或传质过程所决定。即由液相原子的扩散能力和界面导出结晶潜热的能力所决定。 前者决定了液体中原子向界面上跳跃沉积的速度，后者决定了界面前沿始终保持一个较大动力学过冷度TK。 在DL变化不大时，通过增大过冷度TK，可获得很大的长大速度。金属的结晶潜热较低，散热条件较好，溶质扩散速度也较高，因此易于保持较高的生长速度。,2022/11/22,12,(3)当DL值随温度变化很大时，如氧化物和有机化合物等，在某一过冷度TK时，晶体长大速度达到最大值； 继续增大过冷度，晶体长大速度反而
6、下降如图2-7(b)所示。 (4)粗糙界面连续长大的结果，淹没了晶体的棱角，使晶体呈现光滑的外表面。,2022/11/22,13,(1) 生长机制 假定光滑界面为理想的无缺陷完整晶面。这种晶面有显著的晶体学特性，它一般都是特定的密排面，晶面内原子排列紧密。固、液两相的结构和键合情况差别很大，界限非常分明。从液态转变为固态要在很窄的过渡区域内急剧完成。液相中的原子要在完整晶面上直接堆砌很困难。由于缺少现成的台阶作为接纳新原子的角落，堆砌上去的原子也很不稳定，极易脱落或弹回 因此不可能像粗糙界面那样借助于连续生长机制进行生长。,2）二维形核生长机理完整平整界面（光滑界面）的生长,2022/11/2
7、2,14,当光滑界面为完整的界面时，只能依靠能量起伏使液态原子:首先在界面上形成单原子厚度的二维晶核，然后利用其周围台阶沿着界面横向扩展，直到长满一层后，界面就向液相前进了一个晶面间距。 这时，又必须利用二维形核产生新台阶，才能开始新一层的生长，周而复始地进行。 界面的推移具有不连续性，并且有横向生长的特点。台阶沿界面的运动是这种生长机理的基本特征。又称侧面生长、沿面生长或层状生长。,2022/11/22,15,图2-8 光滑界面侧向生长方式,2022/11/22,16,特点：二维形核控制界面生长过程。 二维形核的热力学能障较高； 由于界面的突变性质，其动力学能障比较大，生长比较困难。因此过程需要较大的动力学过冷来驱动，生长速度也比连续生长低。定量：界面生长速度R与TK的关系？,2022/11/22,17,生长速率R与动力学过冷度的关系： 其中 2，b 为动力学常数； TK 动力学过冷度。 当TK低于某临界值时，R几乎为零； 一旦超过该值，R急剧地大。 此临界值约为12 K，比连续生长所需的过冷度约大两个数量级。,2022/11/22,18,由于二维晶核各生长表面在长大过程中始终保持平整，最后形成的晶体是以许多小平面为生长表面的多面体。 粗糙的外表面 这种晶体棱角分明,称为多面体晶体，其生长方式称为小平面生长。 以粗糙界面长大形成表面光滑的晶体则称为非多面体晶体。,
