晶體生長-周樨

1、晶體生長動力學動力學 基礎知識 周周 樨樨2004-12-252004-12-25晶體生長動力學晶體生長動力學闡明晶體在不同生長條件下的生長機制，研究生長速率與生長驅動力間的關系。一 晶體生長形態(tài)二 輸運過程三 生長界面的穩(wěn)定性四 界面結構模型五 生長界面動力學一一 晶體生長形態(tài)晶體生長形態(tài)1.晶體生長形態(tài)與晶面生長速率的關系晶體生長形態(tài)與晶面生長速率的關系 晶面生長速率:在單位時間內晶面（hkl）沿其法線方向向外平行推移的距離（d）。 晶體生長形態(tài)的變化來源于各晶面相對生長速率（比值）的改變。晶面生長速率之比對晶面相對大小的影響晶面生長速率之比對晶面相對大小的影響1.一個晶面的生長速率比相鄰

2、晶面慢時，在晶體生長過程中其晶面總是逐漸擴大；a/b=cos /cos2.當bb3，ba/cos 時,SB不變，SA擴大；3.如果其生長速率比較快而達到ba/cos的程度時，其晶面便有可能逐漸縮小，甚至最終被完全淹沒而消失。生長速度快的晶面在成長過程中被淹沒而消失4.但若兩相鄰晶面以銳角相交，則不論它們的生長速率之間關系如何，晶面永遠不會消失。晶面生長速率決定著晶體的外形，那么，各晶面生長速率不同，又是受什么控制的呢？面網(wǎng)密度： ABCDBC對質點的引力：1 2 3 BCCDAB面網(wǎng)密度越小的晶面優(yōu)先生長，面網(wǎng)密度大的則落后。V BCVCDVAB面網(wǎng)密度越小,其面網(wǎng)間距也小，從而相鄰面網(wǎng)間的引

3、力越大，因此優(yōu)先生長。2.影響晶面生長速率的因素影響晶面生長速率的因素2.1內因晶體結構2.1.1 布拉維法則由面網(wǎng)密度決定晶面生長速率結論各晶面間相對生長速率與其面網(wǎng)密度的大小成反比,即面網(wǎng)密度越大的晶面其法向生長速度越慢；反之則快。晶體生長到最后階段而保留下來的主要晶面是具有面網(wǎng)密度較高，而面網(wǎng)間距dhkl較大的晶面。即一般是低指數(shù)晶面。2.1.2 周期鍵鏈理論（PBC）由鍵合能大小決定晶面生長速率基本假設：在晶體生長過程中，于生長界面上形成一個鍵所需要的時間隨著鍵合能的增加而減少，因而生長界面的生長速率隨鍵合能的增加而增加。PBC理論：晶體結構是由周期鍵鏈（PBC）所組成的，晶體生長最快

4、的方向是化學鍵最強的方向，晶體生長是在沒有中斷的強鍵鏈（指在晶體生長過程中形成的強鍵）存在的方向上。 VFVS(2)(5)(1)(4)(6)(3)位置，是結合新原子的最有利位置，因為在該位置可以和3個第一最近鄰的原子成鍵，若成鍵時釋放出能量也最多。并且，該能量恰好為晶體結構中的任一原子成鍵所釋放的能量的1/2，故稱該位置為半晶體位置（111）。這樣，在（111）位置上就不需要形成任何形式的晶核，生長基元便可單獨地或連續(xù)的添加到生長位置，直至將一層臺階鋪滿。因此，半晶體位置（111）是晶體生長最有利的位置。2.非完整光滑面理論模型（螺旋位錯模型，非完整光滑面理論模型（螺旋位錯模型，BCF理論）理

5、論）由理論計算得出，在光滑界面上形成二維臨界晶核時，若從氣相或溶液中生長時，所需要的過飽和度為25-50，但在實驗上則觀察到晶體在過飽和度很低的情況下（不到1）就能生長。為解決這一矛盾，BCF理論考慮晶體結構的不完整性，認為晶體生長界面上的螺旋位錯露頭點可作為晶體生長臺階源。螺旋位錯生長模型(a)(b)(c)晶體在生長過程中不再需要形成二維臨界晶核，而螺旋位錯在界面上的露頭處便可提供一永不消失的臺階源，晶體將圍繞螺旋位錯露頭點旋轉生長，而螺旋式的臺階源將不隨著原子面網(wǎng)一層一層地鋪設而消失，而是螺旋式的連續(xù)生長過程，晶體的這種生長方式稱為螺旋線生長。除了螺旋位錯外，刃型位錯、層錯、孿晶以及重入角

6、等都能成為生長臺階源。3.粗糙界面理論模型 （定義）4. 擴散界面理論模型（定義）(晶相原子)（流體相原子）整個晶流體界面是由晶相原子和流體相原子相接觸的接觸面，界面上的全部原子都位于相當于實際固相晶格座位上，界面可由很多層構成，每層又由晶相原子和流體相原子組成，層與層的間距為d001。在體整個生長過程中，晶相原子僅能在晶相原子上堆砌。該界面為立方晶系的（001）面五五 晶體生長界面動力學晶體生長界面動力學1.完整光滑面的生長通過在生長界面上形成二維臨界晶核，使其出現(xiàn)生長臺階，以維持晶體的層狀生長。二維臨界晶核形成示意圖完整光滑面的生長取決于兩個因素：1.二維晶核的成核率I2.二維晶核的臺階橫

7、向擴展速度V. 單核生長I很小， V很大，在相當長的時間內不可能形成二維臨界晶核，偶爾出現(xiàn)一個，就會很快形成一新的結晶層。特點：晶面法向生長速率R正比于生長界面的面積 多核生長I很大， V很小生長界面會同時存在很多穩(wěn)定的二維晶核生長，然后相鄰的生長臺階合并，最后形成新的一結晶層2.非完整光滑面的生長當螺旋位錯在生長界面上所形成的臺階長度比其二維臨界晶核大時，從流體相輸運來的生長基元到達臺階后，臺階就以有限的速率向前擴展，但由于臺階的一端固定于位錯露頭點，因此這種臺階只能以位錯露頭點為中心，呈螺旋式的擴展。一對異號螺旋線示意圖在晶體生長界面上常有許多螺旋位錯露頭點，由兩個異號螺旋位錯露頭點擴展出來的臺階相遇而使旋轉方向消失了，從而產生了封閉型的生長臺階。與二維成核所形成的臺階不同，它不需要形成二維臨界晶核。3.粗糙界面的生長界面的生長速率依賴于扭折的濃度，在粗糙界面上到處是臺階和扭折，因此吸附原子處于這種界面上任何位置所具有的位能都相等，從而界面上的所有位置都是生長位置。吸附原