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a过程:从扭折处将一个原子移到台阶上的孤立位置,破坏一个原子键(能量2?1),产生2个扭折; b过程:自台阶任一位置将原子移到台阶上另一孤立位置,破坏二个键(能量4 ?1),产生4个扭折; c过程:自台阶上的扭折位置将原子移到另一台阶的扭折位置,破坏的键数为零(不需能量),无扭折产生. ?一个扭折的形成能为 ?1。 在台阶上任一位置形成正、负扭折的相对几率为 T?0K, 扭折间距?? 扭折密度为0 有限温度,台阶上存在扭折 ?1?0.1eV T=600K,扭折的平均距离=4-5个原子间距 由热涨落产生的扭折密度相当高! §8 界面相变熵和界面的平衡结构 一、杰克逊界面理论 单原子层界面模型 假定界面层内原子完全无关分布,忽略偏聚效应 考察一单元系统:生长单元是单个原子 问题的提出: 假定原界面层中N个原子全为流体原子,求当其中有NA个原子转变为晶相原子所引起的系统吉布斯自由能的改变?G ?求?G 关于x的函数。 在恒温、恒压下界面中NA个流体原子转变为晶相原子所引起的吉布斯自由能的变化为 ?G=-?u - P?v+T?s P:压强 ?u、?v、?s分别为界面内NA个流体原子转变为晶相原子所引起的内能、体积、熵的变化 单原子层模型 假设:流体原子间、流体原子与晶相原子间无相互作用;仅晶相原子间有相互作用 A、内能的改变 流体原子转变为晶相原子形成键合 B、熵的改变 界面层内的原子座位数为N,其中NA个为减小原子占有,N-NA个为流体原子占有,可能的组合方式有W个 考虑气相生长: 与气相体积相比,晶相体积可以忽略(同为NA个原子) 气相近似为理想气体 若: T=TE 又由 ?=2?o+?1 考虑熔体生长: ?v可忽略 T=TE(熔体生长时生长温度接近凝固点) 溶液生长的热力学系统为二元系统或多元系统 泰勒等、克尔等的推广 结果与单元系统的相同 其中 x=(NA+NB)/N NA、NB: 组元 A和 B的原子数 吉布斯自由能最小?系统平衡态?相应的 x 值确定界面的平衡结构 ?:界面相变熵 ?2:粗糙界面 ?2:光滑界面 面心立方晶体:?=12 {111}:?1=6??1/?=1/2 {100}:?1=4??1/?=1/3 二、熔化熵 在熔体生长系统中,相变潜热就是熔化潜热,相变熵就是熔化熵。 氧化物: Lo/kTE较大 ? 低指数面?2,光滑界面 金属:大多数金属Lo/kTE2 ? ?2,粗糙界面 半导体介于其间:硅-?1/?{111}=3/4 ? 光滑界面 * 重点: §5 曲率半径对平衡参量的影响 §8 界面相变熵和界面的平衡结构 §1 界面能和界面张力 界面能是一个热力学函数 只有在相平衡曲线上才有意义 在单元系统中,界面能只是一个自变量的函数 固体的自由表面可以看作为晶体结构周期的一种二维缺陷。处在晶体内部的原子或离子,受到最近邻的和次近邻的原子或离子的对称力场的作用。但处在晶体表面的原子或离子,受到的是一个不对称力场的作用。 表面上原子(离子)的键是不饱和 ?? 影响界面附近原子(离子)组合的几何图形、电子结构、点缺陷以及线缺陷的分布。 固体和液体的表面能与周围的环境条件,如晶面、温度、第二相的性质等条件有关。 液-汽界面和液-液界面 接触角-界面张力?Lv和 ?SL的夹角 浸润与否取决于相交诸相的性质?界面能?界面张力 §2 界面交接 §3 弯曲界面的相平衡 弯曲界面的力学平衡-界面压强 具有表面的系统的自由能 在可逆定温、定容过程中,外界对系统作的功等于自由能的增量。现在考虑一个体积为V,表面积为A的液滴,如果在定温、定容条件下,表面积改变为dA,外界对系统作的功为?dA,则有 dF= ?dA 其中?仅为温度的函数,故在定温条件下它是常数,积分上式得 F= ?A+Fo(T, V)=F表+ Fo(T, V) 表面张力是单位表面面积所具有的自由能。 表面张力对平衡条件的影响 定温、定容条件下液滴的平衡态-自由能最小 T、V不变条件下,设几何形状改变,则有 ?F= ? ?A=0 ?? A应取极小值?? 球形 室温?=73达因/cm2 1大气压=106达因/cm2 r 10-3mm,才需考虑表面张力引起的附加压强 面元abcd的面积 A=r1?1?r2?2 面元A向?相位移dr,则该面元的面积为 A’=( r1+dr)?1?(r2+dr)?2 面元A位移dr后,?相的体积增量为 dV?=Adr 定义: 曲率中心在晶体中,称晶体的界面为凸形,曲率半径取正号;反之,曲率半径取负号。 熔体 熔体 p’ p’+?p 熔体生长系统 §5 界面曲率对平衡参量的影响 熔体生长系统 一、界面曲率对凝固点的影响 r 0 ??凝固较难,熔化较易 r 0 ??凝固较易,熔化较难 p’ p’+?p 二、界面曲
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