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第二编 相 变 与 相 图 第五章 晶体生长 晶体是有规则排列的原子空间集合,如何从 液体变成固态状的晶体,已成为一门独立的学科 -晶体学。这里只简单介绍一些基本概念。 §5.1 液体的性质和结构 液体特征—流动性好(原子间结合力比固体中的弱);压缩性低(原子间排列紧密度比气体高) 致密度高的晶体,液态的密度略低于固体; 但稼、铋例外 致密度低的晶体,液态的密度略高于固体,如Si,Ge。 一般认为,在液体中会存在一些大小不等、 随机取向的短程有序原子团。原子团内部排列象 晶体那样有规则,原子团间有一定的自由空间, 随能量起伏,这些原子团时而形成,时而变大, 时而变小以致消失。 由热力学,一定温度下不同大小原子团的 相对数目为: . n为单位体积原子数; ni为n个原子中含有i个原子的原子团数目; ΔG为原子团与数目相同的单个原子的自由能的差, k为玻尔兹曼常数,k=1.3805×10-23JK-1 T为绝对温标。 ΔG由两部分组成: (1)与固、液相的自由能差有关;平衡温度时为零;低于熔点为负;高于熔点为正。 (2)与固/液相的界面能有关;永为正。 V为原子团体积,A为表面积, ΔGV为固、液相的摩尔自由能差,VS为固相的摩尔体积,σ为单位面积的界面能。 X射线分析表明: CN=12的面心立方金属液态时原子的 CN=11; CN=8的体心立方金属液态时原子的 CN=7。 §5.2 凝固(结晶)的热力学条件 凝固(结晶)过程是一个相变过程(液相-固相转变)。 相变过程能否发生,一般有两个条件: (1)热力学条件:判定相变有否可能发生; (2)动力学条件:相变能否以有用的速率进行 由热力学可知,在恒压下: G为Gibbs自由能(G=H-TS) ,T为热力学温 度,p为压力,S为熵,U为内能,H为焓, A=U-TS为亥姆霍兹自由能 。系统的S恒为正值, 且随温度升高而增加,故G与T的关系随温度升高 而降低。 已知同一物质液体的熵值大于固态的熵值, 故液相的G-T曲线总比固相的G-T曲线陡。 GL、GS为液相、固相的G-T曲线,二曲线 交点TM为平衡熔点,又称理论凝固温度, 此时, GL=GS TTM,GLGS,此时液相更稳定,固相向液 相转变; TTM ,GL GS,此时固相更稳定,液相可 向固相转变; 固-液二相的自由能差是引起系统进行凝固的 热力学驱动力,而过冷是凝固的热力学条件。 过冷度: ΔT=TM-T T为过冷液相所处温度。 温度为T时:固-液二相的摩尔自由能差为 : ΔGV=GS-GL=(HS-TSS)-(HL-TSL) = HS- HL )-T(SS –SL) = ΔH-T ΔS 当T=TM时, ΔGV=0,ΔS= ΔH/TM 近似认为凝固时, ΔH、 ΔS与温度无关,则 ΔGV= ΔH-T ΔS= ΔH-(ΔH/TM)T = ΔH(1-T/TM)= ΔH[(TM-T)/TM] = ΔHΔT/TM ΔH为凝固潜热,由系统放出,为负值,单 位为J/mol。 显然,过冷度越大,即凝固的驱动力越大。 单位体积的ΔGV=LΔT/ TM , L为相变潜热(KJ/mol)。 HL-HS=LM(熔化潜热) §5.3 形核过程 晶体生长大致有形核—长大—完成三过程。 形核可分 均匀形核—理想均匀系统中由物 质分子形核过程。 非均匀形核—物质中杂质、其它不 均匀性引起的形核过程。
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