005－晶体生长－一个经典实验.ppt

一个经典实验 在金属电结晶例子中,生长速率由电解池中流动的电流确定,材料的沉积量由电量确定,过饱和度由过电势确定。 电量和由它所得出的表征生长过程的参数可以精确的测量。 这类试验的一个特别有利之处在于可以生成一个具有确定晶体学面的单晶并将其放入电解质溶液中与其接触. 可以制造出无螺位错的晶面,也可以制造出有确定数量位错的晶面。因此,单晶面的螺旋生长及层层和多层二维成核生长可以在同一体系中在良好控制的条件下研究。 一个经典实验 电解池的底部是一平行于底面的玻璃窗，通过该玻璃窗可以用显微镜观察生长中晶体的前进面。电解池中装入由硝酸酸化的6N硝酸银水溶液。在尽可能纯的溶液的制备过程中，用到特别的测量。打开电流后，籽晶开始生长并充满毛细管，形成具有和籽晶相同晶体学取向的单晶丝。这样得到了(100)和(111)取向的单晶面。当一交流被叠加到生长晶体的直流上时，银丝开始长粗并填充毛细管的整个截面，并且前进面的面积等于毛细管开口的面积。细丝继承了籽晶的缺陷（螺位错），这可以很容易用下面的过程检测。 通过施加一小电流将晶面平整化。然后施加一大电流导致螺位错露头的地方出现锥体。图3.56用这种方法揭示的具有几个四方锥的(100)面.在(111)单晶面的情况中,结果是三角形锥体的生长(未示出)。螺位错的柏式矢量通常相对于生长晶面是倾斜的(大部分情况下检测到的是1/2110位错)。 小心地生长细丝时，从籽晶继承的螺位错的露头离开前进面而在细丝的侧面出现。这样就得到了没有缺陷的单晶面。在用上述方法制备的完美晶面上首次获得了通过二维成核生长的证据。施加了 的恒定电流密度，测量了超电势。发现后者在从零到最大约10毫伏之间振荡。增加电流密度导致振荡周期减小，但电流密度和振荡周期的乘积保持不变。后者正好等于完成一个单层所需的电量，其中 是恒定电流， 是毛细管开口的面积， 是振荡周期。要完成1平方厘米的单层所需的电量是 ，其中 是相应晶面的原子密度， 是一个电子的电荷， 是中和离子的价态。 因此，如果假定每个振荡是由于一个二维核的形成核水平长大，度量电沉积过程困难程度的过电势的这种行为可以很容易的得以解释。在最初的时候，晶面不提供生长位置，过电势增加到一个要发生二维成核必须的大约10毫伏的临界值。一旦形成了二维核，它开始生长，沿它的外围提供越来越多的扭折位置，晶化变得容易，过电势迅速降到零，（当单层生长岛的边缘接触到毛细管的壁时），然后，需要形成一个新的二维核以进一步生长，这个过程重复。因此，振荡的振幅因该等于二维核的临界过饱和度，它的估计值是36％（ ，其中 是临界过电势)，这与溶液中的层－层生长理论的预期值吻合得很好。当过电势被固定在稍高于临界值之上时，观察到了电流的自发振荡。振荡出现的时间间隔不规则，因此表明成核过程是随机的。 然而，振荡数对长时间的平均值却只有一个。将每一个振荡归因于一个二维核的形成，则显然单位时间内振荡的平均数给出了稳定状态成核速率。在另一个试验中，电解池上施加一个低于临界过电势的恒定过电势。除了非常小的电容电流，没有检测到电流。这种条件下电解池被关掉。然后，在恒定过电势上施加一个高于临界过电势的稳压短脉冲。，检测到有电流流过电解池。后者随时间变大，显示一最大值然后又降为零。除非施加一个新的脉冲，否则检测不到电流，图3－59。电流－时间曲线有不同的形状，但电流的积分或电量保持恒定而且等于完成一个单层所需的电量。电流－时间曲线形状的不同可以用成核位置的不同很容易地解释。显然稳压脉冲驱动了二维核的形成，然后该二维核长大并覆盖整个晶面。电流正比于围绕生长岛的台阶的长度，并且当台阶到达毛细管壁时电流变为零。 * ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? * 用来制备无位错和有一个或多个位错单晶面的电解池示意图。 阴极是一根尾部为内径约200微米的毛细管的含有籽晶的玻璃管。在有些情况下，用具有矩形横截面(100?m?400?m)的毛细管来测量单个原子台阶或台阶串的发展速率.