南京大学-晶体生长课件-Chapter 5 晶体生长动力学.pptVIP

1927年：Kossel 和 Stranski，光滑界面二维成核生长 模型 1949年：Frank，缺陷界面螺位错生长模型 1951年：Burton, Cabrera, Frank，总结，提出界面生 长动力学理论模型，BCF理论模型 1958年：Jackson，粗糙界面理论模型 1966年：Temkin，弥散界面理论模型 1973年：Hartman等，周期键链理论模型，PBC模型 90年代：仲维卓，负离子配位多面体生长基元理论模型 实验研究手段 晶体生长界面的直接观察：光学显微镜、相衬显微镜、 激光全息干涉术 缺点：或分辨率低、或对实验条件要求太高，难于对生长界面进行原子级、分子级结构的观察 原子力显微镜：分辨率高、可在大气环境下工作 精确地实时观察生长界面的原子、分子级分辨图象，了解生长过程和生长机理 * 如果x=50%，则该体系中界面的平衡结构是粗糙的； 若x接近于0%或100%，则界面是光滑的。 在两相平衡温度Te和压力P下，由NA个流体相原子转变为NA个晶相原子所引起的G的变化量为 △G＝ △E＋P △V－Te △S (2.47) 式中， △E ，△V， △S 分别表示在界面层中流体相原子转变为晶相原子所引起的内能，体积和熵的变化量。 假定原子是按统计分布在界面层的点阵座位上，这样界面层中的晶相原子和流体相原子的分布状态就与温度无关，利用Bragg－Williams近似法处理，采用统计计算，得到界面层内G的变化量△G与晶相原子占有成分x间的函数关系式： 界面相变熵中第一个因子决定于生长体系的热力学性质，它是单个原子的相变熵，称为物质相变熵； 第二个因子称为界面取向因子，反映了晶体的各向异性。 四、扩散界面理论模型（Temkin模型） 1966年，Temkin（特姆金）提出，又称为多层界面模型，它仍属于晶格模型。 如图2.21所示 所考虑的界面是正方晶系晶体的（001）面。将晶－流体体系中的原子区分为晶相原子和流体相原子。 整个晶－流体界面是由晶相原子和流体相原子相接触的接触面，界面上的全部原子都位于相当于实际固相晶格座位上，界面的间距为（001）面的面间距d001。 在晶体整个生长过程中，晶相原子仅能在晶相原子上堆砌，仍把流体空间视为均匀的连续介质。 §2.6 晶体生长界面动力学 研究晶体生长界面动力学的最终目标是探索各种生长条件下的晶体生长机制和研究晶体生长速率与生长驱动力之间的关系。 晶体生长速率与生长驱动力之间的函数关系，称为生长界面动力学规律。 晶体生长界面动力学规律决定于生长机制，而生长机制又决定于生长过程中的界面结构。 因此，生长界面动力学规律与界面结构是密切相关的。 下面对于晶体生长的四种界面的动力学进行讨论。 一、完整光滑面的生长 晶体从气相或溶液中生长可作为完整光滑面生长。 完整光滑面生长首先需要在生长界面上形成二维临界晶核，使其出现生长台阶。 如图2.24所示。 假设二维临界晶核为半径r的圆形核，此时，晶－流体两相体系所引起的G的变化为： 根据式2.65，△G（r） 随r的变化关系如图2.25 当新生成的二维核的r很大时， △G（r）0； 当二维核r很小时， △G（r）0； 在曲线上相应于临界半径rc存在△G（r）的极大值△G(r)c 利用 可求得二维核的临界半径rc 这说明流体相的过饱和度越大，临界半径rc的尺度与△G（r）c 却越小； 反之，当α越小时， rc和△G（r）c 却越大； 当α＝1时，临界晶核趋于无穷大。 下面讨论单核与多核生长的问题 若流体相原子或分子在生长界面上的碰撞频率为γ0，可近似得到二维成核率为 I＝ γ0exp (-△G(γ0) / kT) (2.70) 所谓成核率I，指的是单位时间内单位面积上形成的二维晶核的数目。 γ0 是流体相原子或分子在生长界面上的碰撞频率。 完整光滑面的生长取决于两个因素： 一个是二维晶核的成核率I；另一个是二维晶核的台阶横向扩散速度ν∞ （1）如果成核率I很小，而台阶横向扩散速度ν∞ 很快，在相当长的时间内不可能形成新的二维临界晶核，偶尔出现一个就会很快地形成一个新的结晶层，这就是单核生长。 （2）如果I很大，而ν∞ 较慢，生长界面上会同时存在许多二维晶核的生长，然后相邻的生长台阶合并，形成新的结晶层，这就是多核生长。 可用两个时间因子来区分单核与多核的生长 若完整光滑界面的面积为S，单位时间内单位面积的成核数为1，连续两次成核时间的间隔为tn，称为成核周期，由于 I S tn＝1 （2.71） 所以， tn＝1/ I S （2.72） 另一个时间因子是当二维晶核形成后，台阶以速度