晶体生长过程 std

晶体的过程,大致可分为晶成和晶体长大两个阶(以从液体中形成晶体为例):

(一)晶芽的形成、长大与科塞尔理论

晶芽(或称晶核),是液体中物质结晶的中心,本质上乃是细小的晶体。

以过饱和的NaCl溶液中NaCl晶体的形成过程为例:在过饱和的NaCl溶液中,有大量带正、负电荷的Na+和Cl离子。在一定的热力学条件下,随着温度的逐渐降低,离子的动能减小,Na+与Cl离子间引力作用增大,相互结合首先形成线晶(图1-16A),线晶的相互靠拢而成面晶(图1-16B),面晶的相互叠合而成结晶格子(图1-16C),结晶格子就是很小的晶体,即为晶芽。

图1-16线晶(A)、面晶(B)与晶芽(C)

晶芽除了上述自发形成外,也可以是外来的杂质、晶体的碎块、胶体质点、气泡等,以它们作为溶液中物质的结晶中心。

晶芽在不饱和溶液中也可能形成,但形成后很快又被溶解而消失,因此不饱和溶液中不能形成晶体。

晶体的长大,实质是溶液中过剩的质点向晶芽上粘附并按结晶格子扩大的过程。质点以何种方式和次序向晶芽上粘附?科塞尔认为:晶体长大过程中,质点是以一个一个地方式往晶芽上粘附,其次序是先完成一条行列再长相邻的行列;长完一层面网之后再长第二层面网,即面网呈层平行向外推移。这就是科塞尔理论。

这一理论可用图1-17加以解释。他设想了一个正在生长着的单种原子所组成的立方格子晶体,新质点首先被吸附在具有三面凹角的“1”处。因为该处有三个最近邻的质点对它吸引,且吸引力最大。当不存在三面凹角位置时,新质点被粘附在具有两面凹角的“2”处,因该处有两个最近邻的质点对它吸引,其吸引力较“1”次之。当上述位置都没有时,新质点才被粘附在“3”处,此处只被晶体上最近邻的一个质点所吸引。按此方式和次序,显然是长完一条行列,再长相邻的行列,长满一层网面,再长相邻的网面,整个面网呈层平行向外推移。

图1-17晶体生长的科塞尔理论图解(据戈定夷等,1989)

图1-18石英晶体的带状构造

这一理论对解释晶体的自限性,某些晶体呈带状构造(图1-18),以及后面将讲的面角恒等定律等都有着重要的意义。

(二)晶面的生长速度与布拉维法则

晶体生长过程中,面网平行向外推移,各面网向外推移的距离不完全相等。如图1-19所示,晶面a和c向外推移距离比晶面b和d要大。

图1-19晶体的生长速度图解

我们将晶面在单位时间内沿其法线方向向外推移的距离称为晶面的生长速度。

在一个晶体上,各晶面之间的相对生长速度与晶面本身的面网密度成反比。一般面网密度较大的晶面其生长速度较慢,而面网密度较小的晶面,则生长速度较快。生长速度快的晶面(图1-19中a,c)逐渐缩小,以至消失;而生长速度慢的晶面(图1-19中b,d)逐渐扩大,最后保留在晶体上。因此,实际晶体被面网密度大的晶面所包围。此理论称为布拉维法则。

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