Modelo de crecimiento de cristales
Una vez formado el núcleo del cristal, este crecerá más. A continuación se presentan varios modelos principales sobre el crecimiento de cristales.
1. Modelo de teoría de crecimiento de capas
La teoría de crecimiento de capas de cristales propuesta por primera vez por Kossel (1927) y posteriormente desarrollada por Stranski también se conoce como teoría de Kossel-Stransky. La cuestión clave que se discutirá en este modelo es encontrar la posición de crecimiento óptima en una interfaz antes de que crezca por completo. La figura 8-2 muestra varias posiciones en una interfaz de un modelo de cristal cúbico simple. El número de enlaces en cada posición es diferente y el grado de estabilidad de la nueva partícula una vez colocada es diferente. Cuando cada nueva partícula de la fase ambiental está en su lugar en la red cristalina en la interfaz entre la fase ambiental y la nueva fase, la posición más probable para la unión es la posición energéticamente más favorable, es decir, cuando se combina para formar un enlace. debe tener la mayor cantidad de enlaces y liberar el lugar con mayor energía. La Figura 8-2 muestra las diversas posiciones posibles de crecimiento de las partículas en la superficie del cristal en crecimiento: k es una superficie en zigzag con ángulos cóncavos de tres lados, que es la posición de crecimiento más favorable, seguida de S es la superficie escalonada con dos; Ángulos cóncavos laterales. La posición de crecimiento más desfavorable es A. De esto podemos sacar la siguiente conclusión: cuando un cristal crece en condiciones ideales, una vez que hay posiciones de ángulos cóncavos de tres lados, las partículas crecerán preferentemente en una fila a lo largo de las posiciones de los ángulos cóncavos de tres lados y cuando esta fila es; lleno, solo habrá dos lados. Si el ángulo cóncavo está en su lugar, las partículas solo pueden crecer en su lugar en las esquinas cóncavas de los dos lados. En este momento, se generarán tres ángulos cóncavos y luego filas y filas adyacentes. crecerá; después de llenar una capa de malla, las partículas solo pueden crecer en la superficie lisa, este proceso equivale a formar un núcleo bidimensional en una superficie lisa para proporcionar ángulos cóncavos de tres lados y de dos lados. ángulos cóncavos, y luego comienza a crecer la segunda capa de la red. Las caras del cristal (facetas más externas) crecen paralelas y hacia afuera. Este es el modelo de crecimiento de capas de cristales, que puede explicar algunos de los siguientes fenómenos de crecimiento:
Figura 8-2 Ilustración de los estados de la superficie durante el crecimiento de los cristales
Figura 8-3 Bandas de cuarzo Estructura de forma
(1) Los cristales a menudo crecen en formas poliédricas con caras planas y bordes rectos.
(2) Durante el proceso de crecimiento de los cristales, el entorno puede cambiar y las propiedades físicas (como el color) y la composición de los cristales generados en diferentes momentos pueden tener cambios sutiles, por lo que la sección transversal A menudo se pueden observar estructuras en forma de bandas (Figura 8-3). Muestra que los planos cristalinos crecen paralelos y hacia afuera.
(3) Dado que las caras del cristal crecen en paralelo hacia afuera, el ángulo entre las caras del cristal correspondientes en diferentes cristales del mismo mineral permanece sin cambios.
(4) El cristal crece de pequeño a pequeño y muchas superficies del cristal se mueven paralelas hacia afuera para formar un cono con el centro del cristal como ápice, lo que se denomina cono de crecimiento o estructura en forma de campana de arena ( Figura 8-4, Figura 8-5). A menudo se ve en secciones delgadas.
Figura 8-4 Cono de crecimiento
Figura 8-5 Estructura en forma de campana de arena del piroxeno ordinario
Sin embargo, la situación real del crecimiento de cristales es mejor que la Crecimiento de capa simple El modelo es mucho más complejo. El espesor de la capa de material depositada en un plano cristalino a la vez puede alcanzar a menudo decenas de miles o cientos de miles de capas moleculares. Al mismo tiempo, no se trata necesariamente de una acumulación secuencial de capas una a una, sino que antes de que una capa haya terminado de crecer, comienza a crecer una nueva capa. Como resultado de un crecimiento continuo como este, la superficie del cristal se vuelve desigual y adquiere una forma escalonada, lo que se denomina escalón plano cristalino.
Aunque el modelo de crecimiento de capas tiene sus aspectos correctos, el proceso de crecimiento de cristales real no sigue completamente el mecanismo de crecimiento de capas bidimensional. Porque una vez que se completa el crecimiento de una capa de la red cristalina, es muy difícil comenzar a hacer crecer la segunda capa de red sobre ella. La razón es que la atracción de la red cultivada hacia las partículas en la solución es pequeña y. Es difícil superar la gravedad de las partículas. Las vibraciones térmicas mueven las partículas a su posición. Por lo tanto, el crecimiento de cristales a baja sobresaturación o subenfriamiento debe explicarse mediante otros mecanismos de crecimiento.
2. Modelo teórico de crecimiento en espiral
Franck et al. (1949, 1951) estudiaron el crecimiento de cristales en fase gaseosa y estimaron la sobresaturación necesaria para el crecimiento de un cristal bidimensional. capa no menos del 25% ~ 50%. Sin embargo, en la práctica se ha demostrado que los cristales también pueden crecer en fase gaseosa con una sobresaturación inferior al 1%. Este fenómeno no puede explicarse mediante el modelo de crecimiento de capas.
Basándose en el fenómeno de dislocación más común entre varios defectos de la estructura cristalina real, propusieron el modelo de crecimiento en espiral del cristal (modelo BCF, propuesto por Burton, Cabrera y Frank), es decir, el punto de afloramiento de las dislocaciones en espiral en la superficie del cristal. El ángulo cóncavo resultante y el ángulo cóncavo diédrico formado por su extensión (Figura 8-6) pueden servir como fuente escalonada para el crecimiento de los cristales, promoviendo el crecimiento en interfaces suaves. Esto explica con éxito el fenómeno real de que los cristales pueden crecer con una sobresaturación muy baja. La observación del cristalógrafo indio Verma (1951) de los patrones espirales de crecimiento (Figura 8-7) y de un gran número de otros patrones espirales en la superficie de los cristales de SiC confirmó el importante papel de este modelo en el proceso de crecimiento cristalino.
Figura 8-6 Dislocaciones en cristales
La aparición de dislocaciones proporciona una fuente escalonada que nunca desaparece en la interfaz del cristal. A medida que avanza el crecimiento, los pasos se distribuirán en forma de espiral con la dislocación como centro. Los pasos en espiral no desaparecerán a medida que la red de la superficie atómica crece capa por capa, permitiendo que el crecimiento en espiral continúe. La diferencia entre crecimiento en espiral y crecimiento laminar es que los escalones no avanzan linealmente a través del plano cristalino a una velocidad constante, sino que avanzan en espiral alrededor del eje de la dislocación en espiral (Figura 8-8). A medida que el cristal continúa creciendo, eventualmente se forman varios patrones de espirales en la superficie del cristal que pueden proporcionar información sobre las condiciones de crecimiento.
3. Introducción a otros modelos de crecimiento cristalino
El modelo de la teoría del crecimiento de capas y el modelo de la teoría del crecimiento en espiral tienen el mismo inconveniente, es decir, no consideran las partículas de crecimiento ( elementos primitivos). Las propiedades del propio cristal, como la unión entre partículas de crecimiento (elementos primitivos) y partículas de crecimiento (elementos primitivos), la unión entre partículas de crecimiento sólidas y líquidos, etc. Es precisamente la fuerza de estas fuerzas de unión. que afecta al cristal. Gran impacto en el crecimiento. Basándose en esto, Jackson propuso un modelo de estructura de interfaz de dos capas atómicas en 1958, también conocido como modelo de Jackson. Este modelo parte de la perspectiva de la energía de enlace y obtiene un criterio importante para distinguir si la interfaz es lisa o rugosa: el factor de Jackson. El factor de Jackson está relacionado con dos factores. Por un lado, está relacionado con las propiedades termodinámicas. el sistema de crecimiento, como de líquido a líquido. El cambio de fase, calor latente, temperatura, etc. de la fase a la fase cristalina, por otro lado, está relacionado con la estructura específica y la dirección del plano cristalino (es decir, la símbolo del plano cristalino). El mecanismo de crecimiento de la cara del cristal se puede juzgar por el tamaño del factor Jackson de la cara del cristal. Sin embargo, el modelo de estructura de interfaz diatómica limita el proceso de crecimiento de cristales a una capa diatómica (una capa es la fase líquida y la otra capa es la fase cristalina), es decir, la fase cristalina y la fase líquida están "mutadas", y la fase real La interfaz de crecimiento de cristales puede ser "difusión", es decir, la interfaz de la fase líquida a la fase cristalina es de transición. Basándose en esto, Temkin propuso el modelo de interfaz de dispersión en 1966.
Figura 8-7 Espiral de crecimiento en la superficie de un cristal de SiC
Figura 8-8 Modo de crecimiento en espiral
Después de que se propuso el modelo de crecimiento en espiral, la gente No consideraremos más la espiral El papel de los defectos de dislocación distintos de las dislocaciones en el crecimiento de los cristales. Hasta la década de 1980, algunos académicos extranjeros y Min Naiben de mi país propusieron que las dislocaciones de bordes, las fallas de apilamiento, etc. podrían proporcionar fuentes escalonadas para el crecimiento de los cristales. Además, el modelo de crecimiento en capas y el modelo de crecimiento en espiral mencionados anteriormente suponen que las partículas de crecimiento son esféricas o cúbicas, y que la interfaz de crecimiento también es una estructura de red cúbica simple. La influencia de la forma y el tamaño de las partículas de crecimiento en el crecimiento. El proceso no se considera. El erudito chino Zhong Weizhuo propuso el modelo teórico de unidad de crecimiento del poliedro de coordinación de iones negativos, las partículas de crecimiento son poliedros de coordinación de aniones y cationes específicos, y el proceso de crecimiento está directamente relacionado con la estructura cristalina específica de la interfaz de crecimiento.