Kristalltillväxt
En kristall är ett fast material vars ingående atomer , molekyler eller joner är ordnade i ett ordnat repeterande mönster som sträcker sig i alla tre rumsliga dimensioner. Kristalltillväxt är ett viktigt steg i en kristallisationsprocess och består av tillsats av nya atomer, joner eller polymersträngar i det karakteristiska arrangemanget av det kristallina gittret. Tillväxten följer typiskt ett initialt stadium av antingen homogen eller heterogen (ytkatalyserad) kärnbildning , såvida inte en "frö"-kristall, avsiktligt tillsatt för att starta tillväxten, redan var närvarande.
Verkan av kristalltillväxt ger ett kristallint fast ämne vars atomer eller molekyler är tätt packade, med fixerade positioner i rymden i förhållande till varandra. Det kristallina tillståndet av materia kännetecknas av en distinkt strukturell styvhet och mycket hög motståndskraft mot deformation (dvs förändringar av form och/eller volym). De flesta kristallina fasta ämnen har höga värden både för Youngs modul och skjuvningselasticitetsmodulen . Detta står i kontrast till de flesta vätskor eller vätskor , som har en låg skjuvmodul och typiskt uppvisar kapacitet för makroskopiskt viskös flöde .
Översikt
Efter framgångsrik bildning av en stabil kärna uppstår ett tillväxtstadium där fria partiklar (atomer eller molekyler) adsorberas på kärnan och fortplantar dess kristallina struktur utåt från kärnbildningsstället. Denna process är betydligt snabbare än kärnbildning. Anledningen till en sådan snabb tillväxt är att riktiga kristaller innehåller dislokationer och andra defekter, som fungerar som en katalysator för tillsats av partiklar till den befintliga kristallina strukturen. Däremot skulle perfekta kristaller (som saknar defekter) växa oerhört långsamt. Å andra sidan föroreningar fungera som kristalltillväxthämmare och kan också modifiera kristallvana .
Kärnbildning
Kärnbildning kan antingen vara homogen , utan påverkan av främmande partiklar, eller heterogen , med påverkan av främmande partiklar. Generellt sker heterogen kärnbildning snabbare eftersom de främmande partiklarna fungerar som en ställning för kristallen att växa på, vilket eliminerar behovet av att skapa en ny yta och de begynnande ytenergikraven.
Heterogen kärnbildning kan ske med flera metoder. Några av de mest typiska är små inneslutningar, eller snitt, i behållaren som kristallen odlas på. Detta inkluderar repor på sidorna och botten av glas. En vanlig praxis vid kristallodling är att tillsätta en främmande substans, såsom en sträng eller en sten, till lösningen, och därigenom tillhandahålla kärnbildningsställen för att underlätta kristalltillväxt och förkorta tiden för att helt kristallisera.
Antalet kärnbildningsställen kan också kontrolleras på detta sätt. Om en helt ny bit av glas eller en plastbehållare används, kan det hända att kristaller inte bildas eftersom behållarens yta är för slät för att tillåta heterogen kärnbildning. Å andra sidan kommer en illa repad behållare att resultera i många rader av små kristaller. För att uppnå ett måttligt antal medelstora kristaller fungerar en behållare som har några repor bäst. På samma sätt kommer att lägga till små tidigare gjorda kristaller, eller frökristaller, till ett kristallodlingsprojekt att ge kärnbildningsställen till lösningen. Tillägget av endast en frökristall bör resultera i en större enkristall.
Mekanismer för tillväxt
Gränsytan mellan en kristall och dess ånga kan vara molekylärt skarp vid temperaturer långt under smältpunkten. En idealisk kristallin yta växer genom spridningen av enstaka skikt, eller ekvivalent, genom att tillväxtstegen avgränsar skikten i sidled. För märkbara tillväxthastigheter kräver denna mekanism en ändlig drivkraft (eller grad av underkylning) för att sänka kärnbildningsbarriären tillräckligt för att kärnbildning ska ske med hjälp av termiska fluktuationer. I teorin om kristalltillväxt från smältan har Burton och Cabrera skiljt mellan två huvudmekanismer:
Ojämn lateral tillväxt
Ytan avancerar genom sidorörelsen av steg som är ett avstånd mellan planerna i höjdled (eller någon integrerad multipel därav). Ett ytelement undergår ingen förändring och avancerar inte normalt mot sig självt förutom under passagen av ett steg, och sedan avancerar det med steghöjden. Det är användbart att betrakta steget som övergången mellan två intilliggande områden av en yta som är parallella med varandra och således identiska i konfigurationen - förskjutna från varandra av ett helt antal gitterplan. Notera här den distinkta möjligheten av ett steg i en diffus yta, även om steghöjden skulle vara mycket mindre än den diffusa ytans tjocklek.
Enhetlig normal tillväxt
Ytan avancerar normalt mot sig själv utan att det behövs en stegvis tillväxtmekanism. Detta innebär att i närvaro av en tillräcklig termodynamisk drivkraft kan varje element av ytan en kontinuerlig förändring som bidrar till att gränssnittet utvecklas. För en skarp eller diskontinuerlig yta kan denna kontinuerliga förändring vara mer eller mindre enhetlig över stora ytor varje efterföljande nytt skikt. För en mer diffus yta kan en kontinuerlig tillväxtmekanism kräva förändring över flera på varandra följande lager samtidigt.
Ojämn lateral tillväxt är en geometrisk rörelse av steg - i motsats till rörelse av hela ytan normal mot sig själv. Alternativt är enhetlig normal tillväxt baserad på tidssekvensen för ett element av ytan. I detta läge sker ingen rörelse eller förändring förutom när ett steg passerar via en kontinuerlig förändring. Förutsägelsen om vilken mekanism som kommer att fungera under alla givna förhållanden är grundläggande för förståelsen av kristalltillväxt. Två kriterier har använts för att göra denna förutsägelse:
Oavsett om ytan är diffus eller inte : en diffus yta är en där förändringen från en fas till en annan är kontinuerlig och sker över flera atomplan. Detta är i motsats till en skarp yta för vilken den största förändringen i egenskap (t.ex. densitet eller sammansättning) är diskontinuerlig, och i allmänhet är begränsad till ett djup av ett interplanärt avstånd.
Oavsett om ytan är singular eller inte : en singular yta är en där ytspänningen som funktion av orientering har ett spetsigt minimum. Tillväxt av singulära ytor är känd för att kräva steg, medan det allmänt anses att icke singulära ytor kontinuerligt kan avancera vinkelrätt mot sig själva.
Drivkraft
Överväg härnäst de nödvändiga kraven för utseendet av lateral tillväxt. Det är uppenbart att den laterala tillväxtmekanismen kommer att hittas när vilket område som helst i ytan kan nå en metastabil jämvikt i närvaro av en drivkraft. Den kommer då att tendera att förbli i en sådan jämviktskonfiguration tills ett steg passerar. Efteråt kommer konfigurationen att vara identisk förutom att varje del av steget men kommer att ha avancerat med steghöjden. Om ytan inte kan nå jämvikt i närvaro av en drivkraft, kommer den att fortsätta att avancera utan att vänta på stegens laterala rörelse.
Således drog Cahn slutsatsen att det utmärkande draget är ytans förmåga att nå ett jämviktstillstånd i närvaro av den drivande kraften. Han drog också slutsatsen att för varje yta eller gränssnitt i ett kristallint medium finns det en kritisk drivkraft, som, om den överskrids, kommer att göra det möjligt för ytan eller gränsytan att avancera vinkelrätt mot sig själv, och, om den inte överskrids, kommer att kräva den laterala tillväxtmekanismen .
Sålunda, för tillräckligt stora drivkrafter, kan gränssnittet röra sig enhetligt utan fördelen av vare sig en heterogen kärnbildning eller skruvdislokationsmekanism. Vad som utgör en tillräckligt stor drivkraft beror på gränssnittets diffusitet, så att för extremt diffusa gränssnitt kommer denna kritiska drivkraft att vara så liten att varje mätbar drivkraft överskrider den. Alternativt, för skarpa gränssnitt, kommer den kritiska drivkraften att vara mycket stor, och den mesta tillväxten kommer att ske av den laterala stegmekanismen.
Observera att i en typisk stelnings- eller kristallisationsprocess dikteras den termodynamiska drivkraften av graden av underkylning .
Morfologi
Det anses allmänt att de mekaniska och andra egenskaperna hos kristallen också är relevanta för ämnet, och att kristallmorfologin tillhandahåller den felande länken mellan tillväxtkinetik och fysikaliska egenskaper. Den nödvändiga termodynamiska apparaten tillhandahölls av Josiah Willard Gibbs studie av heterogen jämvikt. Han gav en tydlig definition av ytenergi, genom vilken begreppet ytspänning görs tillämpligt på såväl fasta ämnen som vätskor. Han insåg också att en anisotrop yta fri energi innebar en icke-sfärisk jämviktsform, som bör termodynamiskt definieras som den form som minimerar den totala fria energin på ytan .
Det kan vara lärorikt att notera att morrhårstillväxt ger kopplingen mellan det mekaniska fenomenet med hög hållfasthet i morrhår och de olika tillväxtmekanismerna som är ansvariga för deras fibrösa morfologier. (Före upptäckten av kolnanorör enkristall-whiskers den högsta draghållfastheten av alla kända material). Vissa mekanismer producerar defektfria morrhår, medan andra kan ha enstaka skruvförskjutningar längs tillväxtens huvudaxel - vilket ger höghållfasta morrhår.
Mekanismen bakom morrhårstillväxt är inte väl förstådd, men verkar uppmuntras av kompressiva mekaniska spänningar inklusive mekaniskt inducerade spänningar, spänningar inducerade av diffusion av olika element och termiskt inducerade spänningar. Metallhårhår skiljer sig från metalliska dendriter i flera avseenden. Dendriter är ormbunksformade som grenarna på ett träd och växer över metallens yta. Däremot är morrhår fibrösa och skjuter ut i rät vinkel mot ytan av tillväxt, eller substrat.
Diffusionskontroll
Mycket vanligt när övermättnaden (eller graden av underkylning) är hög, och ibland även när den inte är hög, kan tillväxtkinetiken vara diffusionskontrollerad. Under sådana förhållanden kommer den polyedriska kristallformen att vara instabil, den kommer att gro utsprång vid sina hörn och kanter där graden av övermättnad är på sin högsta nivå. Spetsarna på dessa utsprång kommer helt klart att vara punkterna för högsta övermättnad. Det antas allmänt att utsprånget kommer att bli längre (och tunnare vid spetsen) tills effekten av gränsytfri energi för att höja den kemiska potentialen saktar spetstillväxten och bibehåller ett konstant värde för spetstjockleken.
I den efterföljande spetsförtjockningsprocessen bör det finnas en motsvarande instabilitet i formen. Mindre stötar eller "utbuktningar" bör överdrivas — och utvecklas till snabbt växande sidogrenar. I en sådan instabil (eller metastabil) situation bör mindre grader av anisotropi vara tillräckliga för att bestämma riktningar för signifikant förgrening och tillväxt. Den mest tilltalande aspekten av detta argument är naturligtvis att det ger de primära morfologiska egenskaperna hos dendritisk tillväxt.
Se även
- Onormal korntillväxt
- Chvorinovs styre
- Molnkondensationskärnor
- Kristallstruktur
- Czochralski-processen
- Dendrit (metall)
- Dianas träd
- Fraktionerad kristallisation
- Iskärna
- Laseruppvärmd piedestaltillväxt
- Manganknöl
- Micro-neddragning
- Monokristallint morrhår
- Protokristallin
- Omkristallisation (kemi)
- Frökristall
- Enkristall
- Morrhår (metallurgi)
Simulering
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
