Формы роста кристаллов. Простейшая форма роста – многогранник, причем размеры отдельных граней сильно зависят от условий роста. Отсюда – пластинчатые, игольчатые, нитевидные и др. формы кристаллов. При росте больших ограненных кристаллов из неподвижного раствора (без перемешивания) пересыщенные выше у вершин и ребер кристалла и меньше в центральных частях граней. Поэтому вершины становятся ведущими источниками слоев роста. Если пересыщение над центральными участками граней достаточно мало, то вершины обгоняют центры граней. Плоская грань перестает существовать – возникают скелетные (рисунок 7) и так называемые древовидные (дендритные) (рисунок 8) формы кристаллов. Их появлению способствуют также некоторые примеси.
Примесь, содержащаяся в маточной среде, входит в состав кристалла. Отношение концентраций примеси в кристалле и в среде называется коэффициентом распределения примесей. Количество захваченной примеси зависит от скорости роста кристалла. Разные грани захватывают при кристаллизации разные количества примесей. Поэтому кристалл оказывается как бы сложенным из пирамид, имеющих основаниями грани кристалла и сходящихся своими вершинами к его центру (секториальное строение, рисунок 9). Такой секториальный захват примеси вызван различным строением разных граней. Если кристалл плохо захватывает примесь, то избыток ее скапливается перед фронтом роста. Время от времени этот обогащенный примесью пограничный слой захватывается растущим кристаллом, в результате чего возникает зонарная структура (полосы на рисунке 9).
Рисунок 8 – Дендритный кристалл
При очень малых скоростях роста кристалла из расплава распределение примеси перестает зависеть от направления и скорости роста и приближается к равновесному значению, определяемому диаграммой состояния. Растущие кристаллы диэлектриков могут захватывать находящиеся в расплаве ионы разных знаков в разных количествах. В результате между растущим кристаллом и расплавом возникает разность потенциалов. При кристаллизации льда она достигает многих десятков В. Пропускание тока через границу проводящий кристалл – расплав ведет к изменению скорости кристаллизации и количества захваченной кристаллом примеси.
При росте кристаллов в достаточно больших объемах вещества (десятки, сотни см3 и более) перемешивание растворов и расплавов возникает самопроизвольно. Раствор около растущих граней обедняется, его плотность уменьшается, что в поле тяжести приводит к конвекционным потокам, направленным вверх. По-разному омывая различные грани, потоки изменяют скорости роста граней и облик кристалла. В расплаве из-за нагревания примыкающей к растущему кристаллу жидкости скрытой теплотой кристаллизации также возникают конвекционные потоки. Скорость, температура и концентрация примесей в конвекционных потоках хаотически или регулярно колеблются около средних значений. Соответственно меняются скорость роста и состав растущего кристалла, в теле которого остаются «отпечатки» последовательных положений фронта кристаллизации (зонарная структура). Флуктуации температуры в расплаве могут быть столь сильны, что рост кристалла сменяется плавлением. В металлических расплавах магнитное поле устанавливает конвекцию и уничтожает зонарность. При отсутствии силы тяжести, например на искусственных спутниках, конвекция сильно уменьшается, соответственно уменьшается зонарная неоднородность. При кристаллизации в невесомости расплав перестает смачивать стенки сосуда, что снижает плотность дислокаций в вырастающем кристалле.
Если расплав перед фронтом роста сильно переохлажден, то фронт неустойчив: выступ, случайно возникший на нем, попадает в область большего переохлаждения, и скорость роста вершины выступа увеличивается еще больше и т. д. В результате, плоский фронт роста разбивается на округлые купола, имеющие в плоскости фронта форму полос или шестиугольников: возникает ячеистая структура (рисунок 10а).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.