晶体生长的动力学模拟

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本论文从化学键合角度出发对晶体生长过程进行分析,综合考虑了晶体内部结构和生长环境因素对晶体最终形貌的影响,提出了一个由动力学因素控制的形貌预测模型。将晶体生长分为两个过程,即:(Ⅰ)生长基元从液相区扩散到界面区的体扩散过程;(Ⅱ)界面处的生长基元与晶面离子键合的过程。当溶液中的过饱和度不太高,粘度不太大时,体扩散过程是一个迅速完成的步骤,所以键合过程成为整个晶体生长过程的决定步骤。这样,我们就可以将晶体生长过程与化学键密切联系起来。另外,晶面离子的键合过程,与晶面的成键能力直接相关。而一个晶面的成键能力最直接的表现就是晶面离子成键的偏离能(晶面离子成键情况与在晶体内部时成键情况的区别)。模型成功地将结构因素K,动力学因素σ以及晶面机制n结合起来,用其来理解晶体生长的本质,以及模拟晶体生长的形貌。借助化学键这一工具,该模型可以从微观角度来理解晶体生长过程。研究发现晶面的生长速率与晶面总的偏离能密切相关,而局部(同一晶面顶角、棱边以及面心)的生长速率的差异归因于不同位置的生长基元成键偏离能的不同。运用这种思想,我们合理地解释了晶体生长过程中的吸附剂效应和晶面浓度梯度现象。并将模型成功地运用到Cu2O晶体的多形貌预测和枝化分析,所得结果与我们的实验结果非常一致。另外,我们还将模型应用到溶液法生长KDP和ADP单晶的过程,在这一部分里,我们主要研究了与晶面生长速率指数nhkl相关的影响因素。因为生长速率指数nhkl与晶面生长速率的大小紧密相关。通过调节过饱和度和生长速率指数nhkl这些习性因子同样可以得到变化的动力学形貌。模拟的结果与实验趋势非常一致。另外,我们还比较了相同过饱和度条件下KDP和ADP晶体的生长形貌,认为晶体局部成键性质不同是导致两者形貌差异的根本原因。本文通过对动力学因素控制的生长形貌的分析,尝试为实际晶体生长过程中的形貌调控研究及应用提供理论依据。
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