Кіріспе

Кристалл – үш өлшемді кеңістікте рет-ретімен қайталануымен ерекшеленетін атомдар, молекулалар немесе иондардан тұратын қатты материал. Кристаллдың өсуі – кристалдану процесінің маңызды кезеңі. Ол кристалл торының ерекше құрылымына жаңа атомдардың, иондардың немесе полимерлік тізбектердің қосылуынан тұрады. Өсу көбінесе біртекті немесе гетерогенді (беттік катализделген) нуклеацияның бастапқы кезеңін ұстанады, егер өсуді бастау үшін арнайы қосылған "тұқым" кристаллы болмаса. Кристалл өсуінің нәтижесінде атомдары немесе молекулалары бір-біріне қатысты кеңістікте белгілі бір орындары бар, тығыз орналасқан кристаллдық қатты дене пайда болады. Материяның кристаллдық күйі ерекше құрылымдық беріктікпен және деформацияға (яғни пішін мен/немесе көлемнің өзгеруіне) жоғары төзімділікпен сипатталады. Көптеген кристаллдық қатты денелерде Юнг модулінің және серпімділіктің қисайту модулінің мәні жоғары болады. Бұл көптеген сұйықтықтардың немесе ағындардың қасиеттерінен өзгеше, олардың қисайту модулі төмен және көбінесе макроскопиялық тұтқыр ағымға бейімділігі бар.

Шолу

Тұрақты ядро сәтті қалыптасқаннан кейін, өсу кезеңі басталады, онда еркін бөлшектер (атомдар немесе молекулалар) ядроға адсорбцияланып, кристалдық құрылымын ядро пайда болған жерден сыртқа қарай кеңейтеді. Бұл процесс жаңа ядро пайда болудан әлдеқайда жылдам. Мұндай жылдам өсудің себебі – нақты кристаллдарда дислокациялар және басқа да кемшіліктер болады, олар кристалдық құрылымға бөлшектер қосылуына катализатор ретінде қызмет етеді. Керісінше, мінсіз кристаллдар (кемшіліктері жоқ) өте баяу өседі. Ал, қоспалар кристалл өсуін тежеуші ретінде әрекет ете алады және кристаллдың пішінін де өзгерте алады.

Ядролық

Нуклеация шетелдік бөлшектердің әсері болмағанда гомогенді, ал шетелдік бөлшектердің әсерімен гетерогенді болуы мүмкін. Әдетте, гетерогенді нуклеация жылдамырақ жүреді, себебі шетелдік бөлшектер кристалл өсуі үшін негіз ретінде қызмет етеді, осылайша жаңа бет қабатын жасау қажеттілігі жойылады және бастапқы беттік энергия талаптары азаяды. Гетерогенді нуклеация бірнеше әдіс арқылы жүзеге асуы мүмкін. Олардың ең көп кездесетін түрлері – кристалл өсірілетін ыдыстағы кішкентай кемшіліктер немесе кесіктер. Бұған шыны ыдыстардың қабырғалары мен түбіндегі сызаттар да жатады. Кристалл өсіруде кең таралған практика – ерітіндіге жіп немесе тас сияқты шетелдік зат қосу, осылайша кристалл өсуін жеңілдету және толық кристалдану уақытын қысқарту үшін нуклеация орындарын қамтамасыз ету. Осы тәсілмен нуклеация орындарының санын да бақылауға болады. Егер жаңа шыны ыдыс немесе пластикалық контейнер қолданылса, кристалдар пайда болмауы мүмкін, өйткені ыдыс беті гетерогенді нуклеацияға мүмкіндік бермейтіндей тегіс болады. Керісінше, көп сызаттары бар ыдыста көптеген кішкентай кристалдар пайда болады. Орташа мөлшердегі кристалдар алу үшін бірнеше сызаттары бар ыдыс ең жақсы нәтиже береді. Сол сияқты, кристалл өсіру жобасына бұрын жасалған кішкентай кристалдар немесе бастама кристалдары қосу, ерітіндіге нуклеация орындарын қамтамасыз етеді. Тек бір бастама кристаллын қосу үлкен, жалғыз кристаллға әкелуі керек.

Өсу механизмдері

Кристалл мен оның буы арасындағы интерфейс, балқу температурасынан әлдеқайда төмен температурада молекулалық деңгейде өте қалыпты болуы мүмкін. Идеалды кристалл беті, жеке қабаттардың таралуы арқылы немесе, балама ретінде, қабаттардың шекарасын құрайтын өсу сатыларының бүйірлеме қозғалысы арқылы өседі. Байқалатын өсу жылдамдықтары үшін, бұл механизм ядро түзлу кедергісін жылулық флуктуациялар арқылы жеткілікті деңгейге төмендету үшін, белгілі бір итергіш күшті (немесе қатты суыту дәрежесін) талап етеді. Балқыған ортадан кристалл өсу теориясында Бертон және Кабрера екі маңызды механизмді бөліп көрсетті:

Біркелкі емес бүйірлік өсу

Беткей бір жазықтық аралық қашықтыққа (немесе оның толық еселігіне) тең биіктіктегі сатылардың бүйірлік қозғалысы арқылы ілгерілейді. Беткейдің бір бөлігі өзгермейді және сатыдан өткен кезде ғана, оның биіктігімен ілгерілейді, өзіне перпендикуляр бағытта ілгерілемейді. Сатыны бір-біріне параллель және конфигурациясы бірдей, толық решеттік жазықтықтар санымен ығысқан екі жақын беттер арасындағы көшу ретінде қарастыру пайдалы. Бұл жерде, сатының диффузиялық бетте болу мүмкіндігіне назар аударыңыз, тіпті сатының биіктігі диффузиялық беттің қалыңдығынан әлдеқайда кіші болса да.

Біркелкі қалыпты өсу

Жер беті қадамдық өсу механизміне қажеттіліксіз, өзіне перпендикуляр бағытта жылжиды. Бұл, жеткілікті термодинамикалық күш болғанда, беттің әрбір бөлігі интерфейстің жылжуына себеп болатын үздіксіз өзгеріске қабілетті екенін білдіреді. Нақты немесе үздіксіз бет үшін, бұл үздіксіз өзгеріс әрбір жаңа қабат үшін кең аумақта біркелкі болуы мүмкін. Ал диффузды бет үшін, үздіксіз өсу механизмі бірнеше қатарлы қабаттарда бір мезгілде өзгерістерді талап етуі мүмкін. Біркелкі емес бүйірлік өсу – беттің өзіне перпендикуляр қозғалысына қарамастан, қадамдардың геометриялық қозғалысы болып табылады. Керісінше, біркелкі перпендикуляр өсу бет элементінің уақыт бойынша тізбегіне негізделеді. Бұл жағдайда, үздіксіз өзгерістен өткен қадам болмаса, қозғалыс немесе өзгеріс болмайды. Белгілі бір жағдайларда қандай механизм жұмыс істейтінін болжау кристалдық өсуді түсіну үшін өте маңызды. Осы болжамды жасау үшін екі критерий қолданылады: беттің диффузды немесе диффузды емес болуы: диффузды бет – бір фазадан екінші фазаға өтуі бірнеше атомдық жазықтықта үздіксіз болатын бет. Бұл, қасиеттерінің (мысалы, тығыздық немесе құрамы) өзгеруі үздіксіз және әдетте бір жазықтық аралыққа дейін шектелген нақты беттен өзгеше. Беттің бірегей болуы: бірегей бет – беттік кернеуінің бағытқа тәуелділігінде нүктелік минимумға ие бет. Бірегей беттердің өсуі қадамдарды талап ететіні белгілі, ал бірегей емес беттер өздеріне перпендикуляр бағытта үздіксіз жылжи алады деп есептеледі.

Қозғаушы күш

Енді жақтама өсудің пайда болуы үшін қажетті талаптарды қарастырайық. Кез келген беттік аймақ қозғаушы күш болғанда метастабильді тепе-теңдікке жетсе, жатық өсу механизмі осы кезде анықталады. Содан кейін ол бір қадам өткенше осындай тепе-теңдік күйінде қалуға бейім болады. Кейін қадамның әр бөлігі қадам биіктігіне сай алға жылжиды. Егер бет қозғаушы күш болғанда тепе-теңдікке жете алмаса, онда ол қадамдардың бүйірлік қозғалысын күтпей алға жылжуын жалғастырады. Осылайша, Кан беттің қозғаушы күш болғанда тепе-теңдікке жету қабілеті ерекшелік екенін тұжырымдады. Ол сондай-ақ кристалдық ортадағы әрбір бет немесе шекара үшін, егер осы күш асып кетсе, бет немесе шекараның өзіне перпендикуляр бағытта жылжуына мүмкіндік беретін, ал асып кетпесе, жатық өсу механизмі қажет болатын белгілі бір қозғаушы күш бар деген қорытындыға келді. Демек, жеткілікті үлкен қозғаушы күш болғанда шекара гетерогенді нуклеация немесе бұрандалы дислокация механизміне мұқтаж болмай біркелкі қозғала алады. Қозғаушы күштің жеткілікті болуы шекараның диффузиялық қасиеттеріне байланысты, сондықтан өте диффузиялық шекаралар үшін бұл белгілі бір қозғаушы күш өте кішкентай болады, сондықтан кез келген өлшенетін қозғаушы күш одан асып түседі. Керісінше, өткір шекаралар үшін белгілі бір қозғаушы күш өте үлкен болады, ал өсудің көп бөлігі жатық қадамдық механизм арқылы жүзеге асырылады. Қалыпты қату немесе кристалдану процесінде термодинамикалық қозғаушы күш суперсуыну дәрежесімен анықталады.

Морфология

Жалпы алғанда, кристаллдың механикалық және басқа да қасиеттері осы тақырыпқа қатысты деп есептеледі, ал кристалл морфологиясы өсу кинетикасы мен физикалық қасиеттер арасындағы байланысты қамтамасыз етеді. Қажетті термодинамикалық негізді Джозия Виллард Гиббстің гетерогенді тепе-теңдік туралы зерттеуі берді. Ол беттік энергияның нақты анықтамасын берді, осы арқылы беттік кернеу түсінігі қатты денелерге де, сұйықтықтарға да қолданылады. Сондай-ақ, анизотроптық беттік еркін энергия сфералық емес тепе-теңдік пішінін білдіретінін атап өтті, оны термодинамикалық тұрғыдан жалпы беттік еркін энергияны азайтатын пішін ретінде анықтау керек. Бауыршақ өсімі бауыршақтардың жоғары беріктігі мен олардың талшықты морфологиясына жауапты әртүрлі өсу механизмдері арасындағы байланысты қамтамасыз ететінін атап өту орынды. (Көміртекті нанотүтіктер ашылғанға дейін, бір кристаллды бауыршақтар белгілі материалдардың ішінде ең жоғары созылу беріктігіне ие болды.) Кейбір механизмдер ақаусыз бауыршақтарды жасайды, ал басқаларында өсу осінде бір бұрандалы дислокациялар болуы мүмкін, бұл жоғары беріктікке ие бауыршақтарға әкеледі. Бауыршақ өсу механизмі толыққанды түсіндірілмеген, бірақ механикалық қысымдар, соның ішінде сыртқы күштерден туындаған қысымдар, әртүрлі элементтердің диффузиясынан туындаған қысымдар және температуралық қысымдар оны ынталандыратын сияқты. Металл бауыршақтары металл дендриттерінен бірнеше жағынан ерекшеленеді. Дендриттер ағаш бұтақтары сияқты, жапырақтары бар және металл бетінде өседі. Ал бауыршақтар талшықты болып, өсу бетіне немесе субстратқа тік бұрышпен шығады.

Диффузияны бақылау

Өте жиі, суперқанығу (немесе суперсалқыну дәрежесі) жоғары болғанда, кейде тіпті жоғары болмағанда да, өсу кинетикасы диффузиямен бақыланатын болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда көпжақты кристалл пішіні тұрақсыз болады, ол өзінің бұрыштары мен қабырғаларында суперқанығудың ең жоғары деңгейде болатын жерлерде өскіндер шығарады. Бұл өскіндердің ұштары ең жоғары суперқанығу нүктелері болады. Әдетте, өскіндер ұзарады (және ұшында жұқарады), себебі химиялық потенциалды арттырудағы беттік еркін энергияның әсері ұштың өсуін баяулатып, ұштың қалыңдығын тұрақты деңгейде ұстайды. Келесі ұшты қалыңдату процесінде пішіннің сәйкессіздігінен туындайтын тұрақсыздық болуы керек. Шағын дөңгелектер немесе "дөңбіштер" үлкейіп, тез өсетін бүйірлі бұтақтарға айналады. Мұндай тұрақсыз (немесе метастабильді) жағдайда, анизотропияның шағын дәрежелері маңызды тармақтану мен өсу бағыттарын анықтау үшін жеткілікті болуы керек. Бұл пікірдің ең тартымды жағы, әрине, дендриттік өсудің негізгі морфологиялық ерекшеліктерін түсіндіруі.