Введение
Кристалл — это твердый материал, атомы, молекулы или ионы которого расположены в упорядоченном, повторяющемся узоре, простирающемся во всех трех пространственных измерениях. Рост кристаллов является ключевой стадией процесса кристаллизации и заключается в присоединении новых атомов, ионов или полимерных цепей к характерной структуре кристаллической решетки. Обычно рост следует за начальной стадией гомогенной или гетерогенной (поверхностно-каталитической) нуклеации, если только кристалл-затравка, намеренно добавленный для инициирования роста, уже не присутствует. В результате роста кристаллов образуется кристаллическое твердое тело, атомы или молекулы которого плотно упакованы и имеют фиксированные положения в пространстве относительно друг друга. Кристаллическое состояние вещества характеризуется выраженной структурной жесткостью и очень высокой устойчивостью к деформации (то есть изменению формы и/или объема). Большинство кристаллических твердых тел обладают высокими значениями модуля Юнга и модуля сдвига упругости. Это контрастирует с большинством жидкостей, которые имеют низкий модуль сдвига и обычно демонстрируют способность к макроскопическому вязкому течению.
A crystal is a solid material whose constituent atoms, molecules, or ions are arranged in an orderly repeating pattern extending in all three spatial dimensions. Crystal growth is a major stage of a crystallization process, and consists of the addition of new atoms, ions, or polymer strings into the characteristic arrangement of the crystalline lattice. The growth typically follows an initial stage of either homogeneous or heterogeneous (surface catalyzed) nucleation, unless a "seed" crystal, purposely added to start the growth, was already present. The action of crystal growth yields a crystalline solid whose atoms or molecules are close packed, with fixed positions in space relative to each other. The crystalline state of matter is characterized by a distinct structural rigidity and very high resistance to deformation (i. e. changes of shape and/or volume). Most crystalline solids have high values both of Young's modulus and of the shear modulus of elasticity. This contrasts with most liquids or fluids, which have a low shear modulus, and typically exhibit the capacity for macroscopic viscous flow.
Обзор
После успешного образования стабильного ядра наступает стадия роста, в которой свободные частицы (атомы или молекулы) адсорбируются на ядро и распространяют его кристаллическую структуру от точки нуклеации. Этот процесс значительно быстрее, чем нуклеация. Причина такой высокой скорости роста заключается в том, что реальные кристаллы содержат дислокации и другие дефекты, которые выступают в качестве катализаторов для присоединения частиц к существующей кристаллической структуре. Напротив, идеальные кристаллы (лишенные дефектов) росли бы чрезвычайно медленно. С другой стороны, примеси могут замедлять рост кристаллов и также изменять их морфологию.
Ядерная реакция
Нуклеация может быть как однородной, без влияния посторонних частиц, так и гетерогенной, с влиянием посторонних частиц. Как правило, гетерогенная нуклеация происходит быстрее, поскольку посторонние частицы служат основой для роста кристалла, тем самым устраняя необходимость в создании новой поверхности и снижая требования к начальной поверхностной энергии. Гетерогенная нуклеация может происходить несколькими способами. Наиболее типичные из них – небольшие включения или порезы на емкости, в которой выращивается кристалл. Это включает в себя царапины на стенках и дне стеклянной посуды. Распространенной практикой при выращивании кристаллов является добавление в раствор постороннего вещества, такого как нить или камень, тем самым обеспечивая места нуклеации для облегчения роста кристаллов и сокращения времени, необходимого для полной кристаллизации. Количество мест нуклеации также можно контролировать таким образом. Если используется совершенно новая стеклянная посуда или пластиковый контейнер, кристаллы могут не образовываться, потому что поверхность контейнера слишком гладкая для гетерогенной нуклеации. С другой стороны, сильно поцарапанная емкость приведет к образованию множества линий мелких кристаллов. Для получения умеренного количества кристаллов среднего размера лучше всего использовать емкость с небольшим количеством царапин. Аналогично, добавление небольших ранее выращенных кристаллов, или зародышевых кристаллов, в проект выращивания кристаллов обеспечит места нуклеации в растворе. Добавление всего одного зародышевого кристалла должно привести к образованию более крупного единого кристалла.
Механизмы роста
Интерфейс между кристаллом и его паром может быть молекулярно острым при температурах, значительно ниже температуры плавления. Идеальная кристаллическая поверхность растет за счет распространения отдельных слоев или, что эквивалентно, за счет латерального продвижения ступеней роста, ограничивающих эти слои. Для наблюдаемых скоростей роста этот механизм требует наличия конечной движущей силы (или степени переохлаждения), чтобы достаточно снизить энергетический барьер нуклеации и обеспечить нуклеацию посредством тепловых флуктуаций. В теории роста кристаллов из расплава Бертон и Кабрера выделили два основных механизма:
Неравномерный боковой рост
Поверхность продвигается за счет бокового движения ступеней, высота которых равна одному межплоскостному расстоянию (или целому кратному ему). Элемент поверхности не изменяется и не перемещается перпендикулярно к себе, за исключением момента прохождения ступени, когда он перемещается на высоту ступени. Удобно рассматривать ступень как границу между двумя соседними областями поверхности, параллельными друг другу и, следовательно, идентичными по конфигурации, сдвинутыми друг относительно друга на целое число плоскостей кристаллической решетки. Следует отметить, что ступень может существовать и на диффузной поверхности, даже если ее высота значительно меньше толщины этой диффузной поверхности.
Однородный нормальный рост
Поверхность продвигается нормально к себе без необходимости ступенчатого механизма роста. Это означает, что при наличии достаточной термодинамической движущей силы каждый элемент поверхности способен к непрерывному изменению, способствующему продвижению интерфейса. Для резкой или неразрывной поверхности это непрерывное изменение может быть более или менее однородным на больших площадях для каждого последующего нового слоя. Для более диффузной поверхности механизм непрерывного роста может потребовать изменений в нескольких последовательных слоях одновременно. Неоднородный боковой рост – это геометрическое движение ступеней, в отличие от движения всей поверхности, нормального к ней. В качестве альтернативы, однородный нормальный рост основан на временной последовательности изменения элемента поверхности. В этом режиме нет движения или изменения, кроме как при прохождении ступени посредством непрерывного изменения. Предсказание того, какой механизм будет действовать при заданных условиях, имеет фундаментальное значение для понимания роста кристаллов. Для этого предсказания используются два критерия: является ли поверхность диффузной: диффузная поверхность – это поверхность, на которой переход от одной фазы к другой непрерывен и происходит на нескольких атомных плоскостях. Это в отличие от резкой поверхности, для которой основное изменение свойств (например, плотности или состава) является скачкообразным и обычно ограничено глубиной одного межплоскостного расстояния. Является ли поверхность сингулярной: сингулярная поверхность – это поверхность, на которой поверхностное натяжение как функция ориентации имеет заостренный минимум. Известно, что рост сингулярных поверхностей требует ступеней, в то время как обычно считается, что несингулярные поверхности могут непрерывно продвигаться нормально к себе.
Whether or not the surface is diffuse: a diffuse surface is one in which the change from one phase to another is continuous, occurring over several atomic planes. This is in contrast to a sharp surface for which the major change in property (e. g. density or composition) is discontinuous, and is generally confined to a depth of one interplanar distance. Whether or not the surface is singular: a singular surface is one in which the surface tension as a function of orientation has a pointed minimum. Growth of singular surfaces is known to requires steps, whereas it is generally held that non singular surfaces can continuously advance normal to themselves.
Движущая сила
Рассмотрим необходимые условия для возникновения бокового роста. Очевидно, что механизм бокового роста реализуется, когда любая область поверхности способна достичь метастабильного равновесия в присутствии движущей силы. Затем она будет стремиться оставаться в таком равновесном состоянии до момента прохождения ступени. После этого конфигурация останется неизменной, за исключением того, что каждая часть ступени продвинется на величину высоты ступени. Если поверхность не может достичь равновесия в присутствии движущей силы, она будет продолжать двигаться, не дожидаясь бокового перемещения ступеней. Таким образом, Кан заключил, что определяющей характеристикой является способность поверхности достигать равновесного состояния при наличии движущей силы. Он также пришел к выводу, что для каждой поверхности или межфазной границы в кристаллической среде существует критическая движущая сила, превышение которой позволит поверхности или межфазной границе двигаться перпендикулярно к себе, а не превышение – потребует механизма бокового роста. Следовательно, при достаточно больших движущих силах межфазная граница может двигаться равномерно, без необходимости в гетерогенной нуклеации или механизме винтовой дислокации. Величина достаточной движущей силы зависит от размытости межфазной границы: для чрезвычайно размытых границ критическая движущая сила будет настолько мала, что любая измеримая движущая сила превысит её. И наоборот, для чётких границ критическая движущая сила будет очень велика, и большая часть роста будет происходить посредством механизма бокового движения ступеней. Важно отметить, что в типичном процессе затвердевания или кристаллизации термодинамическая движущая сила определяется степенью переохлаждения.
Морфология
Как правило, считается, что механические и другие свойства кристалла также важны для рассматриваемой темы, а морфология кристалла является связующим звеном между кинетикой роста и физическими свойствами. Необходимый термодинамический аппарат был разработан в исследовании Джозией Виллардом Гиббсом гетерогенного равновесия. Он дал четкое определение поверхностной энергии, благодаря чему понятие поверхностного натяжения стало применимо как к твердым, так и к жидким телам. Он также понял, что анизотропная поверхностная свободная энергия подразумевает несферическую форму равновесия, которая должна быть термодинамически определена как форма, минимизирующая общую поверхностную свободную энергию. Стоит отметить, что рост усов демонстрирует связь между механическим явлением высокой прочности усов и различными механизмами роста, ответственными за их волокнистую морфологию. (До открытия углеродных нанотрубок однокристаллические усы обладали самой высокой прочностью на растяжение среди всех известных материалов). Некоторые механизмы приводят к образованию усов без дефектов, в то время как другие могут содержать винтовые дислокации вдоль основной оси роста, что обеспечивает высокую прочность усов. Механизм роста усов изучен недостаточно, но, по-видимому, стимулируется сжимающими механическими напряжениями, включая механически вызванные напряжения, напряжения, вызванные диффузией различных элементов, и термически вызванные напряжения. Металлические усы отличаются от металлических дендритов по нескольким параметрам. Дендриты имеют форму папоротника, напоминающую ветви дерева, и растут по поверхности металла. В отличие от них, усы имеют волокнистую структуру и растут перпендикулярно поверхности роста или подложке.
Контроль диффузии
Очень часто, когда пересыщение (или степень переохлаждения) высока, а иногда даже когда оно невысоко, кинетика роста может определяться диффузией. В таких условиях полиэдрическая кристаллическая форма будет нестабильна и начнет образовывать выступы на углах и ребрах, где степень пересыщения максимальна. Кончики этих выступов будут являться точками с наивысшим пересыщением. Обычно считается, что выступ будет удлиняться (и истончаться на кончике), пока влияние поверхностной свободной энергии, повышающей химический потенциал, не замедлит рост кончика и не установит постоянную толщину. В последующем процессе утолщения кончика должна возникать соответствующая нестабильность формы. Незначительные неровности или "утолщения" будут усиливаться и развиваться в быстрорастущие боковые ветви. В такой нестабильной (или метастабильной) ситуации даже небольшая анизотропия может быть достаточной для определения направлений значительного ветвления и роста. Наиболее привлекательным в этой модели является то, что она объясняет основные морфологические характеристики дендритного роста.