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晶体的生长是材料制备的关键技术之一,在晶体生长中,成核行为和生长过程在很大程度上影响了晶体的物理性质。对成核和生长过程的深刻理解和精确控制对于材料科学是至关重要的。在过去关于晶体生长的研究中,人们很少涉及衬底上的连续成核以及晶核沿着衬底生长等问题。对这类问题的深入研究无论对于了解复杂条件下的成核和生长规律,还是对于制备二维的晶体薄膜都是必须的。在这篇文章中我们主要研究了在异质衬底上氯化铯晶体横向生长的行为。我们使用原位观测显微镜和电子扫描显微镜(SEM)来观察氯化铯晶体的实时生长情况和生长形貌。并使用电子背散射衍射(EBSD)来测量微晶的形态特点和晶向的变化。在实验中我们首次观测到一些新的现象,并且给出了相关的理论模型。
(一)在晶体生长中,通常衬底通过成核势垒来影响生长,例如二维生长中,衬底可以通过应力形成特定的形态和结构,或者直接影响成核的取向和结构。我们实验室在琼脂凝胶系统中进行氯化铵结晶时,首次发现了一种全新的生长模式。在这种模式下,当晶体沿衬底尘长时,生长界面处晶体的结晶学取向自发地按照固定的旋转轴和旋转方向连续的旋转。最终,由于微观上晶体结构的周期性改变,从而导致宏观尺度上晶体聚集体出现规则的形态。在琼脂凝胶系统中生长氯化铯晶体的实验中也发现了类似于琼脂凝胶系统中氯化铵晶体的这种生长行为,并且对于氯化铯在琼脂凝胶系统中的生长行为的研究表明,在生长过程中同样存在着结晶学取向的连续转变,这在一定程度上说明了这生长行为为具有一定的普适性。尽管在不同系统中的晶体生长研究已经有了很长的历史,一套完整的晶体生长动力学理论和成核理沦也已经建立起来,但是本论文所观测到的现象还没有被理论预言过。这一现象的发现有可能使人们重新认识衬底在晶体生长中的作用。同时,本论文所揭示的生长现象还可能为自组织生长有序的结构提供了重要的信息。
(二)在使用原子力显微镜(AFM),电子扫描显微镜(SEM),电子背散射衍射(EBSD)和光学原位实时观测的基础上,我们给出了在衬底上晶体生长时结晶学耿向连续旋转、从而导致晶体聚集体的长程有序现象的物理解释。我们提出了一个理论模型,认为这种晶向旋转来源于晶体在生长晶面和衬底所形成的凹角处成核时,所受到的表面张力的不平衡。使用这个模型可以预期在什么条件下会发生这种晶体取向连续旋转的生长行为。理论模型与我们目前的实验结果是比较吻合的。
(三)传统的结晶学认为由于晶体界面能的各向异性,自由生长的单晶体应具有规则的结晶学小面。通常认为上述表述的逆表述也是正确的。本论文的实验中发现具有规则几何结构和结晶学小面的的颗粒不一定对应于传统意义上的单晶。电子背散射衍射(EBSD)表明这类物体的内部可以存在着结晶学取向的连续变化。这个结晶学取向的连续变化完全是自发产生的。这一现象的发现将扩展人们对晶体形态学的认识。
(四)在实验中,通过改变氯化铯溶液的浓度和使用不同的衬底,如玻璃,硅片等等,可以影响到所生成氯化铯晶体的形貌。通过研究各种生长条件和形貌之间的关系,可以进一步研究氯化铯晶体在衬底上的生长行为规律。