破解硫化锰铁单晶生长之谜

作者:              发布时间:2008-07-31


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在显微气泡中的↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe)S↑↑↑单晶体经历了熔体↑↑- ↑↑↑故乡的警惕设生长过程。以二维成核机制生长的各晶面受晶面生长速度各向异性和晶面淘汰定律控制,也就是说各晶面的生长速度是不同的,有快的,↑↑ ↑↑也有慢的。在晶面生长中诸面相互竞争,快面隐没,↑↑ ↑↑慢面显露。根据晶体学原理,只有晶面指数较小的晶面才能露在晶体表面。对于面心立方晶体结构,晶面指数较小的有↑↑{111}↑↑↑晶面、↑↑{100}↑↑↑晶面和↑↑{110}↑↑↑晶面,因晶面距↑↑d110 ↑↑↑小于↑↑d100 ↑↑↑和↑↑d111↑↑↑,↑↑ ↑↑故↑↑{110}↑↑↑晶面比↑↑{111}↑↑↑晶面和↑↑{100}↑↑↑晶面部已显露出晶体表面,露在晶体表面的只能是↑↑{111}↑↑↑晶面和↑↑{100}↑↑↑晶面。↑↑↑ ↑

在诸面生长竞争中,在平衡态只留下↑↑{111}↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑两组晶面,其它晶面都隐没了。为什么只留下这两组晶面呢↑↑?↑↑↑根据晶体生长的↑↑wolf↑↑↑定理,在趋于平衡状态时,晶体将调整自己的形状,以使本身的总界面自由能降至最小,也就是说,必须满足其表面积与体积之比为最小,只有这样,体系的自由能才最小,晶体结构才最稳定。在由↑↑{111)↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑两组晶面组成的三维形体中,晶体表面积与体积之比最小的是正↑↑14↑↑↑面体。晶体以二维成核机制生长,奇异面长的最慢,即↑↑<111>↑↑↑方向长大速率最小,其次是↑↑<100>↑↑↑方向,而其它晶面的法向长大速率远大于↑↑{111} ↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑两组晶面。因而生长速率的各向异性充分地表现出来,结果那些生长速率较快的晶面在平衡态隐没了,而长大慢的↑↑{111}↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑两组晶面不断扩大,最后形成以↑↑{111}↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑两组晶面所覆盖的↑↑14↑↑↑面体自然形态,或各种生长形态。↑↑↑ ↑

    ↑↑↑↑生长台阶是↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe) S↑↑↑单晶体一个突出的晶体学特征。↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe) S↑↑↑单晶体为什么呈现明显的台阶特征↑↑?↑↑↑对于宏观上的各种三维形体,球体的表面积与体积之比为最小,如果单一的没有台阶的正↑↑14↑↑↑面体也不很接近球形,如果将正十四面体的各项角和各棱分别用↑↑{110}↑↑↑和↑↑{210}↑↑↑晶面割去,那么此种多面体将更接近球形,即表面积与体积之比为最小,其自由能也最小。然而从另一方面来讲,↑↑{110}↑↑↑和↑↑{210} ↑↑↑晶面又是晶面指数较高的晶面,晶体长大后,这些晶面不易显露在晶体表面,最终以台阶面的形式体现出来,这些台阶的底面和侧面都是↑↑{111} ↑↑↑晶面或↑↑{100}↑↑↑晶面。↑↑↑ ↑

    ↑↑↑↑在熔体生长系统中,界面形状还与原来滴状熔体的形状有关,同时受到温度场和热量传输条件的制约,最终长成各种形状的↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe)S↑↑↑单晶体,但所显露的晶面只能是↑↑{111}↑↑↑和↑↑{100}↑↑↑晶面,而对于处于坑中的熔体,在↑↑<11l> ↑↑↑方向的晶面受热传输的影响发育良好,所以看到的只是↑↑{111}↑↑↑晶面层状生长特征。↑↑↑ ↑

    ↑↑↑↑在钢中发现↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe)S↑↑↑单晶体是偶然的,验证晶体生长的平面长大理论是不寻常的,↑↑(Mn↑↑↑,↑↑Fe)S↑↑↑单晶体的发现为自然界晶体家族中增添了一名新成员,是对晶体新材料研究的一个较大贡献。↑↑↑