L.3.2. Процессы присоединения частиц. Механизмы роста

Рост кристалла происходит путем присоединения частиц к его поверхности. Частицы встраиваются в позиции на поверхности, в которых число нескомпенсированных связей больше половины связей, образуемых частицей внутри кристалла. Такие позиции называются изломами (рис. L.14). Плотность изломов на поверхности определяется ее ретикулярной плотностью, а значит, кристаллографической ориентацией (символом Миллера). На поверхностях с малой ретикулярной плотностью (большими или иррациональными индексами Миллера) любая позиция является изломом (плотность изломов равна единице). Такие поверхности называются атомно-шероховатыми. На гранях с большой ретикулярной плотностью (малыми индексами Миллера) плотность изломов практически равна нулю. Такие грани называются атомно-гладкими. Атомно-шероховатые поверхности растут с большими скоростями и быстро зарастают. В результате любой кристаллический обломок или подрастворенный кристалл через небольшой период роста покрывается атомно-гладкими гранями (рис.L.15). Этот процесс называется регенерацией. Отсюда и вытекает существование закона Браве (разделы 4.8 и 5.10.1).

Атомно-гладкие грани теоретически вообще не должны расти, поскольку на них отсутствуют позиции для встраивания частиц. Поскольку в реальности они растут, то должны существовать механизмы, обеспечивающие достаточную плотность изломов на этих гранях. Таких механизмов известно три: тепловое размытие поверхности, двумерное зарождение и дислокационный рост.

Тепловое размытие поверхности. При температуре, близкой к температуре плавления, резко возрастает интенсивность тепловых колебаний атомов. Если энергия связи частиц в кристалле не слишком велика (металлы, ионные соединения), то на атомно-гладкой поверхности возникает большое количество изломов, и она становится атомно-шероховатой (рис.L.16). Частицы могут встраиваться в любой точке поверхности, и анизотропия скоростей роста исчезает – по всем направлениям кристалл растет со скоростями, определяемыми только теплоотводом. Каждый участок поверхности перемещается по нормали к самому себе, и поэтому такой способ роста именуется нормальным. При этом образуются округлые, некристаллографические формы роста, которые описываются предельными группами симметрии (раздел 2.7). Такие формы характерны для кристаллов, выращиваемых из расплавов, но практически не встречаются в минеральном мире. Если энергия связи частиц в кристалле высока, то наиболее плотные грани остаются атомно-гладкими, и проявляются в виде плоских участков на округлом фронте роста. Так растут, например, германий и кремний.

Двумерное зарождение. Атомно-гладкие грани растут путем распространения по ним слоев (ступеней). Торцы ступеней служат местами встраивания частиц, так как они, в отличие от граней, легко размываются тепловым движениемдажепри невысоких температурах(рис.L.17). Такой способ роста называется тангенциальным, или послойным. Проблема заключается лишь в том, каким образом на атомно-гладких гранях возникают ступени. Один из механизмов образования ступеней - двумерное зарождение. Единичная частица связана с атомно-гладкой гранью очень слабо. Она не принадлежит кристаллу, а находится в адсорбированном состоянии, пребывая на поверхности ограниченное время и легко от нее отрываясь. Однако несколько адсорбированных рядом частиц связаны не только с поверхностью, но и друг с другом (рис.L.18). Отрыв частицы от такого островка, а тем более отрыв всего островка затруднены. Начиная с некоторого критического размера r_к такие островки устойчивы и служат зародышами ступеней роста. Это и есть двумерные зародыши. Однако обеспечить тангенциальный рост атомно-гладкой грани двумерные зародыши способны лишь в том случае, если они образуются достаточно часто. Аналогично трехмерному зарождению (раздел L.2), вероятностьWобразования двумерного зародыша размером больше критического экспоненциально зависит от обратного пересыщения 1/σ, т.е.W ,где B – константа. Эта вероятность, а значит, и скорость роста грани, практически равна нулю вплоть до очень большихпересыщений. Механизм двумерного зарождения реально существует и экспериментально доказан. Но рост кристаллов при обычных пересыщениях, используемых на практике и реализующихся в природе, он объяснить не может.

Дислокационно-спиральный механизм. Этот механизм образования ступеней на атомно-гладких гранях обеспечивается винтовыми дислокациями. В разделе… было показано, что винтовая дислокация превращает дискретную последовательность плоскостей решетки в одну геликоидальную плоскость (закрученную по винту). Таким образом, выходящая на грань винтовая дислокация создает на ней незарастающую ступень (рис.L.19а), в торец которой могут встраиваться частицы. Ступень «закреплена» в точкевыхода дислокации, которая смещаться не может. Поэтому, распространяясь по грани, ступень закручивается в спираль (рис.L.19б,в,г). Возникает большая плотностьступеней, а значит, и мест присоединения частиц к кристаллу – изломов. Одна-единственная винтовая дислокация способна обеспечить непрерывный рост атомно-гладкой грани при любых, самых малых пересыщениях. Пологие спиральные холмики, образующиеся на грани при таком росте, называются холмы роста, или вицинали (лат. vicinus–соседний) – так как склоны этих холмов близки по ориентации к исходной грани (рис.L.19Место для формулы.г,д).

Чем больше плотность винтовых дислокаций, выходящих на грань, тем больше плотность ступеней, и тем, в общем, выше скорость роста грани при том же пересыщении. Хорошо известно, что дефектные кристаллы растут быстрее совершенных. Поскольку дефектность разных граней одной простой формы, как правило, различна, то различны и скорости роста этих граней. Это приводит к искажению внешней симметрии кристалла (гипоморфии) - так же, как и в случае неоднородного тепло- и массопереноса.

Поиск по сайту: