[科普中国]-扩散控制成长

晶体成长的连续步骤是：(a)溶质迁移至晶体一溶液界面；(b)溶质吸附在表面上；(c)晶体组元掺入晶格．同时要考虑晶体的逆向溶解。晶体成长动力学取决于速度限制步骤，对此，有两个理论，即扩散控制成长理论和界面控制成长理论。1

概述目前有很多晶体生长的理论，如表面能理论、吸附层理论、形态学理论和扩散理论等，其中最具有影响的就是两步法模型，又叫扩散反应模型。它认为晶体生长过程包括两个步骤：第一步为溶质扩散过程，即待结晶的溶质通过扩散穿过晶体表面的静止液层，由溶液中转移至晶体表面；第二步为表面反应过程，即到达晶体表面的溶质嵌入晶面，晶体长大。在不同的物理环境下，这两个步骤中的任何一步都可能是过程的控制步骤。针对第二步，关于溶质如何嵌入晶格的模式，也已提出许多模型，其中有连续成长模型、生长传递模型和螺旋错位生长( BCF)模型。溶质扩散步骤和表面反应步骤是连续发生的，通常扩散步骤的速率与浓度推动力呈线性关系，而表面反应过程并非一级反应。

原理对由扩散控制的成长所作处理一般地指出晶体尺寸随时间的平方根成比例地增大(成长速率随时间的平方根而减少)。这种时间变化与下述事实有关，即在成长进行中，物质必须经过逐渐增大的距离进行传递。然而，对于正在长大的颗粒尺度比特征扩散距离大的情况，则界面前进的速率应与时间无关。对于直径不变的棒状体的这种特定情况，原子只添加在靠近两瑞的地方，预料其长度和体积会随时间线性地增加。

对晶体的大小与扩散范围的尺度相当的情况来说，扩散控制成长的晶体尺寸应当随着时间的平方根而增加，而界面控制成长的晶体尺寸应当随着时间线性地增加。当在SiO2和GeO2这样一类的材料中加入浓度逐渐增大的杂质时，可以预料从界面控制成长过渡到扩散控制成长。

对于能提高晶体成长速率的溶质类来说，它们在界面上被斥和积存，可能导致大大地提高随时间而增加的成长速率。在这类多情况下，样品可能在保持稳态长大条件之前便完全结晶。这种自动催化作用应该更可能在两个前进的界面之间的区域开始，在这种区域内，溶质积聚最为显著。在其他情况下，正在结晶中的材料通过界面上的高迁移率的溶质区域而传输时，可能产生相似于从浓溶液中成长的结晶过程。对于不能引起扩散控制成长或自动催化成长作用的低溶质浓度来说，对动力学的作用应当通过对粘度和液线温度的综合作用来说明。2

特点晶体成长属于扩散控制成长还是表面反应控制成长，这取决于系统的性质及晶体生长的物理环境。通常认为：高的过饱和度，低的比功率输入，晶体生长可能为扩散控制生长；低的过饱和度，高的比功率输入，晶体生长可能为表面反应控制生长。同一物料在较高温度下，结晶过程往往属于扩散控制；在较低温度下，则可能转为表面反应控制。3

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学