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磷酸二氢铵晶体生长微观热动力学行为的研究

2020-11-28阅读(94)

磷酸二氢铵晶体生长微观热动力学行为的研究

论文摘要

当今时代,对微观领域的认识变得越来越迫切和重要,而科技的发展与进步,则使这种需求的实现成为可能,原子力显微镜（atomic force microscope, AFM）正是这样一种使人们得以在微观领域纵横驰骋的有力工具。对于晶体生长领域而言,原子力显微镜的出现,虽极大地促进了其微观生长机理的研究,但晶体生长过程的复杂性,使得这方面的工作还任重而道远,尤其是在无机小分子晶体的微观生长机理研究方面。作为应用广泛,生长容易的ADP晶体,历来被选作晶体生长理论研究的重要材料。近年来随着对其特性的深入了解,新用途的开发,ADP晶体在人类生活中也扮演着越来越重要的作用。但在ADP晶体微观生长机理的研究方面,相关的微观实验数据还较为缺乏,这正逐渐制约着该晶体的制备与应用。本文工作即是运用原子力显微镜,从热动力学的角度对ADP晶体的微观生长过程进行实时和非实时的研究。其主要内容为:①运用原子力显微术观测相变驱动力为0.005 kT /ωs0.11 kT /ωs下ADP晶体相变界面的微观形貌。实验数据表明,在相变驱动力为0.01 kT /ωs0.04 kT /ωs时,ADP晶体（100）面的平均面粗糙度和均方面粗糙度均不到0.3nm,远小于该晶面间距0.75nm,微观结构表现为光滑界面,与杰克逊模型、特姆金模型及卡恩模型相符,观测到螺位错生长;在相变驱动力为0.053 kT /ωs0.11 kT /ωs时,ADP晶体的（100）面的平均面粗糙度和均方面粗糙度,介于1.8nm4.2nm之间,大于该晶面间距0.75nm,微观结构粗糙度增加,趋向于粗糙界面,可用特姆金的弥散界面模型解释,界面上观测到多二维核生长。②运用原子力显微术AFM（atomic force microscopy,AFM）观察了ADP晶体生长时相界面上动态微观形貌的变化并测算了台阶传播速率。实验结果表明,在相变驱动力介于0.005 kT /ωs0.05 kT /ωs,生长温度介于2040℃之间时,相变界面表现出台阶面的基本特征;相变界面上台阶推移的动力学系数体现出溶质输运趋向于体扩散控制;微晶融合的过程说明ADP晶体生长中,微晶融入与大分子晶体的同类过程有显著不同,不会形成晶体缺陷。③详细研究了在较小的相变驱动力下（0.005 kT /ωs0.04 kT /ωs）ADP晶体生长的纳米级微观形貌。过饱和度σ处于0.0050.04,生长温度介于2040℃之间时,晶面上观察到位错生长丘和其它晶体缺陷所形成的生长丘,晶面主要为台阶推进方式生长;位错生长丘上空洞的出现与位错弹性理论相符;台阶露台上的空洞可能造成台阶聚并;随过饱和度σ降低,台阶形貌会发生相应的变化;生长温度为25℃时,台阶棱边能不小于6.2×10-3J/m2。④开展了点状籽晶的晶体生长实验。相变驱动力f介于0.005 kT /ωs0.03 kT /ωs之间时,ADP晶体点状籽晶生长中,（100）晶面的生长速率随过饱和度的增加而线性增加;在相变驱动力一定时,晶面生长速率随温度的升高而呈指数增加;晶面的生长动力学规律与体扩散输运机制下的螺位错生长机制相符;晶体生长存在着热力学因素造成的死区。相变驱动力f介于0.05 kT /ωs0.11 kT /ωs之间时（100）晶面的生长速率随过饱和度的增加而呈非线性增加,晶面生长趋近于多二维核生长机制,但同时也存在着其它生长机制。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 问题的提出及研究意义
  • 1.1.1 ADP 晶体简介
  • 1.1.2 ADP 晶体的研究背景
  • 1.2 当前课题的研究现状
  • 1.2.1 ADP 晶体相变界面的研究现状
  • 1.2.2 生长动力学的研究现状
  • 1.3 研究内容及特色
  • 1.3.1 本课题的研究内容
  • 1.3.2 本课题的主要特色
  • 2 籽晶及晶体样品制备
  • 2.1 引言
  • 2.2 晶体生长方法简介
  • 2.3 主要实验仪器及试剂
  • 2.4 籽晶制备
  • 2.4.1 ADP 溶液的溶解度及过饱和度计算
  • 2.4.2 籽晶制备实验步骤
  • 2.5 晶体样品制备
  • 2.5.1 非实时观察样品的制备
  • 2.5.2 实时观察样品制备
  • 2.6 本章小结
  • 3 晶体生长实验研究中的原子力显微术
  • 3.1 引言
  • 3.2 原子力显微镜在晶体生长研究中的应用
  • 3.3 原子力显微镜简介
  • 3.3.1 扫描探针显微镜简介
  • 3.3.2 原子力显微镜基本工作原理
  • 3.3.3 原子力显微镜的工作模式
  • 3.3.4 原子力显微镜的数据采集模式
  • 3.3.5 原子力显微镜的优点
  • 3.4 实验用AFM 系统
  • 3.4.1 实验用AFM 系统组成
  • 3.4.2 实验用AFM 功能特点、系统应用软件及性能参数
  • 3.4.3 工作模式、数据采集模式及成像信号介绍
  • 3.4.4 扫描器校正
  • 3.4.5 AFM 观测参数及晶体试测所用探针规格
  • 3.5 本章小结
  • 4 相变界面微观结构及其随相变驱动力的变化
  • 4.1 引言
  • 4.2 相变界面微观结构理论模型及具体研究晶面的确定
  • 4.2.1 界面微观结构理论模型
  • 4.2.2 ADP 晶体晶面的特点
  • 4.3 实验结果和讨论
  • 4.3.1 溶液生长系统中的相变驱动力
  • s0.04kT / ωs 范围内界面的微观结构'>4.3.2 相变驱动力为0.005kT / ωs0.04kT / ωs 范围内界面的微观结构
  • s0.11 kT / ω s范围内界面微观结构及形貌随相变驱动力的变化'>4.3.3 相变驱动力为0.053kT / ωs0.11 kT / ω s范围内界面微观结构及形貌随相变驱动力的变化
  • 4.4 本章小结
  • 5 相变界面附近的质量输运
  • 5.1 引言
  • 5.2 基本理论
  • 5.2.1 溶质浓度场及溶质输运
  • 5.2.2 溶质守恒方程
  • 5.2.3 晶体生长中的面扩散与体扩散
  • 5.3 实验结果和讨论
  • 5.3.1 实验结果
  • 5.3.2 分析和讨论
  • 5.4 本章小结
  • 6 界面微观形貌及台阶棱边能
  • 6.1 引言
  • 6.2 实验
  • 6.3 实验结果和讨论
  • 6.3.1 界面上的生长丘
  • 6.3.2 相变驱动力减小时台阶形貌的变化
  • 6.3.3 相变驱动力远小于0.01kT / ωs 时的台阶形貌变化
  • 6.3.4 晶体从停滞转向生长时界面形貌的变化
  • 6.3.5 台阶上的空洞
  • 6.3.6 微晶的融入
  • 6.3.7 台阶棱边能
  • 6.4 本章小结
  • 7 晶面生长动力学的研究
  • 7.1 引言
  • 7.2 奇异面的生长机制
  • 7.2.1 二维成核生长机制
  • 7.2.2 位错生长机制
  • 7.3 实验要点
  • 7.4 实验结果和讨论
  • s0.04 kT / ω s之间时晶面的生长速率'>7.4.1 相变驱动力f 介于0.005kT / ωs0.04 kT / ω s之间时晶面的生长速率
  • s0.11kT / ωs 之间时晶面的生长速率'>7.4.2 相变驱动力f 介于0.05kT / ωs0.11kT / ωs 之间时晶面的生长速率
  • 7.5 籽晶及其生长后的实物图片
  • 7.6 本章小结
  • 8 结论与展望
  • 8.1 主要结论及创新性
  • 8.2 后续研究工作的展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • A. 攻读博士学位期间发表的学术论文
  • B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

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