کریستال ماده جامدی است که اتم‌ها ، مولکول‌ها یا یون‌های آن در یک آرایش منظم و مکرر در هر سه بعد فضایی قرار گرفته‌اند. رشد بلور مرحله اصلی فرآیند تبلور است و شامل افزودن اتم‌ها، مولکول‌ها، یون‌ها یا رشته‌های پلیمری جدید به آرایش مشخصه شبکه کریستالی است . رشد معمولاً از مرحله اولیه هسته‌زایی همگن یا ناهمگن (کاتالیز شده سطحی) پیروی می‌کند، مگر اینکه یک کریستال “دانه” به طور خاص برای شروع رشد اضافه شده باشد.
عمل رشد کریستال منجر به تشکیل یک جامد کریستالی می شود که اتم ها یا مولکول های آن به طور محکم بسته می شوند و موقعیت های ثابتی در فضا نسبت به یکدیگر دارند. حالت کریستالی یک ماده با سفتی ساختاری مشخص و مقاومت بسیار بالا در برابر تغییر شکل (یعنی تغییر در شکل و/یا حجم) مشخص می شود. اکثر جامدات کریستالی دارای مقادیر بالایی از مدول یانگ و مدول الاستیسیته برشی هستند. این برخلاف بیشتر سیالات است که مدول برشی پایینی دارند و تمایل دارند جریان ویسکوز ماکروسکوپی را نشان دهند .
محتوا
- 1مرور
- 2اصل و نسب
- 3مکانیسم های رشد
- 3.1رشد جانبی ناهموار
- 3.2رشد طبیعی یکنواخت
- 3.3نیروی پیشران
- 4مرفولوژی
- 4.1کنترل انتشار
- 5یادداشت
بررسی
در فرآیند تبلور دو مرحله وجود دارد: هسته و رشد. مرحله اول هسته‌زایی یک هسته کوچک حاوی کریستال تازه تشکیل شده ایجاد می‌کند. هسته زایی نسبتاً کند است زیرا اجزای کریستالی اصلی باید در جهت و ترتیب صحیح یکدیگر را لمس کنند تا بچسبند و یک کریستال تشکیل دهند. پس از تشکیل موفقیت آمیز یک هسته پایدار، مرحله رشد رخ می دهد که در آن ذرات آزاد (اتم ها یا مولکول ها) به هسته جذب می شوند و ساختار کریستالی آن را از محل هسته زایی به بیرون منتشر می کنند. این فرآیند بسیار سریعتر از هسته سازی اتفاق می افتد. دلیل این رشد سریع این است که کریستال های واقعی حاوی نابجایی ها و سایر عیوب هستند که به عنوان کاتالیزوری برای افزودن ذرات به ساختار کریستالی موجود عمل می کنند. در مقابل، بلورهای ایده آل (بدون نقص) بسیار آهسته رشد می کنند [3] . از سوی دیگر، ناخالصی ها می توانند به عنوان بازدارنده رشد کریستال عمل کنند و همچنین می توانند عادت کریستالی را تغییر دهند [4] .
مبدا
هسته‌زایی می‌تواند همگن، بدون تأثیر ذرات خارجی، یا ناهمگن، با تأثیر ذرات خارجی باشد. به طور کلی، هسته‌زایی ناهمگن سریعتر اتفاق می‌افتد، زیرا ذرات خارجی به‌عنوان داربستی برای رشد کریستال عمل می‌کنند و در نتیجه نیاز به ایجاد یک سطح جدید و انرژی سطح مورد نیاز را از بین می‌برند.
هسته زایی ناهمگن می تواند به روش های مختلفی رخ دهد. برخی از معمولی‌ترین آنها، ادغام یا بریدگی‌های کوچک در ظرفی است که کریستال در آن رشد می‌کند. این شامل خراش هایی در طرفین و پایین ظروف شیشه ای است. یک روش متداول در رشد کریستال ها افزودن یک ماده خارجی مانند رشته یا سنگ به محلول است و در نتیجه مکان های هسته سازی برای تسهیل رشد کریستال و کاهش زمان بلور شدن کامل فراهم می شود.
به این ترتیب می توان تعداد مکان های ژرمینال را نیز کنترل کرد. اگر از ظروف شیشه ای یا پلاستیکی کاملاً جدید استفاده شود، ممکن است کریستال ها تشکیل نشوند زیرا سطح ظرف بیش از حد صاف است که اجازه ایجاد هسته های ناهمگن را نمی دهد. از طرف دیگر، یک ظرف به شدت خراشیده شده منجر به ظاهر شدن خطوط بسیاری از کریستال های کوچک می شود. برای به دست آوردن مقدار متوسطی از کریستال های متوسط، ظرفی با چند خط خش بهترین است. به همین ترتیب، افزودن کریستال‌ها یا دانه‌های کوچکی که قبلاً ساخته شده‌اند، به پروژه رشد کریستال، محل‌های بذر را در محلول ایجاد می‌کند. افزودن فقط یک کریستال دانه باید منجر به یک بلور بزرگتر شود.
مکانیسم های رشد
رابط بین یک کریستال و بخار آن می تواند در دماهای بسیار پایین تر از نقطه ذوب از نظر مولکولی تیز باشد. یک سطح کریستالی ایده آل با انتشار لایه های منفرد یا به طور معادل با پیشروی جانبی مراحل رشد که لایه ها را محدود می کند رشد می کند. برای نرخ رشد قابل توجه، این مکانیسم نیاز به نیروی محرکه محدود (یا درجه ای از ابرسرد شدن) دارد تا مانع هسته زایی به اندازه کافی برای هسته از طریق ارتعاشات حرارتی کاهش یابد [5] . در نظریه رشد کریستال از مذاب، برتون و کابررا دو مکانیسم اصلی را متمایز می‌کنند:
رشد جانبی ناهموار
سطح به دلیل حرکت جانبی پله ها، که یک فاصله بین سطحی در ارتفاع را تشکیل می دهند (یا چند مضرب جدایی ناپذیر از آنها) پیشرفت می کند. المان سطحی هیچ تغییری نمی کند و به طور معمول به سمت خود حرکت نمی کند مگر زمانی که از پله عبور می کند و سپس تا ارتفاع پله بالا می رود. مفید است که این مرحله را به عنوان یک انتقال بین دو ناحیه سطح مجاور که موازی با یکدیگر هستند و بنابراین از نظر پیکربندی یکسان هستند در نظر بگیریم – با تعداد صحیح صفحات شبکه از یکدیگر فاصله گرفته اند.
رشد نرمال یکنواخت
سطح بدون نیاز به مکانیسم رشد گام به گام به سمت خود حرکت می کند. این بدان معنی است که با توجه به نیروی محرکه ترمودینامیکی کافی، هر عنصر سطحی قادر به تغییر مداوم برای ارتقاء پیشرفت رابط است. برای یک سطح تیز یا ناپیوسته، این تغییر پیوسته ممکن است کم و بیش یکنواخت در مناطق بزرگ با هر لایه جدید متوالی باشد. برای یک سطح پراکنده تر، مکانیسم رشد مداوم ممکن است نیاز به اصلاح چندین لایه متوالی به طور همزمان داشته باشد.
رشد جانبی ناهموار حرکت هندسی پله ها است – برخلاف حرکت کل سطح عمود بر خودش. روش دیگر، رشد نرمال یکنواخت بر اساس توالی زمانی عنصر سطح است. در این حالت هیچ حرکت یا تغییری وجود ندارد مگر زمانی که مرحله از یک تغییر مداوم عبور کند. پیش بینی اینکه کدام مکانیسم تحت هر مجموعه ای از شرایط کار می کند برای درک رشد کریستال اساسی است. برای این پیش بینی از دو معیار استفاده شد:
پراکنده بودن یا نبودن سطح: سطح پراکنده سطحی است که انتقال از یک فاز به فاز دیگر به طور پیوسته در چندین صفحه اتمی روی می دهد. این در تضاد با سطح تیز است، که تغییر اساسی در خواص آن (مثلاً چگالی یا ترکیب) ناپیوسته است و معمولاً به عمق یک فاصله بین‌سطحی محدود می‌شود.
صرف نظر از اینکه یک سطح منفرد است یا نه: سطح منفرد سطحی است که کشش سطحی، بسته به جهت، دارای حداقل نقطه ای است. سطوح منفرد برای رشد نیاز به مراحل دارند، در حالی که عموماً اعتقاد بر این است که سطوح غیر منفرد می توانند به طور مداوم در امتداد یک نرمال به سمت خودشان حرکت کنند.
نیروی محرک
اجازه دهید در ادامه الزامات لازم برای ظهور رشد جانبی را در نظر بگیریم. بدیهی است که مکانیزم رشد جانبی زمانی پیدا می‌شود که هر ناحیه سطحی بتواند در حضور یک نیروی محرکه به تعادل ناپایدار دست یابد. سپس تمایل دارد تا زمانی که مرحله کامل شود در این پیکربندی تعادل باقی بماند. پس از این، پیکربندی یکسان خواهد بود، با این تفاوت که هر قسمت از پله با ارتفاع پله افزایش می یابد. اگر سطح نتواند در حضور نیروی محرکه به تعادل برسد، بدون انتظار برای حرکت جانبی پله ها به حرکت خود ادامه می دهد.
بنابراین، کان به این نتیجه رسید که ویژگی متمایز، توانایی یک سطح برای رسیدن به حالت تعادل در حضور یک نیروی محرکه است. او همچنین به این نتیجه رسید که برای هر سطح یا سطح مشترک در یک محیط کریستالی یک نیروی محرکه حیاتی وجود دارد که اگر از آن بیشتر شود، سطح یا سطح مشترک اجازه می‌دهد به طور معمول به سمت خود حرکت کند و اگر از آن فراتر نرود، به مکانیزم رشد جانبی نیاز دارد.
بنابراین، با نیروهای محرکه به اندازه کافی بزرگ، رابط می تواند بدون استفاده از مکانیسم های ناهمگن هسته یا دررفتگی پیچ به طور یکنواخت حرکت کند. اینکه چه چیزی یک نیروی محرکه به اندازه کافی بزرگ را تشکیل می دهد به میزان انتشار رابط بستگی دارد، به طوری که برای رابط های بسیار پراکنده، این نیروی محرکه حیاتی آنقدر کوچک خواهد بود که هر نیروی محرکه قابل اندازه گیری از آن فراتر خواهد رفت. متناوبا، برای رابط های تیز، نیروی محرکه حیاتی بسیار زیاد خواهد بود و بیشترین افزایش از طریق مکانیسم گام جانبی رخ خواهد داد.
توجه داشته باشید که در یک فرآیند انجماد یا تبلور معمولی، نیروی محرکه ترمودینامیکی با درجه ابرسرد شدن تعیین می شود .
مورفولوژی
عموماً اعتقاد بر این است که خواص مکانیکی و سایر خواص کریستال نیز با موضوع مورد مطالعه مرتبط هستند و مورفولوژی کریستال پیوند گمشده بین سینتیک رشد و خواص فیزیکی را فراهم می کند. دستگاه ترمودینامیکی لازم توسط مطالعه Josiah Willard Gibbs در مورد تعادل ناهمگن ارائه شد. او تعریف روشنی از انرژی سطحی ارائه کرد که با کمک آن مفهوم کشش سطحی هم برای جامدات و هم برای مایعات قابل استفاده شد. او همچنین تخمین زد که انرژی آزاد سطح ناهمسانگرد متضمن یک شکل تعادل غیر کروی است که باید از نظر ترمودینامیکی به عنوان شکلی تعریف شود که کل انرژی آزاد سطح را به حداقل می رساند [12] .
ذکر این نکته مفید خواهد بود که رشد رشته پیوندی بین پدیده مکانیکی استحکام بالای رشته و مکانیسم‌های رشد مختلف که مسئول مورفولوژی فیبری آنها هستند، فراهم می‌کند. (قبل از کشف نانولوله های کربنی، رشته های تک کریستالی دارای بالاترین استحکام کششی در بین مواد شناخته شده بودند.) برخی از مکانیزم ها رشته های بدون نقص تولید می کنند، در حالی که برخی دیگر ممکن است دارای جابجایی های تک پیچی در امتداد محور رشد اصلی باشند که در نتیجه رشته هایی با استحکام بالا ایجاد می شود.
مکانیسم زیربنایی رشد رشته به طور کامل شناخته نشده است، اما به نظر می رسد که توسط تنش های فشاری مکانیکی ، از جمله تنش های ناشی از مکانیکی، تنش های ناشی از انتشار عناصر مختلف، و تنش های ناشی از حرارت تحریک می شود. رشته های فلزی از جهات مختلفی با دندریت های فلزی متفاوت هستند. دندریت ها به شکل سرخس مانند شاخه های درخت هستند و در تمام سطح فلز رشد می کنند. در مقابل، رشته ها فیبری هستند و در زوایای قائم به سطح رشد یا بستر بیرون می افتند.
کنترل انتشار
خیلی اوقات، زمانی که فوق اشباع (یا درجه فوق سرد شدن) زیاد است، و گاهی اوقات حتی زمانی که کم است، سینتیک رشد را می توان با انتشار کنترل کرد. در این شرایط، شکل کریستالی چند وجهی ناپایدار خواهد بود و در گوشه ها و لبه هایی که درجه فوق اشباع در بالاترین حد خود است، برجستگی ایجاد می کند. نوک این برجستگی ها به وضوح نقاط بالاترین فوق اشباع خواهند بود. عموماً اعتقاد بر این است که نوک بلندتر (و در نوک نازک تر) می شود تا زمانی که اثر انرژی آزاد سطحی افزایش پتانسیل شیمیایی رشد نوک را کند کند و ضخامت نوک را ثابت نگه دارد.
در فرآیند بعدی ضخیم شدن نوک، باید ناپایداری شکل مربوطه وجود داشته باشد. برجستگی های جزئی باید اغراق آمیز باشد – و به شاخه های جانبی با رشد سریع تبدیل شوند. در چنین وضعیت ناپایدار (یا ناپایدار)، درجات جزئی ناهمسانگردی باید برای تعیین جهت انشعاب و رشد قابل توجه کافی باشد. البته جذاب‌ترین جنبه این استدلال این است که ویژگی‌های مورفولوژیکی اولیه رشد دندریتی را ارائه می‌کند [13] .