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你知道金刚石热沉片的晶体是怎么生长的吗？

时间：2023-03-22浏览次数：572

晶体形成的过程就是物质从其它相转变为结晶相的过程。也就是原来的非晶物质在一定的物理化学条件下(温度、压力和组分浓度等)转变为结晶物质的过程。晶体形成的方式主要有:

01 由气体结晶

一种气体处于它的过饱和蒸汽压或过冷却温度条件下，直接由气相转变为晶体。生活中最典型的例子是冰花，冬季玻璃窗上的冰花就是由空气中的水蒸气直接结晶的结果。

窗户上的冰花

02 由液体(溶液或熔融体)中结晶

如海水因水分蒸发，溶液达到过饱和而结晶析出石盐。地壳内部的岩浆熔体在冷却过程中形成长石、石英等晶体。

过饱和状态下析出的石盐晶体

石英晶体

03 由固相转变为晶体

这种相变亦可有两种方式：

（1）在同一温度、压力条件下，某物质的非晶质体向晶质体转化。因为与结晶相比，非晶质体具有较大的自由能，所以它可以自发地向自由能较小的晶质体转变。如石墨制品有非晶质的焦炭，沥青等经过高温作用形成石墨晶体。

（2）由一种结晶相转变为另一种结晶相。这种相变，即通常所谓的同质多象转变。例如人造金刚石，通常是由石墨在高温和极大的压力下转变而成的。

石墨晶体金刚石晶体

下面先从液相的结晶过程来了解一下晶体的形成，在理想条件下，当熔体过冷或溶液达到过饱和，生长的第一步是相应组分的质点按格子构造首先聚合成仅含几个或几十个“分子”的极为微小的微晶，它们便成为结晶过程晶体生长发育的中心，称之晶核或晶芽。一般来说，如果熔体温度下降或溶液的浓度增大进行的很快，则产生的晶核（芽）数目就多，反之晶核（芽）的数目就少。晶核或晶芽形成后，紧接着就是溶液或熔体中的质点按格子构造不断堆积到晶核（芽）上去，这就是晶体长大过程。在理想条件下，质点的堆积会按一定的顺序进行，因为质点堆积到晶核（芽）上时，在不同的位置所受的引力是各不相同的，所以质点将优先堆积到引力最强的位置上去，以便释放尽可能多的能量，使晶体的内能达到最小。因而，晶体的理想生长过程是：在晶核（芽）的基础上先长满一层面网，再生长相邻的一层，逐层平行地向外推移。生长一旦停止，其最外层的面网便成为实际晶面，相邻面网相交的行列成为实际的晶棱，这样便构成一个由晶面所包围占有一定空间的封闭几何多面体。这就是晶体的自限性。

但在实际生长过程中，由于生长时的外界环境总是或多或少的偏离理想条件，面网在生长时就不可能严格地逐层平行向外推移，而往往是按格子构造聚合而成的质点基团成团的粘附到晶核（芽）上去，值得注意的是，这些质点基团和晶核（芽）之间，质点基团与质点基团之间，并不是按照格子构造规律严格地互相平行的，经常存在着很微小的角度偏差，有时甚至造成晶体结构上的某些缺陷。除此之外，就是随着晶体的长大，溶质供应的不均匀性会逐渐明显，相对来说，角顶处接受溶质的机会最多，晶棱附近次之，晶面中心则最小，因而质点将优先在角顶和晶棱附近堆积。

而对于由一种晶体转化成另一种晶体的机理，我们以石墨转化成金刚石为例，人造金刚石生长机理由于在高温高压下检测困难的限制，我们不能直观的了解其变化过程，所以其机理都是由研究者根据晶体的一般规律推理出来的，并且有很多种说法，其中最主要的理论模型包括两类：一类是不破键观点（无扩散，直接转变观点），包括固相转化说和结构转化说；另一类是破键观点（溶解、扩散观点），包括溶剂说、催化剂说、溶剂一催化剂说等。

直接转变观点认为，不需要经过碳原子拆散过程，石墨键不发生断裂，而由石墨的层片状结构直接转变成金刚石的结构。这样的转变可以认为是固一固转变，在结晶化学中称为位移性转变。

破键观点认为，石墨化学键先经破裂，然后重建为金刚石键，经过了一个由碳原子键打开到重新组合成新键的过程。这在结晶化学中称为重建性转变。实现这种转变往往需要提供较多的能量。在这一过程中，包含碳原子的溶解、扩散和再结晶等几个步骤，一般可以认为是固一液一固转变，遵循上面讲的从液相中结晶的一般规律。例如晶体随时间延长而长大，表面有生长台阶、生长螺旋。

金刚石的形成理论众多，都可以解释一部分实际现象，但都具有局限性，这里每一种理论的原理就不一一赘述。

现就目前比较热门的大颗粒金刚石的合成机理从溶剂说的机理加以解释：

触媒金属在转变过程中起溶剂作用，石墨在高压下以原子方式溶解直至饱和，然后从过饱和溶液中以金刚石的形式析出。因为在高温高压合成条件下，溶液对金刚石过饱和而对石墨是不饱和的，由此造成了所谓连续溶液，使得石墨不断溶解，而金刚石不断结晶析出。

金刚石结晶的动力是溶液中金刚石的过饱和度，结晶形态和晶体的形成与长大，都与过饱和度直接相关。过饱和度大小取决于在具体P、T条件下石墨与金刚石溶解度之差，造成过饱和的原因是石墨与金刚石在热力学上的势差——化学位之差。在一定温度范围内金刚石比石墨稳定，因而石墨较容易溶解，即石墨溶解度比金刚石大。这一理论的有力证据是人造金刚石表面的形态和缺陷，比如在金刚石的（ 111）面发现生长台阶和螺旋线。