晶体生长

晶体生长，一种固体材料，其组成原子、分子或离子被布置在所有三个空间维度延伸的有序重复的图案。晶体生长是结晶过程的主要阶段，包括将新的原子、离子或聚合物串添加到晶格的特征排列中。生长通常遵循均相或异相成核的初始阶段，除非已经存在有意添加以开始生长的“种子”晶体。

晶体生长的作用产生晶体固体，其原子或分子紧密堆积，在空间上相对于彼此具有固定的位置。物质的结晶态具有明显的结构刚度和非常高的抗变形性（即形状和/或体积的变化）。大多数结晶固体兼得的高值的杨氏模量和的剪切模量的弹性。这与大多数具有低剪切模量并且通常表现出宏观粘性流动能力的液体或流体形成对比。

结晶过程分为两个阶段：成核和生长。在xxx个成核阶段，会产生一个包含新形成的晶体的小核。成核发生的速度相对较慢，因为初始晶体成分必须以正确的方向和位置相互碰撞，以使其粘附并形成晶体。成功形成稳定的核后，便进入了一个生长阶段，其中自由颗粒（原子或分子）吸附到核上，并从其成核位置向外传播其晶体结构。这个过程比成核要快得多。这种快速增长的原因是，真实的晶体包含位错以及其他缺陷，它们是将颗粒添加到现有晶体结构中的催化剂。相比之下，完美的晶体（没有缺陷）将非常缓慢地生长。

成核可以是均质的，不受外来颗粒的影响；也可以是异质的，受外来颗粒的影响。通常，异质成核发生得更快，因为异物颗粒充当了晶体生长的支架，因此消除了产生新表面的必要性和初始表面能的需求。

异质成核可以通过几种方法进行。一些最典型的是晶体在其上生长的容器中的细小内含物或切块。这包括玻璃器皿侧面和底部的划痕。晶体生长的常规做法是向溶液中添加异物，例如细绳或岩石，从而提供成核位点，以促进晶体生长并减少完全结晶的时间。

成核位点的数量也可以以此方式控制。如果使用全新的玻璃器皿或塑料容器，则可能不会形成晶体，因为容器的表面太光滑而无法产生异质形核。另一方面，严重划伤的容器将导致许多行小晶体。为了获得中等数量的中等大小的晶体，具有少量划痕的容器效果xxx。同样，在晶体生长项目中添加预先制成的小晶体或籽晶，将为溶液提供成核位置。仅添加一个籽晶将导致更大的单晶。

在远低于熔点的温度下，晶体与其蒸气之间的界面在分子上会很锋利。理想的晶体表面通过单层的铺展或等效地通过边界层的生长步骤的横向推进来生长。对于可察觉的增长率，此机制需要有限的驱动力（或过冷度），以便充分降低成核壁垒，以便通过热波动产生成核作用。在从熔体中生长晶体的理论中，伯顿和卡布雷拉区分了两种主要机理：

该表面通过台阶的横向运动前进，台阶的高度为一个平面内间距（或其高度的整数倍）。除了在台阶经过期间，表面的元素没有变化并且不垂直于自身前进，然后按台阶高度前进。将台阶视为表面的两个相邻区域之间的过渡是有用的，该两个区域彼此平行并因此配置相同-彼此移位了整数个晶格面。在此请注意，即使阶梯高度比漫射表面的厚度小得多，也可能在漫反射表面中形成阶梯。

表面垂直于自身前进，无需逐步生长机制。这意味着在存在足够的热力学驱动力的情况下，表面的每个元素都能够连续变化，从而有助于界面的发展。对于尖锐或不连续的表面，此连续变化在每个连续的新层的大面积上或多或少是均匀的。对于更分散的表面，连续生长机制可能需要同时在几个连续的层上进行更改。

通常认为，晶体的机械性质和其他性质也与主题有关，并且晶体形态提供了生长动力学和物理性质之间的缺失联系。Josiah Willard Gibbs对异质平衡的研究提供了必要的热力学仪器。他提供了一个清晰的表面能定义，使表面张力的概念适用于固体和液体。他还认识到各向异性的表面自由能意味着非球形的平衡形状，该形状应在热力学上定义为使总表面自由能最小的形状。

可能有指导意义的是，晶须的生长提供了晶须高强度的机械现象与负责其纤维形态的各种生长机制之间的联系。（在发现碳纳米管之前，单晶须具有所有已知材料中最高的拉伸强度）。一些机制可产生无缺陷的晶须，而另一些机制可能沿生长主轴具有单螺杆位错-产生高强度的晶须。

晶须生长的机理尚未得到很好的理解，但似乎受到压缩机械应力的鼓励，这些机械应力包括机械诱导的应力，不同元素扩散引起的应力以及热诱导的应力。金属晶须在几个方面与金属枝晶不同。树突状呈蕨状，像树的树枝，并在金属表面上生长。相反，晶须是纤维状的，并且与生长或基质表面成直角突出。