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晶体是怎样炼成的 精选

已有 6375 次阅读 2018-4-9 17:14 |系统分类:科普集锦

Scientific American的中国微信公众号“把科学带回家”上介绍了一个非常有趣的小装置(也可以叫做玩具或艺术品),叫做Atomix,是60年代一位加拿大的艺术家发明的(http://www.arteria.ca/projects/)。在两片亚克力板之间放入了一些不锈钢小球(直径1毫米),可以用来演示晶体的形成。我做了一个,如下图所示,从某宝购买这些东西非常方便廉价。晶体生长过程中的各种现象都能在这个小小的玩具里体现出来。

lattice with many domains compressed.JPG

大家可以看到里面有hexagonal closed packing的小球,它们形成了一个一个的晶畴,相邻晶畴之间有晶畴壁。如果相邻晶畴只是相对滑移了一下,那么它们的晶畴壁就是一个“单原子链”的线缺陷(位错)。如果相邻晶畴有转角,那么它们之间的晶畴壁就比较宽(3个左右原子宽度),且不是直线。各种形式的点缺陷也可以看到。

这些由大量晶畴组成的多晶可以通过外界输入能量的方法来重新结晶,即退火(annealing),使得晶畴变大。我们恰当地拍打装置(垂直于重力方向),就能实现这一过程,请看视频。视频中可以看出,由滑移导致的位错是很容易退火去除的。而如果由两种不同朝向的晶格之间组成的晶畴壁则非常顽固,很难消除。这也与消除这种缺陷需要的能量太高有关。如果拍打得太厉害,则有序度又会大大降低(晶体熔化)。值得注意的是,热力学决定了不管我们如何拍打,这个盒子里总会有一些缺陷。缺陷的浓度可以通过玻尔兹曼分布、缺陷形成能以及拍打的等效温度来估计。


除了这些以外,我们还可以脑洞大开,用它来玩出其他有趣的东西。比如我给这些小钢珠通了一个1.6万伏的高压(某宝上有用这种基于flyback transformer的高压电源买,用于制作雅各布天梯等高压装置,<100元),可以看到这些小球马上带了电,互相排斥形成一个真正的长程力多体相互作用的体系,非常有趣。有一些钢珠的重力被静电力抵消,悬浮在空中(按照恩绍定理,它们在水平方向上应该不能稳定悬浮,只不过由于两边的亚克力板把它们挡住了,显得是悬浮在空中)。


当然,我们也可以拿它来模拟X射线的散射实验。拿一束激光照射过去,会在5米开外的墙上形成清晰的六重对称的散射斑点。通过计算,发现最小的散射斑点对应的实空间距离为0.84毫米,经过转化可知实空间周期为,约等于0.99毫米,与小球直径相当,表示它们是密排结构。

P1050390 compressed.JPG

而且我们注意到这个衍射图样并不是简单的三角晶格衍射图样,因为最里面那六个点的强度比第二圈六个点的要弱,体现了形状因子并不是简单的一个格点的散射贡献的。把上面的图做傅里叶变换,看到如左下图所示。可见其实是一个honeycomb的晶格,那些三角形的亮斑正是三个小球之间的缝隙。不过奇怪的是这个傅里叶变换后的图与实空间的形状也稍有些差别(实空间照片如右下图所示),与实空间图相比,这些通过衍射光斑做傅里叶变换得到的三角形亮斑似乎都颠倒了180度。这个问题还不知道是如何引起的,也许是因为这里用的激光笔发出的光不是平行光。

P1050393 Fourier Image compressed.jpgball lattice closed up.JPG

仔细观察多晶态,我们还能看到一些有趣的晶畴。如下图所示。

从六角到正方.JPG

右上角是正方晶格,而左下角是六角密排。六角密排是能量低的状态,因此比较稳定,而正方形的晶格很容易受一点扰动就变成六角密排了。有意思的是,最近我们实验室用扫描隧道显微镜观察到一种层状半导体材料SnSe2可以通过退火的方式产生一些SnSe2和SnSe混杂的晶格(如下图所示)。其中SnSe2是一种六角晶格的N型半导体,而SnSe是一种正交晶格(接近于正方格子)的P型半导体。它们两种晶格也可以像上图一样,非常和谐的共处一起。该工作刚刚发表于ACS Applied Materials & Interfaces,DOI:10.1021/acsami.8b01235

Graphic for manuscript.jpg



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