晶体生长中位错的作用

Burton WK, Cabrera N, Frank FC (1949) Role of dislocations in crystal growth. Nature 163:398 –399

Burton、Cabrera 和 Frank 于 1949 年发表的论文《晶体生长中位错的作用》提出了BCF理论，这是晶体生长领域的重要理论。该理论主要阐述了位错在晶体生长中的关键作用。

论文的主要内容：

1. 位错与晶体生长：

   • 作者指出，晶体中的位错（即晶格中的缺陷）可以作为晶体生长的中心。没有位错的晶体表面，原子需要较高的能量才能附着和生长。
   • 位错在晶体表面提供了“台阶”，原子可以较容易地附着在这些台阶上，降低了晶体生长所需的能量。

2. 螺旋生长模型：

   • BCF 理论提出了螺旋生长的概念，晶体会围绕位错进行螺旋式生长，而不是以平整的层状方式逐层增长。
   • 这种生长模式解释了即使在较低的过饱和状态下（即低于均匀成核所需的条件），晶体仍然能够持续生长。

3. 晶体生长的关键步骤：

   • 位错允许晶体连续生长，原子能够持续附着在位错形成的台阶上，而无需不断形成新的成核中心。
   • 这一发现揭示了晶体在不利条件下仍能生长的机制，解决了当时晶体生长的一个重要难题。

影响与应用：

• 材料科学：BCF 理论为理解晶体缺陷如何影响晶体的机械、物理性质提供了基础，例如强度、导电性和光学特性。
• 半导体工业：在半导体制造中，晶体生长质量决定了电子器件的性能，BCF 理论对这一领域至关重要。
• 纳米技术：该理论对于理解纳米材料（如纳米线、纳米管）的生长机制也具有重要意义。

这篇论文奠定了晶体生长理论的基础，至今仍对晶体学和材料科学研究产生深远影响。

晶体围绕位错进行螺旋式生长可以简单理解为：在晶体的表面，通常原子需要有“台阶”才能更容易地附着并继续生长。如果没有这样的台阶，原子会更难找到合适的位置来附着，晶体生长也会变得非常慢或者停止。

位错就像晶体中的一种“缺陷”或“瑕疵”，它会在晶体表面形成一个永久的台阶。这时，原子就可以沿着这个台阶不断地堆积上去。

螺旋式生长的关键点：

• 台阶的存在：位错让晶体表面形成了一个起点，类似于楼梯的第一步。新的原子沿着这个台阶一圈一圈地往上走，就像人们沿着楼梯或者螺旋楼梯向上移动。
• 持续的生长：因为这个台阶是螺旋式的，所以原子不会停下来。随着原子不断地附着，晶体像是沿着“螺旋楼梯”慢慢长高。

这种模式与一般想象中的平整表面逐层增长不同，它是通过绕着位错的这个螺旋台阶不停地“打圈”，从而形成一个持续的、渐进式的生长过程。

用比喻来说，可以想象一个人在没有台阶的平地上建楼梯很难，但如果有了一个不断绕圈上升的螺旋楼梯，他们就可以一直往上走，而不用总是停下来重新搭建下一层。位错的存在为晶体的生长提供了类似“螺旋楼梯”的结构，使得原子能够源源不断地沿着它进行附着和增长。