多晶硅酸鉍晶列結(jié)構(gòu)及其生長規(guī)律.pdf

1、作為高密度、快衰減和高抗輻照的閃爍體材料，硅酸鉍(Bi4Si3O12)在某些領(lǐng)域可能替代傳統(tǒng)的鍺酸鉍(Ge4Si3O12)閃爍體。目前國內(nèi)外對于Bi4Si3O12的晶體生長方面的報道還不多見，特別是利用固相反應(yīng)法制備Bi4Si3O12多晶體、研究其高有序晶列結(jié)構(gòu)的報道。深入分析、研究多晶硅酸鉍晶列結(jié)構(gòu)和其中包含的生長規(guī)律，掌握硅酸鉍結(jié)晶習(xí)性對于該晶體的生長具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
　　 本課題以Bi2O3和SiO2為原材料，在

2、不同溫度機制下使用固相反應(yīng)法對Bi2O3-SiO2系統(tǒng)的結(jié)晶習(xí)性進(jìn)行了研究。通過X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)分析了生成晶體的物相；使用STA-429型綜合熱分析儀對樣品做熱分析；利用環(huán)境掃描電鏡(Environmental Scanning Electron Microscopy,ESEM)觀察了生成晶體的微觀形貌。研究了高有序生長的Bi4Si3O12多晶體高有序晶列結(jié)構(gòu)的生長規(guī)律。
　　 本論文的主

3、要研究成果如下：
　　 實驗發(fā)現(xiàn)，Bi2O3-SiO2系統(tǒng)在800℃保溫3小時生成的Bi4Si3O12多晶體呈現(xiàn)高有序的晶列結(jié)構(gòu)。該晶列結(jié)構(gòu)由多個穩(wěn)定的晶行組成。每個Bi4Si3O12晶行兩側(cè)晶?？偸浅蓪Ψ植迹l(fā)育形態(tài)十分的規(guī)則有序，而成對生長的Bi4Si3O12晶粒作為晶列結(jié)構(gòu)的最小生長基元。該高有序晶列結(jié)構(gòu)的形成和Bi4Si3O12晶體生長的各向異性有關(guān)。并探索了煅燒溫度和反應(yīng)時間對Bi2O3-SiO2系統(tǒng)產(chǎn)物的影響。實驗顯

4、示只在800℃條件下才可能出現(xiàn)Bi4Si3O12的晶列結(jié)構(gòu)。而且保溫時間大于等于1小時，或者小于等于6小時，就能夠出現(xiàn)Bi4Si3O12的晶列結(jié)構(gòu)特征，但比較后發(fā)現(xiàn)保溫3小時其晶列結(jié)構(gòu)特征最為明顯。
　　 研究了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)中晶粒的競爭變化趨勢及其正相關(guān)特性。認(rèn)為在一個Bi4Si3O12晶列內(nèi)，晶行任意一側(cè)的晶粒尺寸總保持一定的變化趨勢。沿著晶行發(fā)育方向，有兩種晶粒變化的趨勢。一種是晶粒尺寸逐漸增大或者減小，另一種

5、是晶粒尺寸在某一特定區(qū)域內(nèi)基本不變。在大多數(shù)情況下，每行晶粒兩側(cè)的晶粒變化趨勢具有一致性。發(fā)現(xiàn)在多數(shù)情況下，兩側(cè)的晶粒尺寸呈現(xiàn)高度正相關(guān)特性，也就是說當(dāng)一側(cè)晶粒生長速率較大時，另一側(cè)對應(yīng)的晶粒生長速率也較大。如果某個晶行兩側(cè)的晶粒變化趨勢完全不同，也基本不相關(guān)，則應(yīng)該屬于兩種不同的晶粒生長變化趨勢。
　　 統(tǒng)計分析了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)內(nèi)晶粒夾角的分布規(guī)律及其對晶行發(fā)育的影響。在任一晶行的一側(cè)，晶粒取向和該晶行發(fā)育方向之間

6、的夾角服從正態(tài)分布。統(tǒng)計分析認(rèn)為晶粒夾角均值的大小范圍為53.9°～68.9°。在一個的晶列內(nèi)，各晶行的平均晶粒夾角和平均晶粒尺寸之間存在一個高度的正相關(guān)性，即較大的晶粒夾角會促進(jìn)晶粒的生長發(fā)育。如果一側(cè)的平均晶粒夾角超過穩(wěn)定晶列中晶粒夾角范圍的最大均值，對應(yīng)側(cè)的高有序的晶列結(jié)構(gòu)將會被破壞。然而，晶行一側(cè)結(jié)構(gòu)的局部湮滅過程不會對另一側(cè)的高有序結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響。
　　 探討了穩(wěn)定Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)中的迭代生長規(guī)律。當(dāng)一個穩(wěn)

7、定的晶列湮滅后，新的穩(wěn)定的晶列開始產(chǎn)生，如此往復(fù)傳承生長。發(fā)現(xiàn)在一個穩(wěn)定的晶列內(nèi)，這些晶行的晶行間距并不相等，而是分布在一個較寬的范圍。晶行間距分布的范圍存在一個上限值、下限值。在一個穩(wěn)定的晶列結(jié)構(gòu)中，上限值約是下限值的三倍。相鄰迭代的晶列之間內(nèi)會形成波浪狀缺陷，這是因為晶體生長時各晶行同時發(fā)生溶質(zhì)短缺的情況，最終導(dǎo)致晶行發(fā)育同時停止。另外晶粒的發(fā)育速度也會逐漸變小，而晶粒尺寸不斷減小的多對晶粒形成晶行的近似橢圓狀的尖端形貌。
　

8、　 提出了在一個穩(wěn)定Bi4Si3O12晶列內(nèi)部的父傳子承生長模式。迭代生長過程，在一個穩(wěn)定的父代晶列內(nèi)局部可以逐次發(fā)育幾個較小的穩(wěn)定的子代晶列，形成父傳子承的生長模式。在父代晶列內(nèi)局部產(chǎn)生的子代晶列內(nèi)各晶行也都是同時開始產(chǎn)生，并同時淹滅，且生長方向和速度相同，因而這些晶行的長度也都相等，并且各個子代晶列長度之和等于其父代晶列長度。形成父傳子承生長模式的原因是在晶行間距較大的父代晶列局部失穩(wěn)后，該晶列就會消失，迅速就會更小的新的子代晶列

9、產(chǎn)生，但是發(fā)育取向仍然與最大溫度梯度方向相同，且其發(fā)育的速度與未失穩(wěn)的部分的較大父代晶列也相同，從而產(chǎn)生新的穩(wěn)定的晶行間距較小的子代晶列，而且此新的子代晶列又有可能再次失穩(wěn)，從而再次產(chǎn)生更下一級的新子代晶列。
　　 總結(jié)了Bi4Si3O12晶列結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。結(jié)果表明Bi4Si3O12晶體的生長點一旦形成后，即向四周擴展發(fā)育。有些區(qū)域是以穩(wěn)定晶列的迭代生長的規(guī)律推進(jìn)，而在其相鄰的區(qū)域則可能形成羽狀偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征。羽毛狀的偏轉(zhuǎn)發(fā)育一般

10、是從分枝點開始，分枝點的形成伴隨著新晶行的產(chǎn)生，和已有晶行的不穩(wěn)定發(fā)育，最終形成晶列的小角度偏轉(zhuǎn)。穩(wěn)定晶行的大角度偏轉(zhuǎn)必須在奇異點處出現(xiàn)。首先是穩(wěn)定晶行一側(cè)的晶粒夾角大于正常地晶粒夾角范圍，導(dǎo)致晶行另一側(cè)晶粒的有序性發(fā)育破壞，從而局部湮滅。湮滅后的晶粒盡管沒有形成晶行結(jié)構(gòu)，但是絕大部分晶粒仍然呈現(xiàn)基本相同的生長方向。經(jīng)歷了半有序的生長過渡之后，再次出現(xiàn)新晶列的生長，但是新晶列的發(fā)育方向和原來晶列產(chǎn)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。迭代生長中，斷點處相鄰

11、的的晶行(屬于父代晶列)對應(yīng)一側(cè)晶粒生長會逐漸減小，然后該側(cè)晶粒的生長速率又會再次增大，恢復(fù)到正常數(shù)值，形成一個父代和子代晶列之間的弧狀缺陷。在Bi4Si3O12穩(wěn)定的晶列結(jié)構(gòu)中即可以存在穿晶斷裂，也會出現(xiàn)沿晶斷裂。對Bi4Si3O12晶粒間的缺陷空隙分析表明，當(dāng)Bi4Si3O12晶體相對晶面的尺寸相差較大時，可以形成空隙?？障兜陌l(fā)育和擴展形態(tài)與相對晶面的尺寸及方向有關(guān)。分析了兩種新的Bi4Si3O12晶行的產(chǎn)生方式。一種是可能受到雜質(zhì)