关于(Mn,Fe)S单晶体生长物理的探讨

在显微气泡中的(Mn,Fe)单晶生长经历了熔体—固相晶体生长过程。以二维成核机制生长的各晶面受晶面生长速度各向异性和晶面淘汰定律控制，也就是说各晶面的生长速度是恒定的，有快的，也有慢的。在晶面生长过程中诸面相互竞争，快面隐没，慢面显露。根据晶体学原理，只有晶面指数较小的晶面才能露在晶体表面。对于面心立方结构晶体，晶面指数较小的有{111}晶面、{100}晶面和{110}晶面，因晶面距离d110小于d100和d111，故{110}面比{111}和{100}晶面不易露出晶体表面，露在晶体表面的只能有{111}面和{100}面。

图1～图8是一组破损的单晶照片，显露出单晶内部的各晶面，成为研究单晶生长机理不可多得的极其珍贵的照片。从图片分析证实，在诸面生长竞争中，在平衡态只留下{111}和{100}两组晶面，其他晶面都隐没了。为什么只留下这两组晶面呢？根据晶体生长的wolf定理，在趋于平衡状态时，晶体将调整自己的形状，以使本身的总界面自由能降至最小，也就是说，必须满足其表面积与体积之比为最小。只有这样，体系的自由能才最小，晶体结构才最稳定，在由{111}晶面和{100}晶面组成的三维形体中，晶体表面积与体积比最小的是正14面体。晶体以二维成核机制生长，奇异面长得最慢，即<111>方向长大速率最小，其次是<100>方向，而其他晶面的法向长大速率远大于{111}和{100}晶面。因而生长速率的各向异性充分地表现出来。结果那些生长速率较快的晶面在平衡态隐没了，而长大慢的{111}{100}晶面不断扩大，最后形成以{111}和{100}晶面所覆盖的14面自然形态，或各种生长形态。

图1  显露出(Mn,Fe)S单晶体内部晶面特征

图2  显露出(Mn,Fe)S单晶本内部晶面特征

图3  显露出(Mn,Fe)S单晶体内部晶面特征

图4  显露出(Mn,Fe)S单晶体内部晶面特征

图5  发育不完整的(Mn,Fe)S单晶体

图6  发育不完整的(Mn,Fe)S单晶体

图7  发育不完整的(Mn,Fe)S单晶体

图8  发育不完整的(Mn,Fe)S单晶体

在(Mn,Fe)S单晶体，除了{111}和{100}晶面，在{111}与{111}面之间、{100}与{100}面之间和{111}与{100}面之间还具有台阶面，{111}面族的台阶面是{110}面，{100}面族之间的台阶也是{110}面，{111}与{100}面族之间台阶应是{210}面。

(Mn,Fe)S单晶体为什么呈现明显的台阶特征？对于宏观上的三维形体，球体的表面积与其体积之比最小，如果是单一的没有台阶的正14面体也不很接近球形，如果将正14面体的各顶角和各棱分别用{110}面和{210}面割去，那么此种多面体将更接近球形，即表面积与体积之比将更小，其自由能也要小。然而从另一方面来讲，{110}和{210}面又是晶面指数较高的晶面，晶体长大后，这些面不易露在晶体表面，最终以台阶面的形式体现出来，这些台阶的底面和侧面都是{111}面或{100}面。

在熔体生长系统中，界面形状还与原来滴状熔体形状有关，同时受到温场和热量传输条件的制约，最终长成各种形状的(Mn,Fe)S单晶体，但所显露的面只能是{111}和{100}晶面，而对于处于坑中的熔体，在<111>方向的晶面受热传输的影响发育良好，所以看到的只是{111}晶面层状生长特征。

(Mn,Fe)S单晶体的发现是晶体平面长大理论的典型实例，为晶体对称图形家族中增添了一个新成员。