单晶培养实质是一个饱和溶液的重结晶过程,一般经历 欠饱和→饱和→过饱和→结晶四个阶段。在结晶过程中,成核是晶体生长的第一步,但是成核与晶体生长之间存在着竞争关系,而控制过饱和度是单晶生长的关键因素。如果过饱和度过大或者释放过快,成核会占主导,容易得到粉晶甚至无定形。而过饱和度太低,可能得不到晶体或者尺寸很小。因此,单晶培养需要适当的溶液浓度以及缓慢的过饱和度释放,以获得质量好、尺寸合适的晶体。
常用的单晶生长方法有溶液缓慢挥发法、缓慢冷却法、液相扩散法、气相扩散法,这些方法在单晶培养中被广泛应用。99%的单晶都是用这几种方法生长出来的。
除了单晶培养技术外,选择合适的溶剂对单晶生长也是至关重要的。溶剂的性质,如极性、氢键供/受体能力、介电常数等都会影响晶体颗粒的形貌。例如,块状晶体的单晶相对于针状晶体而言更好培养和解析。此外,溶剂对样品的溶解度要适中,溶解度太大易得到粉晶,溶解度太小则晶体尺寸过小或者得不到晶体颗粒。
溶剂的挥发性也要适中,如果溶剂挥发太快,则容易产生过度成核;而挥发太慢则会延长单晶生长周期。采用混合溶剂体系时,溶剂的沸点、密度差等参数要根据具体的培养方法确定,比如挥发法中要求良溶剂的沸点低于反溶剂;在气液扩散中要求良溶剂的沸点更高;在液液扩散中则要求不同溶剂间有足够的密度差等等。
通过合理选择溶剂并优化单晶培养技术,可以有效提高单晶的质量和产量,为材料科学和化学研究提供重要的支持。