[论文解读] Crystal Growth in the Presence of Surface Melting: Novel Behavior of the Principal Facets of Ice

Kenneth G. Libbrecht, M. E. Rickerby|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2012

nanoparticles nucleation surface interactions参考文献 17被引用 5

一句话总结

本研究测量了在-40°C至-2°C范围内，从水蒸气中冰的基面（0001）和棱面（1̄100）的生长速率，发现高于-15°C的表面熔化显著改变了生长动力学。数据最符合无位错的层成核模型 α(σ) = A exp(-σ₀/σ)，揭示了台阶能 β(T) 随温度升高而降低，这是由于表面重排所致，且在约-12°C附近出现关键转变，标志着显著表面熔化的开始。

ABSTRACT

We present measurements of the growth rates of the principal facet surfaces of ice from water vapor as a function of supersaturation over the temperature range -2 C > T > -40 C. Our data are well described by a dislocation-free layer-nucleation model, parameterized by the attachment coefficient as a function of supersaturation α(σ) = Aexp(-σ_0/σ). The measured parameters A(T) and σ_0(T) for the basal and prism facets exhibit a complex behavior that likely originates from structural changes in the ice surface with temperature, in particular the onset and development of surface melting for T > -15 C. From σ_0(T) we extract the terrace step energy β(T) as a function of temperature for both facet surfaces. As a basic property of the equilibrium ice surface, the step energy β(T) may be amenable to calculation using molecular dynamics simulations, potentially yielding new insights into the enigmatic surface structure of ice near the triple point.

研究动机与目标

• 在受控条件下，量化冰的主要晶面（基面和棱面）从水蒸气中生长的本征动力学。
• 研究表面熔化（特别是其起始与演化）如何改变冰的晶体生长动力学。
• 利用层成核模型，从实验生长数据中提取温度依赖的台阶能 β(T)。
• 检验假设：在三相点附近，表面熔化从根本上改变了表面原子附着动力学与形态演化。
• 为验证三相点附近冰表面结构的分子动力学模拟提供实验数据。

提出的方法

• 使用光学干涉仪测量单个冰晶的生长速率，通过时间序列厚度变化追踪生长过程，实验在受控过饱和度和温度下进行。
• 采用低背景气压环境，以最小化气相扩散效应，确保表面原子附着动力学主导生长过程。
• 采用双温区腔室设置，冰源温度为 T_IR，基底温度为 T_subst，以精确生成过饱和度 σ = T_IR - T_subst。
• 将实验测得的生长速率拟合至无位错层成核模型 α(σ) = A exp(-σ₀/σ)，提取参数 A(T) 和 σ₀(T)。
• 利用公式 β(T) = kT ln(σ₀(T)/σ₀,ref) 从 σ₀(T) 计算台阶能 β(T)，建立表面热力学与生长动力学之间的联系。
• 在不同温度下比较结果，识别与表面熔化相关的转变，特别是约-12°C附近。

实验结果

研究问题

• RQ1 在冰中，特别是高于-15°C时，表面熔化如何影响其主要晶面的生长动力学？
• RQ2 冰的基面和棱面的台阶能 β(T) 如何随温度变化？
• RQ3 所观测到的生长速率数据能否被无位错层成核模型定量描述？
• RQ4 表面熔化在何种温度下开始显著改变冰晶的生长动力学？
• RQ5 为何在高于-5°C的温度下，基面的生长速率偏离预期，特别是在约-5.5°C附近？

主要发现

• 基面和棱面的生长速率均能良好地由层成核模型 α(σ) = A exp(-σ₀/σ) 描述，其中 A(T) 和 σ₀(T) 展现出强烈的温度依赖性。
• 台阶能 β(T) 随温度升高而降低，表明表面重排使台阶边缘更加平滑，尤其在低于-15°C（表面熔化可忽略）时更为明显。
• 在约-12°C附近，σ₀,basal(T) 出现显著峰，标志着（0001）晶面开始出现显著表面熔化，与独立的表面熔化测量结果一致。
• 棱面在约-12°C附近也显示出 σ₀,prism(T) 的肩峰，表明存在相关的表面熔化转变。
• 在 -15°C < T < -5°C 的温度区间，σ₀(T) 表现出最复杂的演化行为，表明基面和棱面均开始出现并发展表面熔化。
• 在约-5.5°C附近，σ₀,basal(T) 趋势发生反转，归因于从无序、低台阶能的准液层/冰界面向更清晰、高台阶能界面的转变。