近日，复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室谭鹏课题组与海外合作者展开深度合作，探究了强组分阻挫下的晶体生长模式。研究者们通过分析晶核的初始分布，对晶体生长动力学的分化行为建立了理论预测模型。相关研究成果以《Impact of impurities on crystal growth》为题，于4月15 日在线发表在《自然·物理》[Nat. Phys. (2025)]。

   结晶是无序分布的粒子自发组装为长程有序、周期性结构的过程。通常，结晶过程可以分为成核和生长两个阶段。首先，粒子跨越能垒形成晶核，随后，随着生长前沿的推进，晶体不断扩展，整体尺寸逐步增大。对于晶体生长的理论描述，已有多个模型，包括Wilson-Frenkel模型、扩散受限生长（diffusion-limited growth）模型以及由力学失稳引发的快速生长模型。在这些模型的描述中，晶体生长是一个连续的线性过程，在稳定的压强差或化学势差下，其生长速率保持稳定。

  然而，在实际的结晶过程中，阻挫效应往往不可忽略。阻挫可能源于几何约束，也可能由杂质颗粒引入。系统中的阻挫会引入强非线性动力学因素，导致生长前沿的力学失稳，使晶体生长偏离理想的稳定模式。其中，杂质颗粒作为外来成分，会增加系统中的组分阻挫，并通过混合熵的作用影响结晶动力学，在实际自然体系中普遍存在。杂质的大小、形状、浓度及其与主体颗粒的相互作用共同决定了它们对相行为和结晶路径的影响。

   当前的理论和实验研究主要关注低浓度杂质环境，例如 Cabrera-Vermilyea理论将杂质颗粒视为静态、独立的阻挫来源。然而，当杂质浓度超过临界阈值时，结晶过程将受到显著抑制，甚至可能发生玻璃化转变。在这一临界区域，杂质颗粒之间的频繁相互作用会导致复杂且不可预测的缺陷行为。高浓度杂质如何影响晶体生长前沿的稳定性？强阻挫条件将如何塑造最终的晶体形貌？这些问题仍缺乏深入的理论与实验研究。

   在本研究中，研究者们探讨了在高浓度杂质环境下，杂质颗粒影响晶体生长的微观物理机制。实验中选取了两种尺寸不同的负电胶体颗粒，并将较小的颗粒作为杂质引入体系，通过共聚焦显微镜研究较大颗粒在三维空间中的结晶过程。在相同的实验条件下，研究者们观察到了两种不同的生长模式：稳定的连续生长模式（CG）和不稳定的熔化-再结晶模式（MR）。在CG 模式下，晶体在整个生长过程中保持稳定扩展，而在 MR 模式下，局部区域经历瞬时熔化后重新结晶，呈现出间歇性生长的特征。这两种模式的分化源于结晶与玻璃化趋势之间的竞争，其中MR 模式本质上是一种去玻璃化过程，通过熔化-再结晶释放因组分阻挫积累的应力。

图1：（a）系统关于杂质颗粒浓度和德拜屏蔽长度（由带电胶束浓度控制）的相图，标Y处表示存在两种动力学模式共存。（b）两种不同动力学模式下晶粒尺寸随时间的演化。（c）两种不同动力学模式下晶体形貌分布随特征尺寸变化。

   进一步分析表明，初始晶核分布对生长路径有重要影响。空间异质性较强的晶核分布有助于杂质向晶界迁移，从而促进 CG 模式的发生；而空间异质性较弱的晶核分布则导致杂质在生长前沿的累积，最终触发 MR 模式。研究者们通过分析晶体高度分布的三阶矩（skewness），揭示了动力学模式的分化与晶体形貌之间的联系。在 MR 模式下，晶体高度分布表现出双峰结构。晶体呈现岛礁状形貌。熔化过程中，杂质粒子优先从较高的晶体区域释放并悬浮在较低区域的上方，从而诱导下层熔化。而在CG 模式下，晶体形貌更接近柱状，生长过程中杂质颗粒不断从晶体内部排出，并最终滞留在晶界区域。

   本研究揭示了高浓度杂质环境对晶体生长模式的影响，并为理解强组分阻挫下的结晶行为提供了新的视角。本研究由复旦大学物理系/应用表面物理国家重点实验室谭鹏课题组完成，论文第一单位为复旦大学。我系博士后高琼、博士后方煌为论文的共同第一作者，谭鹏教授与东京大学Hajime Tanaka 教授为共同通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金委员会、上海市教育委员会及日本学术振兴会的资助与支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41567-025-02870-4