单晶形貌的精确预测和调控在半导体、制药、催化等领域至关重要。天津大学胡文平研究员、李荣金研究员及合作者理论和实验相结合证实Gibbs–Curie–Wulff理论可用于有机单晶平衡形貌的预测。(Adv. Mater. 2016, 28,1697-1702)。
Gibbs-Curie-Wulff理论认为晶体的平衡形状由各晶面的表面自由能决定。在热力学平衡条件下，晶体的生长形貌要保证体系总自由能最低。此理论被大量实例证实适用于无机单晶（特别是无机纳米晶）。有机单晶的形貌是否可用Gibbs–Curie–Wulff理论预测并没有被证实。
在这篇文章中，该研究团队选用了一种棒状有机半导体分子为研究对象。这种分子具有良好的场效应晶体管性能（Adv. Mater. 2009, 21, 4492）。研究者首先采用理论计算得到了该分子数个低指数晶面的表面能，并基于Gibbs–Curie–Wulff理论预测了晶体的平衡形貌。随后采用物理气相沉积的方法生长晶体，成功得到了微米尺度的单晶（如图所示）。
Gibbs-Curie-Wulff 理论预测的平衡形貌和实际晶体形貌
研究发现在高温区生长得到的单晶形貌和理论预测的形貌相符合。原因是高温区传质速率快，晶体处于热力学平衡态。处于低温区的单晶生长受低传质速率的限制，晶体偏离平衡形貌。通过原子力显微镜发现，在单晶面积最大的上表面分子取向为“站立”取向，即长轴垂直于单晶上表面。这种方式具有最低的表面能，符合Gibbs–Curie–Wulff理论。该研究为有机半导体形貌的精确预测和生长习性的调控提供了理论依据，在有机单晶研究领域具有重要意义。
1. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201504370/epdf
2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200900934/epdf
原文标题：Gibbs–Curie–Wulff Theorem in Organic Materials: A Case Study on the Relationship between Surface Energy and Crystal Growth