半导体材料--晶体生长
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（1）晶体生长
（2）晶体物理
（3）晶体化学
为基础。
简言之：
生长工艺 生长理论
控制
晶体生长
生长方法 生长设备
形貌 缺陷
晶体物理
物性
应用
晶体化学
化学键 结构
相关系
组成
图 晶体学研究的基础内容及相互关系
1.4 材料科学研究与发展方向
（1）材料复合化
（2）纳米材料 （3）智能材料
非平衡材料
（4）生物医学材料
（5）C60系列材料
3-1 晶体生长的理论基础
1.晶体生长的一般方法
• 晶体是在物相转变的情况下形成的。 • 物相有三种，即气相、液相和固相。 • 由气相、液相固相时形成晶体， • 固相之间也可以直接产生转变。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（0.17m）到中红外 （5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
2. 晶体生长方法发展动向
完整性 杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等
晶
体
生
利用性 大尺寸、异形、薄膜等
长
技
术 发
功能性 极端条件下生长，结构、组织的控制生长
展
动
向
重复性 自动化，程序化，原材料规范化等
3. 晶体生长研究方法
晶体生长研究方法同其它材料的研究方法 相同，除了严格控制晶体生长原材料之外，对 晶体的结构、晶体的生长方法和晶体的性质进 行研究是晶体生长研究的重点。由此可见：研 究晶体生长必然以
• 目前在350多种基质晶体和20多种激活离子 的约70个跃迁波段上实现了受激发射。
Nd:YVO4 Crystal
Nd:YVO4 crystal is one of the most excellent laser host materials, it is suitable for diode laser-pumped solid state laser.
（2）非线性光学晶体
• 定义：
晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性 极化引起非线性光学效应。
• 目的：
是实现光频率的转化：由于非线性光学晶 体可以通过其倍频、和差、光参量放大和多光子吸 收等非线性过程改变入射光和发射光频率的变化。
KDP and DKDP crystals
KH2PO4 KD2PO4
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄 像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导 致晶体表面电荷的现象称为压电效应，这类 晶体为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压 元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶 体会发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图 象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着 外加场的变化发生如偏转、偏振面旋转等而 达到控制光传播的目的。这类晶体为电光晶 体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光 储存、光雷达和光计算机等。
第三章 晶体生长
• 晶体材料在功能材料中占有重要地 位，这是由于它具有一系列独特的 物理性能所决定的。
• 常见的晶体材料有：
晶体
激光晶体 电光晶体
非线性光学晶体 声光晶体
磁光晶体
热释电晶体
压电晶体 半导体晶体 X－射线分光晶体
闪烁晶体 薄膜晶体 光学晶体
（1）激光晶体
• 固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶 体。 早期的红宝石： (Al2O3:Cr3+) 目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)
• 应用：
核医学、核技术、空间物理等。
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm） 和绝缘体（1010 .cm ）之间的晶体为半导 体晶体。
• 应用：
声、光、电等。
（10）薄膜晶体
• 定义：
1m或以下厚度的晶体。
• 应用：
电子管和超大规模集成电路等。
（11）……晶体
• 除了以上谈到的晶体以外，尚有：铁电、 硬质、绝缘、敏感、热光、超导体、快 离子导体等等。
• 应用：
高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机 等。
（5）磁光晶体
• 定义：
当光通过组成原子有一定磁性的被磁性晶体 反射（克耳效应）或透射（法拉第效应）时，其偏 振面状况将发生变化，这类晶体为磁光晶体。
• 应用：
激光快速开关、调制器、循环器及隔离器； 计算机储存器等。
（6）热释电晶体
• 定义：
当温度发生变化时，晶体某一结晶学 方向上正负电荷相对重心位移而引起自发极 化效应，这类晶体为热释电晶体。
Potassium Dihydrogen Phosphate( KDP ) and Potassium Dideuterium Phosphate( DKDP ) are currently used for electro-optical modulation and frequency conversion. CORETECH KDP and DKDP have high nonlinear coefficient and high optical damage threshold, and can be used electro-optical modulator, Q switches and shutters for high speed photography.
• 要wenku.baidu.com：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要 小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机 械和热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间 变化的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期 性变化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折 射率周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产 生声光相互作用。这类晶体为声光晶体。
晶体生长方法分类
溶液生长法
降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝
晶
胶等
体
生
熔液生长法
提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂
长
区熔，浮区，基座等
方
法
气相生长法
真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相
沉积等
固相生长法
高压，再结晶等
薄膜生长法
真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延， 液相外延，离子注入，LB膜等
（2）晶体物理
（3）晶体化学
为基础。
简言之：
生长工艺 生长理论
控制
晶体生长
生长方法 生长设备
形貌 缺陷
晶体物理
物性
应用
晶体化学
化学键 结构
相关系
组成
图 晶体学研究的基础内容及相互关系
1.4 材料科学研究与发展方向
（1）材料复合化
（2）纳米材料 （3）智能材料
非平衡材料
（4）生物医学材料
（5）C60系列材料
3-1 晶体生长的理论基础
1.晶体生长的一般方法
• 晶体是在物相转变的情况下形成的。 • 物相有三种，即气相、液相和固相。 • 由气相、液相固相时形成晶体， • 固相之间也可以直接产生转变。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（0.17m）到中红外 （5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
2. 晶体生长方法发展动向
完整性 杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等
晶
体
生
利用性 大尺寸、异形、薄膜等
长
技
术 发
功能性 极端条件下生长，结构、组织的控制生长
展
动
向
重复性 自动化，程序化，原材料规范化等
3. 晶体生长研究方法
晶体生长研究方法同其它材料的研究方法 相同，除了严格控制晶体生长原材料之外，对 晶体的结构、晶体的生长方法和晶体的性质进 行研究是晶体生长研究的重点。由此可见：研 究晶体生长必然以
• 目前在350多种基质晶体和20多种激活离子 的约70个跃迁波段上实现了受激发射。
Nd:YVO4 Crystal
Nd:YVO4 crystal is one of the most excellent laser host materials, it is suitable for diode laser-pumped solid state laser.
（2）非线性光学晶体
• 定义：
晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性 极化引起非线性光学效应。
• 目的：
是实现光频率的转化：由于非线性光学晶 体可以通过其倍频、和差、光参量放大和多光子吸 收等非线性过程改变入射光和发射光频率的变化。
KDP and DKDP crystals
KH2PO4 KD2PO4
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄 像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导 致晶体表面电荷的现象称为压电效应，这类 晶体为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压 元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶 体会发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图 象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着 外加场的变化发生如偏转、偏振面旋转等而 达到控制光传播的目的。这类晶体为电光晶 体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光 储存、光雷达和光计算机等。
第三章 晶体生长
• 晶体材料在功能材料中占有重要地 位，这是由于它具有一系列独特的 物理性能所决定的。
• 常见的晶体材料有：
晶体
激光晶体 电光晶体
非线性光学晶体 声光晶体
磁光晶体
热释电晶体
压电晶体 半导体晶体 X－射线分光晶体
闪烁晶体 薄膜晶体 光学晶体
（1）激光晶体
• 固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶 体。 早期的红宝石： (Al2O3:Cr3+) 目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)
• 应用：
核医学、核技术、空间物理等。
（9）半导体晶体
• 定义：
电阻率处于导电体（10 - 5 .cm） 和绝缘体（1010 .cm ）之间的晶体为半导 体晶体。
• 应用：
声、光、电等。
（10）薄膜晶体
• 定义：
1m或以下厚度的晶体。
• 应用：
电子管和超大规模集成电路等。
（11）……晶体
• 除了以上谈到的晶体以外，尚有：铁电、 硬质、绝缘、敏感、热光、超导体、快 离子导体等等。
• 应用：
高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机 等。
（5）磁光晶体
• 定义：
当光通过组成原子有一定磁性的被磁性晶体 反射（克耳效应）或透射（法拉第效应）时，其偏 振面状况将发生变化，这类晶体为磁光晶体。
• 应用：
激光快速开关、调制器、循环器及隔离器； 计算机储存器等。
（6）热释电晶体
• 定义：
当温度发生变化时，晶体某一结晶学 方向上正负电荷相对重心位移而引起自发极 化效应，这类晶体为热释电晶体。
Potassium Dihydrogen Phosphate( KDP ) and Potassium Dideuterium Phosphate( DKDP ) are currently used for electro-optical modulation and frequency conversion. CORETECH KDP and DKDP have high nonlinear coefficient and high optical damage threshold, and can be used electro-optical modulator, Q switches and shutters for high speed photography.
• 要wenku.baidu.com：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要 小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机 械和热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间 变化的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期 性变化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折 射率周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产 生声光相互作用。这类晶体为声光晶体。
晶体生长方法分类
溶液生长法
降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝
晶
胶等
体
生
熔液生长法
提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂
长
区熔，浮区，基座等
方
法
气相生长法
真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相
沉积等
固相生长法
高压，再结晶等
薄膜生长法
真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延， 液相外延，离子注入，LB膜等