浙大Lecture 1 晶体生长简介
晶体学中的晶体生长机理
晶体学中的晶体生长机理晶体生长是晶体学中的一个重要领域，研究晶体生长机理对于探索材料科学、地球科学、生物科学等方面都有着重要的意义。
晶体生长机理主要涉及晶体生长的基本原理、动力学规律、影响因素等方面，下面我们就一一进行深入探讨。
1.晶体生长的基本原理晶体是由无序的原子、分子或离子按一定的方式排列而成的，因此晶体生长就是把这些原子或分子有序地聚集到一起构建成晶体的过程。
不同的物种会在不同的条件下形成不同的结晶形态。
在晶体生长过程中，要满足一定的热力学和动力学条件，最终完成晶体形态的转化。
其中，热力学条件主要包括熔点、饱和溶解度、自由能等，而动力学条件则与晶体核形成、生长速率、晶面生长速率等因素有关。
2.晶体生长的动力学规律晶体生长的动力学规律可以根据各种动力学理论进行研究，如沉淀理论、界面扩散和溶液流体力学。
其中，沉淀理论是最基本的晶体生长理论，它认为晶体的生长是由过饱和度引起的，而沉淀物的形成则为晶体生长提供原料。
界面扩散指的是在固体和液体界面上，由于能量的差异，物质会发生扩散流动，从而促进晶体生长。
同时，溶液中也会存在着流体力学因素，如对流、振荡等，它们也会对晶体生长产生影响。
3.晶体生长的影响因素晶体生长过程中，影响晶体质量和形态的因素非常多。
其中，物理因素主要包括温度、溶液浓度、溶液pH值、气体压力等。
化学因素则与晶体的生长速率、晶体形态、晶体尺寸等方面有关。
此外，晶体生长还受到了生物、物理和地球环境等方面的影响。
在生物领域中，晶体生长被广泛应用于蛋白质晶体学领域，其中生物分子的晶体生长往往需要在理想的环境条件下进行。
而在地球科学领域中，晶体生长则被应用于岩石和矿物的研究中，通过分析矿物的生长环境，我们可以了解到地球历史的一些重要信息。
结论综上所述，晶体生长机理涉及了热力学、动力学、影响因素等许多方面。
了解晶体生长机理对于进一步发展晶体技术和探索材料科学等领域都有着重要的意义。
在未来的研究中，我们还需要结合材料科学、生物学、地球科学等领域中的问题，深入探讨晶体生长的规律和机制。
【浙江大学 晶体生长基础】Lecture 1 晶体生长简介
2020/11/3
压电晶体：通过压缩或拉伸使晶体极化，导致晶体表面荷电 的现象称为压电效应。具有这种性质的晶体则称为压电晶体。
压电晶体主要用于制作滤波器、谐振器、光偏转器、声 表面波换能器、各种测压元件等。 声纳、雷达
常用的压电晶体有：SiO2、NH4H2PO4、KH2PO4、 铌酸锂、钽酸锂等。
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X 酒石酸钾钠晶体
半导体晶体：是一类具有特殊导电性能的功能材料，电 阻率处于导体电阻率（10－5欧厘米以下）和绝缘体电 阻率（ 1010欧厘米以上）之间的晶体材料。半导体的 电阻率对其杂质含量、环境温度以及光照等外界条件有 非常高的灵敏度－与其特殊的电子能带结构有关。
大尺寸钨酸铅晶体 高能物理探测器
2020/11/3
磷酸钛氧钾
(KTP ）
钛酸钡单晶系列
压电和铁电领域内的一种优 秀的无铅环保型单晶材料
硼酸铯锂（CLBO） 非线性光学器件、紫外
倍频晶体
非线性光学晶 体、红外倍频 器
人工晶体的地位和作用
• 电子材料
绝大部分是人工晶体 硅单晶——集成电路的基础，电子工业的“粮食” GaAlN、AlGaAsP——RF材料 水晶——压电、光学材料（水热法合成人工水晶3000t/年）
• 《人工晶体——生长技术、性能与应用》，张玉龙 唐磊 主编， 化学工业出版社 （2005）
晶体生长简介
总之，是设计出一些方法让晶体生长得完好。每个晶体所适 合的方法不同。
提拉法
水热法
四、决定晶体生长形态的内因
1．布拉维法则(law of Bravais)： 晶体上的实际晶面往往平行于面网密度大的面网 。 为什么？ 面网密度大—面网间距大—对生长质点吸引力小—生 长速度慢 生长速度慢—在晶形上保留 生长速度快—尖灭
布拉维法则图示
2．PBC（周期性键链）理论：
晶面分为三类： F面(平坦面，两个PBC)， 晶形上易保留。 S面(阶梯面，一个PBC), 可保留或不保留。 K面(扭折面，不含PBC), 晶形上不易保留 。
3．居里-吴里弗原理（最小表面能原理）：
晶体上所有晶面的表面能之和最小的形态最稳定。 ************
一、成核
成核是一个相变过程，即在母液相中形成固相小 晶芽，这一相变过程中体系自由能的变化为： ΔG=ΔGv+ΔGs 式中△Gv为新相形成时体自由能的变化，且△Gv＜ 0, △GS为新相形成时新相与旧相界面的表面能，且 △GS＞0。 也就是说，晶核的形成，一方面由于体系从液相 转变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降，另 一方面又由于增加了液 - 固界面而使体系自由能升 高。
2．螺旋生长理论模型（BCF理论模型）
该模型认为晶面上存在 螺旋位错露头点可以作为 晶体生长的台阶源，可以对 平坦面的生长起着催化作用， 这种台阶源永不消失，因此 不需要形成二维核，这样便 成功地解释了晶体在很低过 饱和度下仍能生长这一实验 现象。
螺旋生长过程
这两个模型有什么联系与区别？ 联系：都是层层外推生长； 区别：生长新的一层的成核机理不同。
2螺旋生长理论模型bcf理论模型该模型认为晶面上存在螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台阶源可以对平坦面的生长起着催化作用这种台阶源永不消失因此不需要形成二维核这样便成功地解释了晶体在很低过饱和度下仍能生长这一实验现象
晶体生长理论及其应用
晶体生长理论及其应用晶体在日常生活中无处不在，从家具上的水晶饰品到微处理器芯片，晶体都起着至关重要的作用。
晶体的实际应用需要通过掌握晶体生长的基本原理，使其品质得以提高，从而提高其应用性能。
晶体生长的基本原理晶体生长是指从固态或液态中将单一或复杂的化合物、元素或合金排列成一定结构并并定向生长，最终形成具有良好晶体结构的物质。
晶体生长依赖于物质分子间的相互作用力。
这些力可以近似地描述为分子间键的力。
晶体稳定性可从它们表面和周围环境的化学反应率来推断。
在晶体生长中，物质粒子从溶液或气体的界面处被吸附并形成新的晶体表面。
此过程中，分子间距离增加，而多面体结构的晶体表面能量则随之降低。
这种过程是可逆的，即晶体表面吸附的物质可在适当的条件下溶解。
晶体生长应用生长高纯度晶体是许多技术领域的一个重要问题。
为了保障晶体品质的重复性和稳定性，需要控制在生长过程中的密度和速度。
因此，对晶体生长机理的研究，能够提高晶体的生长速率和结构表现，并能够建立晶体生长的多个参数之间的关系。
研究显示，普通的晶体生长方法在高产量和生长质量方面存在很大局限性。
因此，许多新的生长方法和技术正在被开发。
一些新兴的晶体生长方法如电化学、电泳沉淀和喷雾干燥等能够提高生长速率、提高纯度、减少缺陷。
另外，通过研究晶体生长机制，一些新型的功能晶体和超硬晶体也被制造出来。
例如，尽管很难生长，但氮化硼晶体具有优异的物理特性。
氮化硼晶体具有高硬度、高热稳定性和较高的折射率。
这些物性使其成为重要的工业原料，用于制造磨料、切割工具、防弹材料和光学透镜。
此外，一些晶体生长技术还被广泛应用于生物医学、电子学和能源领域，如肿瘤治疗、生物芯片和太阳电池等。
在生物医学方面，人类组织需要一种有效的培养技术，以便生长新的组织。
这就需要合适的支架来支撑新组织的生长。
晶体生长方法可生产出高品质的生物聚合物薄膜，在人类组织移植和细胞培养方面具有很大的潜力。
总之，晶体生长理论的研究和应用，为各个领域提供了很多发展机会。
晶体生长理论1
晶体生长理论1晶体生长理论特征表面的光滑与否是和晶体结构、材料特征、晶面取向以及温度等因素有关。
P.哈特曼提出的周期键理论在于根据晶面中周期性键链数来确定其光滑的程度。
更属物理的理论则是建立在晶面的统计力学基础上。
K.A.杰克孙的理论阐明相变熵与表面光滑性的关系；伯顿与卡布雷拉的理论指出在一定的临界温度，表面可能发生光滑－粗糙转变。
近年来对这些问题有更加深入的理论探讨，而且，晶面的计算机模拟直观地再现了过去的理论设想，并且推广到非平衡的状态。
晶体生长的输运理论及形态稳定性晶体生长在空间上是不连续的过程，结晶只发生在固体－流体界面上。
在流体和固体内部都存在热量和质量输运过程。
这一类型的输运问题通常可以采用宏观物理学的方法来处理，即化为边界条件下偏微分方程的求解。
当然这种边值问题是有其特殊性的,即随着晶体的长大,边界在移动。
早在1891年J.斯忒藩首先处理了极区冰层长厚的问题，所以这类问题被称为斯忒藩问题。
斯忒藩问题的外部边界条件应模拟生长系统的实际情况。
能求出解析解的仅限于少数简单的几何形状的情况。
在流体相中传热和传质可以通过对流来实现，因而流体中的热传导与溶质扩散往往局限于固液界面处的边界层中。
这样，就可以将流体力学的边界层理论引用到相应的斯忒藩问题之中。
但晶体生长的流体效应亦有其复杂的一面，特别是牵涉到流动的失稳和非稳态流动等问题。
要进行确切的理论计算极其困难，因而往往求助于模拟性的实验或晶体生长层的剖析。
重要问题在晶体生长形态学中还有一个重要问题，就是形态的稳定性：具体来说，就是生长界面是否能够持续地保持下去。
有些界面虽然能够满足斯忒藩问题的解，但实际上却并不出现，因为这种界面对于干扰是不稳定的。
设想某一平界面在某瞬时受到干扰，使界面局部突出。
它随时间的演变将有两种可能性：一是干扰的振幅逐渐衰减，最终界面恢复原状，表明原界面是稳定的；另一种情况是干扰振幅逐渐增大，则表明原来的平界面是不稳定的，可能转化为凹凸不平的胞状界面，或甚至于发展为枝晶(den-drites)。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体是由原子、离子或分子排列成有序的三维结构，具有特定的形状和大小。
晶体结构的形成是一个复杂的过程，需要满足一定的条件和原则。
晶体生长原理是研究晶体形成过程的基本原理和规律。
晶体生长的基本原理是在液态或气态中，原子、离子或分子以一定的方式排列形成有序的晶体结构。
晶体生长的过程可以分为三个阶段：核心形成、生长与成长。
在核心形成阶段，原子、离子或分子聚集形成一个小晶核，其大小和形状取决于物质的浓度、温度和晶体的种类等因素。
在生长阶段，晶体的生长速度与溶液中的物质浓度、温度、压力、扰动等因素有关。
在成长阶段，晶体形态和大小基本稳定，晶体内部结构和晶面的形态也基本固定。
晶体生长的原则包括热力学原则、动力学原则和几何原则。
热力学原则是指晶体生长遵循平衡态热力学规律，物质从高浓度区域向低浓度区域扩散，同时热力学稳定性越高的结构越容易形成。
动力学原则是指晶体生长遵循非平衡态动力学规律，物质的扩散速率受到流体动力学、传质、传热等因素的影响。
几何原则是指晶体生长遵循几何学原则，晶体的形态受晶面对称性和界面能等因素的影响，晶体的生长方向和晶面的生长速度也受到相应的限制。
晶体生长的条件包括物质的浓度、温度、压力、流体动力学等因素。
物质的浓度是晶体生长的基本条件之一，过高或过低的浓度都会影响晶体的生长。
温度也是影响晶体生长的重要因素，温度过高或过低都会影响晶体生长。
压力是晶体生长的另一个重要因素，高压下晶体生长速度更快，而低压下晶体生长速度较慢。
流体动力学是晶体生长过程中的另一个重要因素，流体动力学的扰动可以影响晶体生长的方向和速度。
晶体生长的研究对于材料科学、化学、生物学等领域具有重要意义。
通过对晶体生长的深入研究，可以探索材料的性质和结构，研究生命体系的基本规律，提高生产效率，开发新的材料和技术。
晶体生长理论综述
晶体⽣长理论综述综述晶体⽣长理论的发展现状1前⾔晶体⽣长理论是⽤以阐明晶体⽣长这⼀物理化学过程。
形成晶体的母相可以是⽓相、液相或固相；母相可以是单⼀组元的纯材料，也可以是包含其他组元的溶液或化合物。
⽣长过程可以在⾃然界中实现，如冰雪的结晶和矿⽯的形成；也可以在⼈⼯控制的条件下实现，如各种技术单晶体的培育和化学⼯业中的结晶等。
近⼏⼗年来，随着基础学科(如物理学、化学)和制备技术的不断进步，晶体⽣长理论研究⽆论是研究⼿段、研究对象，还是研究层次都得到了很快的发展，已经成为⼀门独⽴的分⽀学科。
它从最初的晶体结构和⽣长形态研究、经典的热⼒学分析发展到在原⼦分⼦层次上研究⽣长界⾯和附加区域熔体结构，质、热输运和界⾯反应问题，形成了许多理论或理论模型。
当然，由于晶体⽣长技术和⽅法的多样性和⽣长过程的复杂性，⽬前晶体⽣长理论研究与晶体⽣长实践仍有相当的距离，⼈们对晶体⽣长过程的理解有待于进⼀步的深化。
可以预⾔，未来晶体⽣长理论研究必将有更⼤的发展[1]。
2晶体⽣长理论的综述⾃从1669年丹麦学者斯蒂诺(N.Steno)开始晶体⽣长理论的启蒙⼯作以来[2]，晶体⽣长理论研究获得了很⼤的发展，形成了包括晶体成核理论、输运理论、界⾯稳定性理论、晶体平衡形态理论、界⾯结构理论、界⾯动⼒学理论和负离⼦配位多⾯体模型的体系。
这些理论在某些晶体⽣长实践中得到了应⽤，起了⼀定的指导作⽤。
本⽂主要对晶体平衡形态理论、界⾯⽣长理论、PBC理论、晶体逆向⽣长等理论作简要的介绍。
2.1晶体平衡形态理论晶体具有特定的⽣长习性，即晶体⽣长外形表现为⼀定⼏何形状的凸多⾯体，为了解释这些现象，晶体⽣长理论研究者从晶体内部结构和热⼒学分析出发，先后提出了Bravais法则、Gibbs-Wulff晶体⽣长定律、Frank运动学理论。
2.1.1Bravais法则早在1866年，A.Bravais⾸先从晶体的⾯⽹密度出发，提出了晶体的最终外形应为⾯⽹密度最⼤的晶⾯所包围，晶⾯的法线⽅向⽣长速率R 反⽐于⾯间距，⽣长速率快的晶⾯族在晶体最终形态中消失[3]。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。
晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域，对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。
晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识，在实际应用中也有着广泛的应用价值。
晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面：1. 原子或分子的扩散。
晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。
这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。
原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。
2. 晶体表面的吸附和解吸。
当原子或分子到达晶体表面时，它们会发生吸附和解吸的过程。
吸附是指原子或分子附着在晶体表面，解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。
吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性，进而影响晶体生长的速率和形貌。
3. 晶体生长的动力学过程。
晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程，以及晶体内部的结构调整和排列。
这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响，对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。
4. 晶体生长的形貌控制。
晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。
在实际应用中，通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件，可以实现对晶体生长形貌的控制，获得特定形状和尺寸的晶体。
总的来说，晶体生长是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。
在实际应用中，通过深入研究晶体生长的原理，可以实现对晶体生长过程的控制，获得具有特定形貌和性能的晶体材料，为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。
同时，对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律，对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。
晶体生长ppt
晶体缺陷与晶体的物理性质之间存在密切关系。例如，位错 密度越高，材料的强度和韧性越差；空位浓度越高，材料的 导电性越差等。通过对晶体缺陷的控制和优化，可以改善材 料的性能。
03
晶体生长的化学基础
化学键与晶体结构
共价键
01
共价键是原子间通过共享电子对而形成的强相互作用力，它决
定了晶体的结构和化学性质。
固相生长是指通过固态物质之间的反应或扩散过 程，形成新的固态晶体的过程，包括机械研磨法 、热压烧结法等。
晶体生长的应用
1
晶体生长在材料科学和物理学领域具有广泛的 应用价值，如制备高性能材料、制造光学器件 、制备半导体材料等。
2
在能源领域，晶体生长技术也被广泛应用于太 阳能电池、燃料电池等新能源器件的制造过程 中。
04
晶体生长方法
气相生长法
物理气相沉积法
包括真空蒸发、激光烧蚀等，通过 在真空中蒸发原料，使原料原子或 分子沉积在基底表面形成晶体。
化学气相沉积法
通过化学反应的方式，使用气体原 料在基底表面形成晶体。
气相生长法的优点
可以生长出高质量、大尺寸的单晶 ，同时具有高沉积速率。
气相生长法的缺点
需要高真空设备，生产成本较高， 且生长速度较慢。
3
同时，晶体生长技术还可以应用于生物医学领 域，如制备生物材料、药物传递等。
02
晶体生长的物理基础
晶体的结构与性质
晶体结构
晶体具有格子构造，原子或分子在空间中按照一定的规律重复排列。不同的 晶体结构具有不同的物理性质，如硬度、导电性、光学特性等。
晶体对称性
晶体具有对称性，即晶体的形状和内部结构可以在空间中重复出现。这种对 称性也影响了晶体的物理性质。
材料科学中的晶体生长理论与技术
材料科学中的晶体生长理论与技术进入21世纪以来，随着科技的不断进步，材料科学成为一个越来越重要的领域。
晶体生长理论和技术更是材料科学中最重要的方面之一。
本文就探讨晶体生长理论和技术的相关内容。
一、晶体生长理论晶体生长是指在水或其他适当溶解液中，将溶解的原料分子和原先已经结晶的晶粒加热至临界温度，然后使其在熔体中重新结晶形成新的单晶，这个过程就是晶体生长。
晶体生长理论主要包括两个方面：核生成和晶面生长。
1.核生成晶体生长的核生成过程是指在溶液或熔体中形成一个小的晶体颗粒。
对于凝聚态物质，一般晶体在生长之前都是先形成核。
核的形成是一个动力学过程，它涉及到体系的热力学和动力学特性。
晶体生长是从正常的物态向有序的晶体物态转化，因此核的生成是这个转化的初期阶段，它对于整个过程是至关重要的。
2.晶面生长晶面生长是一种以晶体表面为基础的结晶生长方式。
晶面作为晶体生长过程的基础，其构成元素是“原子层面”，形成时它必须具备一定的“晶格结构”，这种结构又称为“晶面构造”。
晶面构造是晶体生长中非常重要的结构，因为它决定了晶体的结晶方向、晶格常数以及合成材料的性质。
二、晶体生长技术随着晶体生长理论的不断发展，伴随而来的是各种晶体生长技术的不断出现。
这些技术可以大致分为以下几大类。
1.质量曲线法质量曲线法是一种依据晶体生长过程中质量与温度的关系研究晶体生长的方法。
这种方法涉及到温度变化的实验，实验结果可以通过相对应的质量曲线来表述。
利用这种方法可以了解晶体生长过程中晶面扩散的机制和动力学参数。
2.气相扩散法气相扩散法是指利用气相中的物质沉积在正在生长的晶体表面上来做成晶体的方法。
这种方法有着较好的控制能力和生长条件，可以生长出高纯度、高质量的单晶。
3.溶液法溶液法是指在溶液中直接生长出单晶的方法。
这种方法较为简单，操作容易，可以生长出高品质的晶体。
溶液法是目前用得最广泛的方法之一。
4.熔岩法熔岩法是指将熔态物质缓慢降温，使其结晶成晶体。
晶体学中的晶体生长机理及控制技术
晶体学中的晶体生长机理及控制技术晶体是由分子、离子、原子等有序排列形成的固体物质，其在现代科学和工业生产中具有广泛应用。
晶体学是研究晶体性质和构造的科学，而晶体生长机理及控制技术则是晶体学中一个非常重要的领域。
一、晶体生长机理晶体的生长过程是非常复杂的，在这个过程中会涉及到多种因素的影响。
晶体的生长可以分为自然生长和人工生长两种。
1、自然晶体生长机理自然晶体生长机理一般指矿物晶体的自然生成和自然生长过程。
这类晶体的生长机理主要由地质环境和化学因素所影响，其形成过程中会涉及到多种因素，如蒸发、降水、氧化等。
2、人工晶体生长机理人工晶体生长机理则是指将某种化合物，通过特定的条件下，形成一定的晶体结构。
这类晶体的生长过程一般是通过晶体生长压力、温度、浓度、PH值、添加剂等因素的调控来实现的。
二、晶体生长控制技术晶体生长控制技术是指通过外界的控制手段，调节晶体生长过程中的各种因素，以达到获得理想晶体的目的。
1、温度控制温度是影响晶体生长的一个重要因素，其通过控制晶体液体中的分子运动以及原子固定的规律，影响晶体的生长和晶格的稳定。
晶体生长过程中的温度变化可能会导致晶体生长速度的改变和晶体结构的变异。
2、PH值控制PH值也是影响晶体生长速度的一个重要的控制因素，通过控制晶体溶液中H+、OH-离子的浓度，调节晶体生长速度和质量。
PH值控制可以通过添加酸碱度调节剂来实现。
3、添加剂控制添加剂是控制晶体生长过程的另一个关键因素。
添加剂的作用是在晶体生长过程中，将其它物质加入晶体溶液中，以增加溶液中的物质数量和改变溶液性质，从而影响晶体生长速度和晶体的稳定度。
4、电磁辐射控制电磁辐射技术是通过电磁波的波长、强弱、频率等特性，对晶体进行生长和改造的技术。
电磁辐射控制技术可以有效的影响晶体生长和结构，从而实现对晶体性能的调节与提升。
5、机械辅助控制机械辅助控制技术是通过将晶体生长过程置于一定的机械压力或固态环境中，从而影响晶体结构和长大速度的技术。
晶体生长原理
晶体生长原理晶体生长是指晶体在特定条件下不断增大并形成完整的晶体结构的过程。
晶体生长原理是研究晶体在生长过程中所遵循的物理、化学规律的科学。
晶体生长原理的研究对于材料科学、地质学、生物学等领域具有重要的理论和应用价值。
在晶体生长过程中，晶体的生长是由物质的输运和晶体结构的重组两个基本过程相互作用而完成的。
物质的输运是指溶液中溶质分子向晶体表面扩散并吸附到晶体表面的过程。
晶体结构的重组是指晶体表面吸附的溶质分子在晶体表面扩散并与晶体内部的原子或离子结合形成晶体结构的过程。
这两个过程相互作用，共同决定了晶体的生长速率和形态。
晶体生长的速率与溶液中溶质的浓度、温度、溶液的流动状态、溶质分子的大小等因素密切相关。
一般来说，溶液中溶质浓度越高，晶体生长速率越快。
而温度的升高会加快晶体生长速率，溶液的流动状态也会影响晶体生长速率。
此外，溶质分子的大小也会影响晶体的形态，大分子溶质会抑制晶体的生长，而小分子溶质则有利于晶体的生长。
晶体生长的形态是指晶体在生长过程中所呈现的外形特征。
晶体的形态受到晶体结构和生长条件的影响。
晶体生长的形态包括晶体的外形、表面形貌和晶体的内部结构。
晶体的形态对于晶体的性质和应用具有重要影响，因此对晶体生长的形态进行研究具有重要的科学意义和应用价值。
总的来说，晶体生长原理是一个复杂而又有趣的科学问题。
通过对晶体生长原理的深入研究，不仅可以揭示晶体生长的规律，还可以为材料制备、生物学研究等领域提供理论支持和技术指导。
因此，对晶体生长原理进行深入的研究具有重要的意义，也是当前科学研究的热点之一。
希望通过不断的努力和探索，能够更好地理解晶体生长原理，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
材料科学中的晶体生长和膜技术
材料科学中的晶体生长和膜技术在现代材料科学中，晶体生长和膜技术是两个重要的领域。
它们可以应用于许多不同的领域，如电子学、光学、生物学和能源等。
由于它们的广泛应用，人们对晶体生长和膜技术的研究越来越深入和广泛。
一、晶体生长晶体是由有序排列的原子组成的，它们有独特的结构和性质。
晶体生长是指晶体中原子或分子的有序组装，形成具有良好结晶质量的晶体。
晶体生长现象在材料学和物理学中被广泛研究。
晶体生长技术是一种能够控制晶体大小、形状和结构的技术。
这种技术可应用于制备半导体、生物学和医学领域等。
在材料科学领域，晶体生长技术通常用于制备高质量的半导体晶体，以及其他具有良好结晶质量的材料。
晶体生长技术包括化学气相沉积法、溶液法、凝胶法、物理气相沉积法等。
在这些方法中，溶液法和化学气相沉积法是最常用的方法。
溶液法可用于制备大多数晶体，而化学气相沉积法则适用于制备半导体晶体。
二、膜技术膜技术是另一个材料科学领域中的重要技术。
它是一种将薄膜应用于各种领域的技术。
在电子学、光电子学、传感器和生物学等领域中，膜技术是一种可以控制材料结构和性质的有效手段。
膜技术是基于薄膜的制备。
一种常见的薄膜制备方法是物理气相沉积法。
这项技术利用高速的离子或分子束来沉积物质在基底上，形成微米或纳米级的薄膜。
此外，还有电化学法、溶液法和化学气相沉积法等方法。
在膜技术中，薄膜的性质和微结构非常重要。
薄膜的厚度和化学成分可以影响其性质和应用。
例如，如果一个薄膜被设计用于光电子学，那么它就需要有非常高的光学透射率，并且不受环境的干扰。
在生物学和医学领域中，膜技术被广泛应用于制备分子筛、人造器官、药物输送系统等。
这些应用需要薄膜有特定的化学反应和选择性。
三、晶体生长和膜技术的结合晶体生长和膜技术通常结合在一起，以制备具有特定结构和性质的材料。
这种结合可以获得一些具有特殊功能和性能的薄膜。
例如，晶体与有机分子结合可以形成光学薄膜，其具有非常高的透光率和折射率。
晶体生长理论与技术
晶体生长理论与技术晶体生长是一门研究晶体形成过程的学科，也是物质科学中重要的分支之一。
在实际应用中，晶体生长技术在材料制备、生物医学、光电材料等领域都有着广泛的应用。
晶体的形成需要先有一个晶核，在适当的条件下晶核会不断生长并逐渐形成完整晶体。
晶体的生长过程受很多条件的影响，其中包括温度、压力、化学成分和生长速率等。
在理论上，晶体生长的过程可以使用热力学原理进行描述和计算，但是实际的晶体生长过程更加复杂。
实际上，晶体生长更多的是一门实践性科学。
为了解决晶体生长过程中的一些问题，晶体生长技术应运而生。
晶体生长技术是指通过某种方法和控制手段来控制晶体生长的过程，以获得所需的晶体产物。
晶体生长技术分为有机晶体、无机晶体两类。
其中，有机晶体生长技术多用于生产复杂的有机化合物，如制药、色谱分析等领域，无机晶体生长技术则被广泛用于制备半导体晶体、光电材料、微型芯片等等。
晶体生长技术可以通过多种途径进行实现，例如，自然生长、液体化学沉积等。
在人工晶体生长过程中，常用的生长方法有大气压水热法、低压水热法、气相生长法、熔体法、溶液生长法、气相输运法等，每种方法都有不同的应用场景和特点。
溶液生长法是最常用的晶体生长方法之一，它通常用于生长无机晶体。
溶液生长法的基本原理是将所需的材料混合在一起形成溶液，在合适的条件下控制晶体生长。
控制晶体的生长需要根据不同的晶体结构和性质进行调整溶液配方、生长条件等，以匹配晶体生长需要的各种条件。
在晶体生长过程中，常见的问题是晶核的形成和控制。
晶核是晶体生长的开始，一旦晶核形成，晶体生长的速度就会逐渐加快直至完整晶体形成。
因此，晶核的形成过程对晶体生长过程起着举足轻重的作用。
对于一些需要控制生长方向的晶体，如某些单晶材料，需要进行特殊处理。
此外，晶体生长技术在微电子制造领域也有广泛的应用。
微电子制造通常需要用到高纯度的晶体材料，这种需求在制造高性能电子器件的需要需要体现。
在制备微电子器件时，晶体生长技术可以解决材料纯度问题，从而保证器件性能的稳定性和可靠性。
晶体生长理论
界面生长理论
粗糙界面模型：1959年，K．A．Jackson认为 晶体生长的界面为单原子层，且单原子层中所 包含的全部晶相与流体相原子都位于晶格位臵 上，并遵循统计规律分布。
界面生长理论
弥散界面模型：1966年，D．E．Temkin提出， 界面由多层原子构成，在平衡状态下，可根据 界面相变熵大小推算界面宽度，并可根据非平 衡状态下界面自由能变化，确定界面结构类型。
晶体生长方法
• 气相法
• 缺陷分类 • 点缺陷 • 线缺陷 • 面缺陷
晶体缺陷
• 体缺陷 • 其它缺陷
晶体生长理论
就像其他的物理过程一样，晶体生长也有其内在的规律。研 究晶体生长，就是研究天然晶体及人工晶体的产生、成长和变化的过 程与机理，探询控制和影响晶体生长的诸多因素，寻找更加适合晶体 生长的结晶条件，比如温度分布（温场）、气氛、组分浓度分布、压 力、溶液/熔体的流动、生长速度等。深入研究晶体生长的理论，掌 握晶体生长的内在规律，可以帮助我们获得现代科学技术所急需的晶 体材料。近几十年来，随着物理学、化学等基础学科和加工制备技术 的不断进步，晶体生长理论研究也得到了迅速的发展，成为一门独立 的分支学科。晶体生长理论已经从最初的研究晶体结构、和生长形态， 进行经典的热力学分析，发展到在微观层面研究晶体生长中的物质、 热量的输运、生长界面处液体/熔体的结构、界面反应等，并形成了 许多晶体生长的理论或模型。 晶体生长理论主要研究晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、 晶体生长条件四者之间的关系，以及晶体生长界面动力学问题两大方 面内容，目前，主要有晶体生长的热力学理论、层生长理论、 螺旋生 长理论、周期键链(PBC)理论、界面生长理论等。
晶体生长理论简介
从晶体平衡形态理论到负离子配位多面体生长 基元模型，晶体生长理论在不断地发展并趋于 完善，主要体现在以下几个方面：从宏观到微 观，从经验统计分析到定性预测，从考虑晶体 相到考虑环境相，从考虑单一的晶体相到考虑 晶体相和环境相。晶体生长的定量化，并综合 考虑晶体和环境相，以及微观与宏观之间的相 互关系是今后晶体生长理论的发展方向。
晶体生长简介
晶体⽣长简介⼀什么叫做晶体原⼦，分⼦或离⼦按照⼀定的规律周期性排列组成的固体。
⼆晶体⽣长的原理其原理基于物种晶相化学势与该物种在相关物相中化学势间准平衡关系的合理维持。
如在溶液中的晶体⽣长要求在平衡溶解度附近溶质有⼀定合宜的过饱和度。
三晶体⽣长过程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。
只有晶体才是真正的固体。
由⽓相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产⽣转变。
晶体⽣成的⼀般过程是先⽣成晶核，⽽后再逐渐长⼤。
⼀般认为晶体从液相或⽓相中的⽣长有三个阶段：①介质达到过饱和，过冷却阶段；②成核阶段；③⽣长阶段。
四晶体⽣长的特点 在单位时间内，单位体积中所形成的晶核的数⽬称成核速度。
它决定于物质的过饱和度或过冷却度。
过饱和度和过冷却度越⾼，成核速度越⼤。
成核速度还与介质的粘度有关，浓度⼤会阻碍物质的扩散，降低成核速度. 晶核形成后，将进⼀步成长。
五晶体⽣长的渊源历史（1）最早出现的⼈造晶体——⾷盐《演繁露》中记载有：“盐已成卤⽔，暴烈⽇中，即成⽅印，洁⽩可爱，初⼩渐⼤，或数⼗印累累相连。
”（2）银朱——⼈造⾠砂的制造李时珍引胡演的《丹药秘诀》说：“升炼银朱，⽤⽯亭脂⼆⽄，新锅内熔化。
次下⽔银⼀⽄，炒作青砂头。
炒不见星，研末罐盛，⽯板盖住，铁线缚定，盐泥固济，⼤⽕煅之，待冷取出。
贴罐者为银朱，贴⼝者为丹砂。
”这实际上是汞和硫通过化学汽相淀积⽽形成⾠砂的过程，称为“升炼”。
我们现在⽣长砷化镓⼀类的光电晶体，基本上还在⽤“升炼”的⽅法，这种⽅法我国在炼丹术时代就已经开始使⽤了。
（3）晶体⽣长的发展简史国际上：结晶学萌芽于17世纪，丹麦学者斯丹诺：晶⾯⾓守恒定律。
晶体⽣长⼤部分⼯作是从20世纪初期开始：焰熔法1902年⽔热法1905年提拉法1917年Pfann1952年发展了区熔技术1949年，英国法拉第学会举⾏了第⼀次关于晶体⽣长的国际讨论会，为以后发展晶体⽣长理论奠定了基础。
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功能材料
电子、激光、能源、信息、航天 等高新技术的基石
附加值高
晶体材料占主要地位
人工晶体
晶体生长属于材料科学并为其发展前沿 一些高新技术的发展，无一不和晶体材料密切相关。
2020/11/21
学、计算机、通信、勘测、探测、传感等设备仪器 研制生产的物质基础及核心原材料
✓取截距系数的倒数比1/p：1/q：1/r = h：k：l（为最
小整数比）；
✓去掉比号、以小括号括起来，写为(h k l)。
2020/11/21
举例：
如图晶面HKL，在X、Y、Z轴上的截距分别为2a、3b、6c ，截 距系数为2、3、6 ，其倒数比1/2：1/3：1/6 ，化整得3：2： 1 ，去掉比号并以小括号括起来，(321)即为所求米勒指数
这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波 混频、光束转向、图象放大、光信息处理、 光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗 及核聚变等研究领域。
2020/11/21
大尺寸KDP晶体
2020/11/21
利用光在通过某些加有外场（电场、超声场、磁场等）的 晶体时，光随外加场变化发生诸如偏转、强度变化、偏振 面旋转等而达到控制光传播的目的。因外加电场而使晶体 的折射率发生变化的晶体称为电光晶体。
体构造进行研究。 ● 严格的晶体定义：晶体是内部质点在三维空间
呈周期性重复排列的固体
2020/11/21
非晶 单晶
非晶：原子（分子）无规律，或短程有规律， 长程无规律
大块金属玻璃特性：高性能结构材料， 耐磨、耐腐蚀。功能材料，磁学、电学
单晶：一个晶核，没有晶界
特性：具有优越的性能、均 匀 性、各向 异性、固定熔点、规则外形、对 称 性
常用的声光晶体有：TeO2、PbMoO4等。
2020/11/21
磁光晶体：当光通过某些组成原子具有一定磁性的磁光晶体时， 被磁性晶体反射或透射后，其偏振面状态将发生改变（偏振面 发生旋转）。由反射而引起的偏振面旋转效应叫克尔效应。有 透射引起的偏振面旋转效应叫法拉第效应。
利用法拉第效应可以做成激光 快速开关、调制器、循环器及 隔离器；利用磁光效应还可制 成高存储密度的计算机存储器、 磁光偏转器等。
晶体生长基础
Fundamentals of Crystal Growth
张辉
2020/11/21
硅材料国家重点实验室
Tel: *** Email: *** FTP：10.18.2.168
个人简介
材料科学与工程学院，教授 研究方向：纳米晶生长及新能源、微量探测应用
Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7656
• 《晶体生长的物理基础》，闵乃本著， 科学技术出版社 （1982）
• 《人工晶体——生长技术、性能与应用》，张玉龙 唐磊 主编， 化学工业出版社 （2005）
• 《Crystal Growth Technology》，John Wiley，Hans J.Scheel and Tsuguo Fukuda, 2003.
2020/11/21
人工晶体的分类
1、激光晶体： 绝大多少固体激光器的工作物质都是晶体材料 2、非线性光学晶体； 3、电光晶体； 4、声光晶体 5、磁光晶体； 6、 热释电晶体：红外报警、夜视仪 7、压电晶体； 8、闪烁晶体； 9、半导体晶体 10、薄膜晶体； 11、X射线分光晶体 12、光学晶体
2020/11/21
激光晶体：固体激光器是目前使用最多的激光器之一。绝 大多数固体激光器的核心（或称工作物质）是晶体材料
一类是在基质晶体中掺入激活离子。激 活离子作为“发光中心”，它决定激光 发射的波长，基质晶体则是激活离子的 “载体”并为其提供合适的晶格场。 常用的激活离子：过渡金属Cr3+、三价 稀土离子Nd3+等 红宝石Al2O3:Cr3＋、钛宝石Al2O3:Ti3＋、 YVO4:Nd3+等 另一类是化学计量激光晶体。这种晶 体的激活离子就是晶体本身的组分之一。 适用于制作高效率、低阈值、小功率的 微型激光器。如：NdP5O4、LiNdP4O12、 NdAl(BO3)4等
2020/11/21
References for Crystal Growth
1. Nature 2. Science 3. ACS 4. Wiley 5. RSC 6. AIP 7. Elsevier
2020/11/21
Ch1 晶体生长简介 Introduction to Crystal growth
常用的热释电晶体有：碲镉汞 (CdHgTe)、钽酸锂 (LiTaO3) 等。
2020/11/21
压电晶体：通过压缩或拉伸使晶体极化，导致晶体表面荷电 的现象称为压电效应。具有这种性质的晶体则称为压电晶体。
压电晶体主要用于制作滤波器、谐振器、光偏转器、声 表面波换能器、各种测压元件等。 声纳、雷达
常用的压电晶体有：SiO2、NH4H2PO4、KH2PO4、 铌酸锂、钽酸锂等。
声光晶体：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。当光通过折射率发生周期变化 的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声光相互作用。
用声光晶体制成的声光偏 转器可用于激光束扫描系 统，如高速激光印刷系统、 激光雷达、光计算机等； 声光调制器可用于光通讯、 光信息处理；声光Q开关用 于声光调Q激光器、声光锁 模器件等。
➢晶体、晶体生长 ➢人工晶体晶体生长科学 ➢晶体生长理论发展历史 ➢晶体生长技术发展历史 ➢晶体生长现状及发展动力
2020/11/21
*** 晶体、晶体生长
天然晶体
非洲之星
2020/11/21
Hope Blue
猛犸梯田
2020/11/21
牵牛花池 三棱镜温泉
人工晶体
Si
ZnO
GaN
2020/11/21
SiC
天然晶体和人 工晶体的区别？
天然晶体和人工晶体的区别
✓有意识的特定用途晶体的研发和生长
✓特定的生长方法
✓生长周期
✓晶体大小
✓晶体形状
✓价值
什么是晶体？
2020/11/21
晶体
对晶体的认识始于外部形态的观察。 ● 晶体的传统定义：外形具有规则几何多面体形状的固体。 ● 传统定义没有揭示晶体的本质特点。 ● 对晶体本质的揭示始于1912年应用X射线对晶
2020/11/21 Homepage：***
2020/11/21
主要内容
• 晶体生长简介 • 晶体生长方法介绍 • 晶体生长热力学基础 • 成核理论 • 输运理论 • 界面稳定性 • 界面运动学与动力学 • 纳米材料的生长（新）
• …………..
• 《晶体生长基础》，姚连增著， 中国科学技术大学出版社 （1995）
距OX0、OY0、OZ0；
✓作OX0/a：OY0/b：OZ0/c = u：v：w（最小整数比）； ✓去掉比号，加中括号，[u v w]即为晶向符号
2020/11/21
现代文明和生活的三大支柱
新工业革命的支柱、基础
信息
能源
2020/11/21
材料
晶体、人工晶体
新材料技术与晶体
新材料的发展是新技术发展的重要标志
大尺寸钨酸铅晶体 高能物理探测器
2020/11/21
磷酸钛氧钾
(KTP ）
钛酸钡单晶系列
压电和铁电领域内的一种优 秀的无铅环保型单晶材料
硼酸铯锂（CLBO） 非线性光学器件、紫外
倍频晶体
非线性光学晶 体、红外倍频 器
人工晶体的地位和作用
• 电子材料
绝大部分是人工晶体 硅单晶——集成电路的基础，电子工业的“粮食” GaAlN、AlGaAsP——RF材料 水晶——压电、光学材料（水热法合成人工水晶3000t/年）
当今微电子、光电子工业的核心材料
常用的半导体晶体有：除锗单晶、硅单晶外，第二代 半导体材料III－V族化合物，如GaAs、GaP等单晶、三 元或多元化合物的半导体晶体材料。
2020/11/21
1947, Bardeen et al.
光在晶体中的传播特性主要与光 的折射率有关，外场的变化将影 响与折射率有关的量。这些晶体 的利用促进了光通讯、光开关、 大屏幕显示、光存储、光雷达、 光计算机等新技术的发展。
目前使用得较多的电光晶体有： KD2PO4、KTaO3、BaTiO3、 LiTaO3、LiNbO3等。
2020/11/21
铌酸锂晶体
• 光电子材料
化合物半导体——光电子材料主体 （GaN LED）
• 光子材料
YVO4、KTP、BBO、LBO、LNO
• 紫外、深紫外非线性光学晶体
LBO、Nd：YAG、CLBO
2020/11/21
晶体在生活中作用分布
电子材料 绝大部分是人工晶体
20000t single crystals were produced in year 1999 and their approximated distribution in the different fields of applications
常用的磁光晶体有：EuX (X=O，S，Se，Te等)、偏 铁酸钇 (YFeO3)、钇铁石榴 石 (Y3Fe5O12)、钆镓石榴石 (Gd3Ga5O15)等。
2020/11/21
热释电晶体：在温度变化时，某些晶体由于结构 上的非对称性，能在某一结晶学方向上引起正负 电荷重心的相对位移，改变其自发极化状态，从 而在该方向两边产生数量相等、符号相反的束缚 电荷。具有这种性质的晶体称为热释电晶体。 利用晶体的热释电效应，可以制成红外热释电探测 器、红外热释电摄像管等。广泛应用于大气温度测 量、红外探测、红外报警仪、夜视仪、入侵报警、 红外预警卫星等各个领域。