《晶体材料制备原理与技术》课后思考题解答

第一章思考题：

1、什么是单晶体、多晶体和非晶体？结构上有何区别？

答：1）单晶体是由一个晶核各向均匀生长而成，晶体内部的粒子基本上保持其特有的排列规律，如：单晶硅、红宝石、金刚石；

2）多晶体是由很多单晶微粒杂乱无规则的聚结而成的，各向异性的特征消失，使整体一般不表现各向异性，如：多数金属和合金等。

3）非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，没有一定规则的外形，物理性质为各向同性，没有固定的熔点，属热力学上的亚稳态，如玻璃、松香、石蜡等。

单晶体在整个晶体中均保持有序的周期性；多晶体则只是在一个单晶微粒中保持有序的周期性，但整体上杂乱无章；非晶体是近程有序（在极小范围内规则排列），而远程无序。

2、分析晶体的宏观物理性质与其结构的关系

答：由于晶体是具有格子构造的固体，因此，也就具备着晶体所共有的、由格子构造所决定的基本性质。

①均一性：宏观观察中，晶体在其任一部分上都表现出具有相同的各种特性。也称为结晶均一性，与非晶体的统计均一性有本质的区别；

②自范性：晶体在适当条件下可自发地（而非人为加工）形成封闭的凸几何多面体外形的特性，且几何多面体外形满足欧拉定律：W+V=E+2；

③异向性：晶体的几何量度和物理性质因观察方向的不同而表现出差异的特性；

④对称性：晶体的相同部分（外形上的和内部结构上的）或性质，能够在不同方向或位置上有规律地重复出现的特性；

⑤最小内能性：在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶体、液体或气体相比，其内能（包括质点的动能与位能）最小，故而结构也最稳定；

⑥稳定性：在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶体稳定。晶体的稳定性是最小内能性的必然结果；

3、根据晶体的功能并结合其主要应用领域，人工晶体如何分类？答：光功能晶体，半导体晶体，压电晶体，热释电晶体，超硬晶体等

4、什么是光功能晶体？举出其中一到两个在高新技术中有广泛应用的晶体。

答：在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性效应等）发生变化的原理，实现对入射光信号的获取、调制、传输、显示、能量或频率转换、受激发射等目的的无机晶体之总称。如氟化钡，KTP，KDP晶体等。

5、晶体与非晶体融化过程的不同。

答：晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。而非晶体是近程有序，远程无序，属热力学上的亚稳态，没有固定的熔点。

6、人工晶体的研究趋势

答：不仅研究晶态而且还涉及非晶态；不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳米晶；不仅研究通常的晶格而且还涉及超晶格；不仅研究单一功能而且还涉及多功能；不仅研究体性质而且还涉及表面性质；不仅研究无机而且还涉及到有机；晶体材料功能小型化、低维化、集成化与多功能化；晶体材料制备大规模、高质量、低成本

7、名词解释：晶面角守恒定律，结晶习性，晶体生长

①晶面角守恒定律：同一物质的不同晶体在同一温度和压强下晶面的数目、大小、形状可能有很大的差别，但对应的晶面之间夹角是恒定的；

②结晶习性：在一定的外界条件下，某种晶体总是趋向于形成某一种特定形态的现象，称结晶习性。化学成分、晶体结构、pH值、过饱和度、粘度、共存的杂质以及空间条件等均对结晶习性有显著影响。可将结晶习性分为：一维延伸型、二维延展型和三维等长型；

③晶体生长：物质在一定温度、压力、浓度、介质、pH等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸、满足一定技术要求的晶体的过程称为晶体生长；

第二章思考题：

1、什么是晶体生长的技术要求和生长方法选择的基本原则？

①晶体生长的技术要求：合理的驱动力场分布；驱动力场的稳定、可控；各生长技术参数的良好匹配；精确配料和必要、合理的热处理；力求避免各种形式的污染。

②生长方法选择的基本原则：满足相图的基本要求；有利于快速生长出具有较高实用价值、符合一定技术要求的晶体；有利于提高晶体的完整性，严格控制晶体中的杂质和缺陷；有利于提高晶体的利用率、降低成本。生长大尺寸的晶体始终是晶体生长工作者追求的重要目标；有利于晶体的后加工和器件化；有利于晶体生长的重复性和产业化。

2、熟悉晶体生长常用工艺方法和其局限性

1、熔体法（P37）

1.1 提拉法

优点：便于精密控制生长条件，可以较快的速度获得优质大单晶；可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶；可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，这项工艺对于降低晶体中的位错密度，提高晶体完整性都很有用；可以在晶体生长过程中直接观察晶体。

缺点：一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染；当熔体中有易挥发的物质时，则存在组分控制的困难；不适合生长冷却时存在固态相变的材料。

1.2下降法

优点：可以把原料密封在坩埚中，可以减少挥发所带来的影响，带来的好处是除了晶体成分易控制之外，对于某些有害气体也不至于泄露；操作简单，可以生长大尺寸的晶体，可以生长的晶体品种也很多，且易于实现程序化生长；由于每一个坩埚都可以单独成核，因此可以在一个结晶炉中放入多个坩埚。

缺点：不适宜生长在冷却时出现体积增大的晶体（负膨胀系数）；由于晶体在生长过程中直接和坩埚接触，因此容易在晶体中引入较大的内应力和杂质；晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也比较长；若在下降法中采用籽晶生长，如何保证在高温区既不溶解掉，又必须使它有部分溶解以进行完全生长，是比较困难的。

1.3 焰熔法

优点：生长中不需要坩埚，可以有效节约坩埚材料，且可以避免坩埚带来的污染；氢氧焰燃烧时，温度可以达到2800℃，所以原则上讲高熔点的单晶只要不会发，不怕氧化，都可以用这种方法生长；生长速度快，且可以生长尺寸比较大的晶体；设备简单。

缺点：火焰中的温度梯度大，造成结晶层纵向温度和横向温度梯度大，生长出来的晶体质量欠佳；因为发热源是燃烧的气体，故其温度不可能控制得很稳定；生长出来的晶体位错密度高，内应力也比较大；对于易挥发和易氧化的材料，不适合用该方法；生长时估计有30%的原材料损失掉。

1.4导模法

导模法可以直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板等异型晶体，而且尺寸可以控制。其缺点是生长条件控制比较严格，模具会给晶体带来一定的污染等。

1.5 冷坩埚法

有些无机非金属材料熔点很好，能承受该高温的坩埚很少，而且不希望因坩埚而引入污染，冷坩埚法就解决了这一问题。

1.6 熔盐法（助熔剂法）

优点：适应性强，几乎对所有的材料，都能找到合适的助熔剂，从中将晶体