晶体生长技术

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• 祖母绿 是矿物绿柱石中的一种， 为一种铍铝硅酸盐 铍铝硅酸盐矿物，因含 铍铝硅酸盐 有微量铬离子 铬离子而呈绿色，自然 铬离子 界中常呈六方柱状晶体产出， 表面有纵纹。硬度为7.5-8，密 度 为 2.71g/cm3 左 右 ， 内 部 常 含有多种矿物包体、气液包体 等等。 • 世界上最主要的祖母绿产地有 哥伦比亚、巴西、俄罗斯、津 巴布韦、印度、澳大利亚等地， 另外在中国的云南也产祖母绿。
• 非晶态物质在地球上含量很少，由于晶体能量小而最 稳定，这些非晶态物质基本上都已经自发转化为晶体 了。地球上的物质经过漫长的地质年代演化，基本上 都演化成这种最稳定的形式-----晶体了，所以非晶态物 质非常少。
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钟乳石横截面
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宝石与玉石
• 天然晶体中，还有一些十分珍贵和稀少的晶体，被人们称 为“宝石” 和“玉石”。 那么，什么样的天然晶体才能 称之为宝石和玉石呢？ • 能够称得上是宝石或玉石的必须具备以下三个条件： • 1、 瑰丽：晶莹艳丽、光彩夺目，这是作为宝石和玉石的 首要条件； • 2、 稀少：物以稀为贵，稀少决定着宝石和玉石的价值； • 3、 耐久：质地坚硬、经久耐用，这是宝石和玉石的价值 能得以保存的重要特征。
矿石
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非晶态准矿石
• 地球上是有一些非晶态物质的，例如：玛瑙、蛋白石、 钟乳石、火山玻璃等，但这些非晶态物质在地球上含 量很少，而且基本上都已经自发转化为晶体了。在地 球上的非晶态的物质我们称之为“准矿物”。“准矿 物”都有自发晶化形成“矿物”的趋势。
玛瑙
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钟乳石
蛋白石
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准矿石的晶化
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碧玺
石榴石
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不像晶体的晶体
• 我们身边天然存在的非生物固体物质中，绝大 多数属于晶体的范畴，其中，既有像食盐那样 方方正正的外表的单晶体，也有貌不惊人的多 晶体。
土
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砂石
沙子
泥
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矿
石
• 矿物的概念是：在地球上通过地质作用形成的、具有 相对稳定化学成分和内部结构的单质或化合物，它们 是岩石和矿石的基本组成单位。
• 自然界中天然形成的晶体，人们很容易想到的有在山洞中 形成的各种各样的美丽的水晶，制作珠宝首饰的各种钻石、 蓝宝石等各种宝石，以及种种我们能够叫得上来名字，或 者叫不出来名字的矿物。
紫晶石
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方解石
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水晶 的化学成分是二氧化硅。 自然界产 的化学成分是二氧化硅。
出的水晶，由于成分不纯，还有紫晶、 出的水晶，由于成分不纯，还有紫晶、 茶晶、墨晶和黄水晶等不同品种。 茶晶、墨晶和黄水晶等不同品种。水晶 有多种用途， 有多种用途，用做宝石的水晶以紫晶最 名贵， 水晶之王”的美称。 名贵，有“水晶之王”的美称。 •
红宝石和蓝宝石被称为“姐妹宝石”， 被称为“姐妹宝石”
都属刚玉，化学成分为氧化铝。 都属刚玉，化学成分为氧化铝。按照现 代宝石学中的概念， 代宝石学中的概念，红色透明晶体为红 宝石，其他都统称为蓝宝石， 宝石，其他都统称为蓝宝石，名称前冠 以颜色，如“白色蓝宝石”。最优质的 以颜色， 白色蓝宝石” 红宝石是“鸽血红” 盛产于缅甸。 红宝石是“鸽血红”，盛产于缅甸。蓝 宝石的产量比红宝石多， 宝石的产量比红宝石多，著名产地有缅 甸、泰国等。 泰国等。
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晶莹的雪花
• 天然晶体，是在大自然中自发结晶形成的，一提起天 然晶体，您是否会想到雪花？雪花晶体就像是“仙女 散花”般地从天而落，给人们带来无限的遐想。可以 说，雪花是人们最熟悉的天然晶体之一，有着变化万 千的美丽的形态。而雪花作为晶体，则是枝晶的典型 例子。
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雪花
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天然的晶体
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目前广泛应用的Nd:YAG晶体，是1965年前后从数 晶体， 目前广泛应用的 晶体 年前后从数 百种激光新晶体中优选出来的。 世纪 世纪70年代在 百种激光新晶体中优选出来的 。 20世纪 年代在 国际上完成了Nd:YAG晶体生长条件的研究，80年 国际上完成了 晶体生长条件的研究， 年 晶体生长条件的研究 代研制成功的较大尺寸的Nd:YAG晶体走向工业生 代研制成功的较大尺寸的 晶体走向工业生 年代采用自动化晶体生长设备， 产 ， 90年代采用自动化晶体生长设备 ， 批量生产 年代采用自动化晶体生长设备 出直径为70-100mm大尺寸晶体。 大尺寸晶体。 出直径为 大尺寸晶体 • 我国研制的优质大尺寸 我国研制的优质大尺寸Nd:YAG晶体，于90年代初 晶体， 晶体 年代初 已达到国际水平。 已达到国际水平。
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第三代半导体晶体—从 世纪 世纪80年代起发展了宽禁带半 第三代半导体晶体 从 20世纪 年代起发展了宽禁带半 导体晶体， 以及其固溶体单晶。 导体晶体，GaN，SiC以及其固溶体单晶。 SiC是高温半 ， 以及其固溶体单晶 是高温半 导体材料，是目前国际上的研究热点。 导体材料，是目前国际上的研究热点。 • 它们具有高热导率、高临界击穿电场和低介电常数等特点， 它们具有高热导率、高临界击穿电场和低介电常数等特点， 成为耐高温、大功率、耐高压、 成为耐高温、大功率、耐高压、抗辐照的半导体器件的优 选材料。 选材料。 • 其器件可用于核反应堆系统、宇航、电力系统等领域的极 其器件可用于核反应堆系统、宇航、 端环境中。并逐步取代现有的硅和砷化镓基光电器件。 端环境中。并逐步取代现有的硅和砷化镓基光电器件。
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• 从 19 世纪末 ， 人们开始探索各种方法来生长晶体 ， 19世纪末 人们开始探索各种方法来生长晶体， 世纪末， 由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。 由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。 晶体生长方法： • 到目前为止，人们已发明了几十种晶体生长方法： 到目前为止，人们已发明了几十种晶体生长方法 • 水溶液法 、 水热法 、 助熔剂法 、 提拉法 、 浮区法 、 水溶液法、 水热法、 助熔剂法、 提拉法、 浮区法、 焰熔法、坩埚下降法等。 焰熔法、坩埚下降法等。 • 不仅生长出自然界中已有的晶体 （ 水晶 、 金刚石 、 不仅生长出自然界中已有的晶体（ 水晶、 金刚石、 食盐(NaCl)、红宝石 2O3:Cr)， 食盐 、红宝石(Al ， • 还 能 合 成 出 自 然 界 中 没 有 的 晶 体 （ Si 、 Ge 、 Y3Al5O12 、 KTiOPO4 等 ） 。 这些晶体五彩纷呈 ， 有 这些晶体五彩纷呈， 的甚至比天然晶体还美丽。 的甚至比天然晶体还美丽。
晶体生长技术 Crystal Growth Technology
曾繁明 长春理工大学材料科学与工程学院 zengfm@ 2010.04.16
参考书目
1. 张克从、张乐潓主编 《晶体生长科学与技术 张克从、 晶体生长科学与技术》 晶体生长科学与技术 上下册） （上下册） 科学出版社 2. 姚连增编 《晶体生长基础 》 中国科学技术大学 晶体生长基础 出版社 3. 张克从著 《近代晶体学基础 科学出版社 近代晶体学基础》 近代晶体学基础 4. （美）劳迪斯著 刘光照译 《单晶生长 科学出 单晶生长》 单晶生长 版社 5.《 Crystal Growth Technology 》 edited by Hans J. Scheel and Tsuguo Fukuda
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§1.2 晶体的应用
• 晶体不仅是美丽的 ， 而且也是有用的 。 一位物理学家说过 ， 晶体不仅是美丽的， 一位物理学家说过， 晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。 “晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。” • 当物质以晶体状态存在时，它将表现出其它物质状态所没有的 当物质以晶体状态存在时， 优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能 结构和性能的重 优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重 要基础。 要基础。 • 此外，由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换， 此外，由于能够实现电、 声和力的相互作用和转换， 晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪 晶体还是电子器件、半导体器件、 器等工业的重要材料。 器等工业的重要材料。 • 被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、 被广泛地应用于通信、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、 军事技术等领域。 军事技术等领域。
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宝石
• 宝石是指单矿物晶体或单矿物晶体的碎块
祖母绿宝石原石
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玉石
• 宝石是指单矿物晶体或单矿物晶体的碎块，而玉石是 指由许多肉眼看不见的细小微晶组成的集合体
翡翠原石
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• 由于形成条件限制，大而完整的单晶相当稀少。某 由于形成条件限制，大而完整的单晶相当稀少。 些罕见宝石单晶，如钻石、红宝石、蓝宝石、 些罕见宝石单晶，如钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝 石等，大都成了稀奇的收藏品、 石等，大都成了稀奇的收藏品、名贵的装饰品和博 物馆中的展览品。 物馆中的展览品。 • 随着生产和科学技术的发展，人们对单晶的需求日 随着生产和科学技术的发展， 益增加。例如加工业需要金刚石， 益增加。例如加工业需要金刚石，精密仪表和钟表 工业需要红宝石作轴承， 工业需要红宝石作轴承，超声和压电技术需要压电 水晶等。但天然单晶无论在品种、 水晶等。但天然单晶无论在品种、数量和质量上都 不能满足日益增长的需求。 不能满足日益增长的需求。
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内
• 第一章 绪论
容
• 第二章 晶体的品质鉴定 • 第三章 晶体生长方法的发展及分类 • 第四章 气相生长 • 第五章 溶液生长 • 第六章 熔体生长
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第一章 绪论
§1.1 晶体的分类
• 晶体：构成物质的原子、分子在空间作长程有序的排列， 晶体：构成物质的原子、分子在空间作长程有序的排列， • 形成具有一定的点阵结构的固体就是晶体。 形成具有一定的点阵结构的固体就是晶体。 • 所谓长程有序就是由一些相同的质点（基元）在空间有规则地 所谓长程有序就是由一些相同的质点（基元） 作周期性的无限分布。 作周期性的无限分布。即至少在微米量级的范围内是有序的排 这些质点代表原子、离子、分子或基团的重心。 列。这些质点代表原子、离子、分子或基团的重心。 • 晶体分成天然晶体和人工晶体。 晶体分成天然晶体和人工晶体。 • 天然晶体：水晶、红宝石、蓝宝石、祖母绿等，这些晶体叫做 天然晶体：水晶、红宝石、蓝宝石、祖母绿等， 天然晶体。 天然晶体。
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半导体晶体是半导体工业的主要基础材料， 半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，从应用的广泛 性和重要性来看，它在晶体中占有头等重要的地位。 性和重要性来看，它在晶体中占有头等重要的地位。
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2、激光晶体 、 • 激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光。 激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光。 1960年，美国科学家 Maiman成功地研制出世界上第一台 年 成功地研制出世界上第一台 激光器—Cr:Al2O3 （红宝石）激光器，人们对激光基质及 红宝石）激光器， 激光器 激活离子进行了广泛的研究。 激活离子进行了广泛的研究。 • 人们已研 制出数百种激光晶 体 。 掺钕 钇铝石榴石 钇铝石榴石(Nd ： Y3Al5O12)、 钛宝石 ： A12O3)、 掺镝氟化钙 、 钛宝石(Ti： 、 掺镝氟化钙(Dy： CaF2)、 ： 、 掺钕钒酸钇(Nd：YVO4) 、四硼酸铝钕 (NdAl3(BO3)4)等晶 掺钕钒酸钇 ： 等晶 体。
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功能晶体（按功能划分晶体分为10多种） 功能晶体 半导体晶体 激光晶体 光学及非线性光学晶体 电光晶体 声光晶体 压电晶体 热释电晶体 铁电晶体 闪烁晶体 绝缘晶体 超导晶体 以及多功能晶体等。 以及多功能晶体等。
22:4520Fra bibliotek1、半导体晶体 、 1947年底 ， 美国贝尔实验室发现了半导体效应 ， 随后发明了 年底， 年底 美国贝尔实验室发现了半导体效应， 晶体管，制作晶体管需要高纯单晶材料，从此以后， 晶体管，制作晶体管需要高纯单晶材料，从此以后，便促成了 半导体单晶的迅速发展。 半导体单晶的迅速发展。 半导体晶体的发展大致可分为三个阶段： 半导体晶体的发展大致可分为三个阶段： 第一代半导体晶体—20世纪 年代末，发展了锗 Ge)、硅 (Si) 世纪40年代末 第一代半导体晶体 世纪 年代末，发展了锗( 、 元素半导体单晶。制成各种二极管、三极管、场效应管、 元素半导体单晶。制成各种二极管、三极管、场效应管、可控 硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。 硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。 第二代半导体晶体—20世纪 年代初发展了Ⅲ一V族化合物单 世纪60年代初发展了 第二代半导体晶体 世纪 年代初发展了Ⅲ 族化合物单 晶，如砷化镓 (GaAs)、磷化镓 (GaP)等。 、 等