人工晶体课件.ppt

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1、EXIT 人人人人 工工工工 晶晶晶晶 体体体体 适于材料学无机非金属材料专业适于材料学无机非金属材料专业适于材料学无机非金属材料专业适于材料学无机非金属材料专业适于材料学无机非金属材料专业适于材料学无机非金属材料专业 吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院吉林大学材料科学与工程学院1.EXIT 绪绪绪绪 论论论论 一、晶体的概念一、晶体的概念 关于晶体我们已在矿物学中关于晶体我们已在矿物学中学习了这方面的知识，在这里有学习了这方面的知识，在这里有必要进行简要的回顾，以帮助同必要进行简要的回顾，以帮助同

2、学们理解人工晶体方面的知识。学们理解人工晶体方面的知识。2.EXIT 你们所知道的你们所知道的晶体是从矿物晶体是从矿物学获得的。学获得的。矿物矿物是自然界中的化是自然界中的化学元素，在地质作用下所形成的学元素，在地质作用下所形成的天然单质或化合物天然单质或化合物;在一定的物在一定的物理化学范围内，具有相对固定的理化学范围内，具有相对固定的化学组成和内部结构化学组成和内部结构，是组成岩，是组成岩石和矿石的基本单元。石和矿石的基本单元。绝大多数绝大多数矿物都是矿物都是固态无机物，固态无机物，并且基本并且基本上是上是晶质矿物晶质矿物.3.EXIT(a)石英晶体石英晶体(b)方解石晶体方解石晶体 图图

3、 1 呈几何多面体外形的晶体呈几何多面体外形的晶体 4.EXIT 在古代，人们把具有天然几何多面体外形在古代，人们把具有天然几何多面体外形的矿物称做为晶体的矿物称做为晶体(典型的如石英典型的如石英)。现在看。现在看来，这一认识是不准确的，至少是不全面的。来，这一认识是不准确的，至少是不全面的。18 18世纪以来，人们已从理论上推断，晶体世纪以来，人们已从理论上推断，晶体的几何外形是内部原子规则排列的结果。的几何外形是内部原子规则排列的结果。2020世纪世纪X-X-射线方法的出现，揭示了晶体的真正射线方法的出现，揭示了晶体的真正含义含义-晶体内部具有格子状构造晶体内部具有格子状构造（图（图2 2

4、）。证）。证实了这一推断的正确性。实了这一推断的正确性。格子状构造（空间格子）：格子状构造（空间格子）：晶体内部结构晶体内部结构中质点在三维空间作格子状中质点在三维空间作格子状 排列的几何图形。排列的几何图形。5.EXIT现代晶体概念现代晶体概念：内部同种质点在三维空：内部同种质点在三维空间成周期性重复排列的固体。间成周期性重复排列的固体。即即:具有格子状构造的固体。这种固体具有格子状构造的固体。这种固体被称为：被称为：结晶质结晶质（图3a）。晶体晶体：结晶质在空间的有限部分即为晶：结晶质在空间的有限部分即为晶体。体。因此，现代人判定某种固体是否为因此，现代人判定某种固体是否为晶体，不是看其是

5、否有规则的几何多面晶体，不是看其是否有规则的几何多面体外形。而是要看其内部质点是否做有体外形。而是要看其内部质点是否做有规则的排列。规则的排列。6.晶体的分布是广泛的，不只局限晶体的分布是广泛的，不只局限于矿物的范畴，如：白糖、钢铁、于矿物的范畴，如：白糖、钢铁、合金、陶瓷、大多数的固体化学药合金、陶瓷、大多数的固体化学药品等；也不只限于天然的，人工方品等；也不只限于天然的，人工方法合成的晶体也在其列。如：具有法合成的晶体也在其列。如：具有全部生物活力的蛋白质全部生物活力的蛋白质-结晶牛胰结晶牛胰岛素。因此，可以说，岛素。因此，可以说，只要是内部只要是内部具有格子状构造的固体，具有格子状构造的

6、固体，无论其是无论其是否天然、人工，都可称其为否天然、人工，都可称其为晶体晶体 。EXIT7.有些外形似晶体的物质有些外形似晶体的物质,如：玻璃、琥泊、玛瑙、松如：玻璃、琥泊、玛瑙、松香等，它们的内部质点不做香等，它们的内部质点不做规则排列（图规则排列（图3b3b）即：）即：不具不具有格子状构造，称其为非晶有格子状构造，称其为非晶质体。质体。何谓何谓人工晶体人工晶体?.EXIT8.EXIT 图图2 格子状构造格子状构造 图图 3(a)石英石英SiO2晶体与晶体与(b)石英玻璃石英玻璃 的结构示意图的结构示意图(a)(b)9.EXIT 人工晶体人工晶体：人类根据结晶物质的物理化学人类根据结晶物质

7、的物理化学特性，在认识并掌握一般的生长规律的基特性，在认识并掌握一般的生长规律的基础上，采用多种单晶体生长技术或方法以础上，采用多种单晶体生长技术或方法以及生长设备而生成或合成出的。及生长设备而生成或合成出的。简单一句话：用人工的方法培养或合成出简单一句话：用人工的方法培养或合成出来的单晶体。来的单晶体。人工晶体特点：人工晶体特点：与天然晶体相比，它具有与天然晶体相比，它具有可控的生长规律和习性，可按照人们的意可控的生长规律和习性，可按照人们的意志在适当环境条件下，利用适当的设备，志在适当环境条件下，利用适当的设备，合成或生长出具有较高实用价值的晶体结合成或生长出具有较高实用价值的晶体结构，也

8、可根据应用对象的性能需求，生长构，也可根据应用对象的性能需求，生长出满足特定应用要求的人工晶体来。出满足特定应用要求的人工晶体来。10.在此介绍一种新概念。在此介绍一种新概念。类晶体类晶体：原子排列有序，但没有周期性。：原子排列有序，但没有周期性。它是一种固体。它是一种固体。性性 质：质：硬度极高，摩擦系数低，有很硬度极高，摩擦系数低，有很高的抗腐蚀性，抗磨损性。高的抗腐蚀性，抗磨损性。类晶体类晶体是1982年由美国能源部的埃姆斯实验室开发成功。这一发现，改变了固体只有晶体+非晶体的形式。11.EXIT 二、人工晶体发展概况二、人工晶体发展概况二、人工晶体发展概况二、人工晶体发展概况-简简简

9、介介介 一一一一 在中国：在中国：在中国：在中国：我们的祖先与晶体打交道从史前我们的祖先与晶体打交道从史前我们的祖先与晶体打交道从史前我们的祖先与晶体打交道从史前就已开始，北京猿人就已开始，北京猿人就已开始，北京猿人就已开始，北京猿人-蓝田人在蓝田人在蓝田人在蓝田人在50505050万年前使用的工具万年前使用的工具万年前使用的工具万年前使用的工具之一，之一，之一，之一，石英石英石英石英，就是典型的晶体。，就是典型的晶体。，就是典型的晶体。，就是典型的晶体。一千年前，宋代人就已经从海水中晒盐，实际一千年前，宋代人就已经从海水中晒盐，实际一千年前，宋代人就已经从海水中晒盐，实际一千年前，宋代人就已

10、经从海水中晒盐，实际上这就是上这就是上这就是上这就是“从过饱和溶液中生长晶体从过饱和溶液中生长晶体从过饱和溶液中生长晶体从过饱和溶液中生长晶体”的方法。此种的方法。此种的方法。此种的方法。此种方法的原理一直沿用至今，且可以生长出很多种晶方法的原理一直沿用至今，且可以生长出很多种晶方法的原理一直沿用至今，且可以生长出很多种晶方法的原理一直沿用至今，且可以生长出很多种晶体，特别是高、精、尖技术领域应用的器件采用此体，特别是高、精、尖技术领域应用的器件采用此体，特别是高、精、尖技术领域应用的器件采用此体，特别是高、精、尖技术领域应用的器件采用此方法的较多：如方法的较多：如方法的较多：如方法的较多：如

11、K2H2P04(K2H2P04(K2H2P04(K2H2P04(磷酸钾，一种激光晶体磷酸钾，一种激光晶体磷酸钾，一种激光晶体磷酸钾，一种激光晶体)、LiLiLiLi2 2 2 2Nb0Nb0Nb0Nb03 3 3 3.2H.2H.2H.2H2 2 2 20(0(0(0(铌酸锂，一种压电晶体铌酸锂，一种压电晶体铌酸锂，一种压电晶体铌酸锂，一种压电晶体,主要用主要用主要用主要用于手机于手机于手机于手机)。12.古时人造辰砂古时人造辰砂(HgS)(HgS)也称银朱、朱砂，也称银朱、朱砂，就是用就是用”气相沉积法气相沉积法”(升炼升炼)制备出的晶体，制备出的晶体，“炼丹术炼丹术”。我国现代人工晶体材料

12、的研究，始于我国现代人工晶体材料的研究，始于上个世纪上个世纪5050年代中期，经历了一个从无到年代中期，经历了一个从无到有，从零星的实验研究，再到初具规模的有，从零星的实验研究，再到初具规模的产业迅速发展的过程，主要领先的领域有：产业迅速发展的过程，主要领先的领域有：1 1人造水晶人造水晶(S(Si i0 02 2)，2 2人造金刚石人造金刚石(C(C、S Si iC)C)，3 3人造宝石人造宝石(A1(A12 20 03 3)，4 4人造云母人造云母(铁硅酸盐矿物铁硅酸盐矿物)。上述产品均已进入国际市场参与竞争。上述产品均已进入国际市场参与竞争。EXIT13.EXIT 二二二二 在西方：在西

13、方：在西方：在西方：人工晶体培养大约人工晶体培养大约人工晶体培养大约人工晶体培养大约是在是在是在是在19191919世纪初欧洲开始：焰熔法世纪初欧洲开始：焰熔法世纪初欧洲开始：焰熔法世纪初欧洲开始：焰熔法-1902-1902-1902-1902年；水热法年；水热法年；水热法年；水热法-1905-1905-1905-1905年；提拉法年；提拉法年；提拉法年；提拉法-lOl7-lOl7-lOl7-lOl7年。年。年。年。1949 1949 1949 1949年，英国法拉第学会，举行年，英国法拉第学会，举行年，英国法拉第学会，举行年，英国法拉第学会，举行了世界上第一次关于晶体生长的学术了世界上第一次

14、关于晶体生长的学术了世界上第一次关于晶体生长的学术了世界上第一次关于晶体生长的学术讨论会，这次会议奠定了晶体生长的讨论会，这次会议奠定了晶体生长的讨论会，这次会议奠定了晶体生长的讨论会，这次会议奠定了晶体生长的理论基础。理论基础。理论基础。理论基础。14.EXIT 三、晶体生长分类三、晶体生长分类三、晶体生长分类三、晶体生长分类 晶体生长是晶体学的一个年轻的分支。从历史发晶体生长是晶体学的一个年轻的分支。从历史发晶体生长是晶体学的一个年轻的分支。从历史发晶体生长是晶体学的一个年轻的分支。从历史发展看，晶体生长曾经是一种经验工艺，理论研究远落展看，晶体生长曾经是一种经验工艺，理论研究远落展看，晶

15、体生长曾经是一种经验工艺，理论研究远落展看，晶体生长曾经是一种经验工艺，理论研究远落后于实践。后于实践。后于实践。后于实践。20 20 20 20世纪世纪世纪世纪50505050年代后，新科学技术迅猛发展，人们不但年代后，新科学技术迅猛发展，人们不但年代后，新科学技术迅猛发展，人们不但年代后，新科学技术迅猛发展，人们不但要求合成大块的晶体，而且要求高质量的晶体。因此，要求合成大块的晶体，而且要求高质量的晶体。因此，要求合成大块的晶体，而且要求高质量的晶体。因此，要求合成大块的晶体，而且要求高质量的晶体。因此，人工晶体生长理论受到人们的重视，理论研究的不断人工晶体生长理论受到人们的重视，理论研究

16、的不断人工晶体生长理论受到人们的重视，理论研究的不断人工晶体生长理论受到人们的重视，理论研究的不断深入，促进了晶体生长工艺的飞速发展，新的晶体生深入，促进了晶体生长工艺的飞速发展，新的晶体生深入，促进了晶体生长工艺的飞速发展，新的晶体生深入，促进了晶体生长工艺的飞速发展，新的晶体生长方法不断出现，使晶体生长发展成为独立的崭新的长方法不断出现，使晶体生长发展成为独立的崭新的长方法不断出现，使晶体生长发展成为独立的崭新的长方法不断出现，使晶体生长发展成为独立的崭新的学科学科学科学科-晶体生长学晶体生长学晶体生长学晶体生长学，它是晶体学中一支年轻的分支。它是晶体学中一支年轻的分支。它是晶体学中一支年

17、轻的分支。它是晶体学中一支年轻的分支。它与相关学科的关系如图它与相关学科的关系如图它与相关学科的关系如图它与相关学科的关系如图3 3 3 3所示。所示。所示。所示。15.EXIT 图图3 晶体生长与相关晶体学研究的相互关系晶体生长与相关晶体学研究的相互关系16.晶体生长分类晶体生长分类，按其生长单晶体时的，按其生长单晶体时的原料（母相）状态，可分为：原料（母相）状态，可分为：（一）、（一）、液相液相-1-1溶液；溶液；22熔体熔体 。（二）、（二）、气相气相（三）、（三）、固相固相（四）、（四）、薄膜技术薄膜技术，近年来，一种叫，近年来，一种叫 “成膜技术成膜技术”的生长方法在快速发展的生长方

18、法在快速发展 。EXIT17.（一）液相生长法（一）液相生长法【1 1】溶液生长】溶液生长 基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：将原料（溶质）溶解于溶剂中，使其将原料（溶质）溶解于溶剂中，使其保持过饱和，然后采取措施（蒸发、降温），使保持过饱和，然后采取措施（蒸发、降温），使溶质在仔晶表面析出长成晶体。溶质在仔晶表面析出长成晶体。特点特点特点特点：容易生长出均匀良好的大块晶体；可在远容易生长出均匀良好的大块晶体；可在远低于其熔点的温度下生长晶体，可直接观察晶体低于其熔点的温度下生长晶体，可直接观察晶体生长情况。生长情况。缺点：缺点：生长周期长，影响因素多，控温要求高。生长周期长，影响因素多

19、，控温要求高。【2】溶体生长】溶体生长 基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：生长过程是先将固体加热熔化，通过生长过程是先将固体加热熔化，通过降温使熔体逐渐凝固成为固体。降温使熔体逐渐凝固成为固体。特点：特点：特点：特点：生长速率快，纯度高，晶体完整性好。生长速率快，纯度高，晶体完整性好。18.（二）气相生长法（二）气相生长法原理：原理：采用蒸汽压较大的原料，在适当的条采用蒸汽压较大的原料，在适当的条件下使其蒸汽凝结成为晶体。件下使其蒸汽凝结成为晶体。特点：特点：适宜生长薄膜、晶须、板状晶体。适宜生长薄膜、晶须、板状晶体。（三）固相生长法（三）固相生长法原理原理：固态原料在异常的温度、压力下

20、，使固态原料在异常的温度、压力下，使其内部晶体结构发生改变，形成新的固态物其内部晶体结构发生改变，形成新的固态物质。质。如：如：碳-金刚石（1000-2000 C，5X1010MP）石英-石英（573 C）。19.人工晶体生长方法发展至今已有上百年的人工晶体生长方法发展至今已有上百年的历史，今天，凡是天然产出的晶体（历史，今天，凡是天然产出的晶体（33003300余种余种）几乎都可以用人工的方法合成，并且还可以大几乎都可以用人工的方法合成，并且还可以大量培育出（几十类、几百种）天然不产出的新量培育出（几十类、几百种）天然不产出的新晶体。晶体。虽然，自然界产出的晶体几乎都可以用人虽然，自然界产出

21、的晶体几乎都可以用人工的方法合成，但这并不意味着晶体生长方法工的方法合成，但这并不意味着晶体生长方法和技术已达到了完善的地步，从某种意义上说，和技术已达到了完善的地步，从某种意义上说，还相差甚远，特别是用于各种高新技术领域中还相差甚远，特别是用于各种高新技术领域中的晶体材料，对质量的要求越来越高（如：半的晶体材料，对质量的要求越来越高（如：半导体材料，要求纯净度达导体材料，要求纯净度达1313个个9%9%）。因此，）。因此，对生产方法和技术也要不断进行深入研究。对生产方法和技术也要不断进行深入研究。EXIT20.EXIT 第一章第一章第一章第一章 单晶材料单晶材料单晶材料单晶材料 1-1 1-

22、1 概概概概 述述述述 众所周知，现代国民经济的三大支众所周知，现代国民经济的三大支柱产业：柱产业：信息、能源、材料信息、能源、材料。以它们为。以它们为代表的一批高新技术，以其强大的动力代表的一批高新技术，以其强大的动力推动了社会生力的飞速发展，并同样以推动了社会生力的飞速发展，并同样以强大的沖击力而引起人们思想观念的深强大的沖击力而引起人们思想观念的深刻变革，从而导致了刻变革，从而导致了社会经济结构社会经济结构和和生生活方式的重大变革。活方式的重大变革。21.EXIT材料材料 A、金属金属材料材料 B、无机无机非金属材料非金属材料 D、复合复合材料材料 C、有机有机高分子材料高分子材料 按材

23、料本身按材料本身的的性质性质分类分类 一、材料的分类一、材料的分类 现在的材料种类繁多，一般按现在的材料种类繁多，一般按材料本身材料本身的性质的性质和和材料的作用材料的作用来划分。来划分。22.EXIT材料材料1 1 1 1、结构材料、结构材料、结构材料、结构材料 2 2、功能材料、功能材料、功能材料、功能材料 (特种材料特种材料特种材料特种材料)按材料的按材料的按材料的按材料的作用作用作用作用分类分类分类分类 1 1、结构材料、结构材料、结构材料、结构材料 以以以以金属材料金属材料金属材料金属材料为代表，为代表，为代表，为代表，工农业生产上所用的传统材料，工农业生产上所用的传统材料，工农业生

24、产上所用的传统材料，工农业生产上所用的传统材料，多侧重于力学性能的应用，如：硬度、强度、塑性、韧性、多侧重于力学性能的应用，如：硬度、强度、塑性、韧性、多侧重于力学性能的应用，如：硬度、强度、塑性、韧性、多侧重于力学性能的应用，如：硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性等。耐磨性等。耐磨性等。耐磨性等。例如：钢、铁、铜、铅等传统金属、水泥、有机高分例如：钢、铁、铜、铅等传统金属、水泥、有机高分例如：钢、铁、铜、铅等传统金属、水泥、有机高分例如：钢、铁、铜、铅等传统金属、水泥、有机高分子材料、陶瓷材料及各种复合材料。子材料、陶瓷材料及各种复合材料。子材料、陶瓷材料及各种复合材料。子材料、陶瓷材料及各种复

25、合材料。这类材料的特点：原料丰富，成本低，加工方便，因这类材料的特点：原料丰富，成本低，加工方便，因这类材料的特点：原料丰富，成本低，加工方便，因这类材料的特点：原料丰富，成本低，加工方便，因而受到人们的重视。而受到人们的重视。而受到人们的重视。而受到人们的重视。23.2 2、功能材料、功能材料(特种材料特种材料)由于材料本身由于材料本身(或经特殊加工后或经特殊加工后)，具有具有特殊的结构特殊的结构（如沸石的特殊孔道结（如沸石的特殊孔道结构可做分子筛；具层状结构的云母、石构可做分子筛；具层状结构的云母、石墨）、墨）、性能性能（如某些矿物所特有的离子（如某些矿物所特有的离子交换性：高岭石）等，可

26、以对外界物理交换性：高岭石）等，可以对外界物理的、化学的或生物的作用做出反应，从的、化学的或生物的作用做出反应，从而完成一种或多种物理的、化学的、生而完成一种或多种物理的、化学的、生物的等特定功能的材料。物的等特定功能的材料。EXIT24.EXIT有些材料无论就其作用还是功能都不好划分到有些材料无论就其作用还是功能都不好划分到有些材料无论就其作用还是功能都不好划分到有些材料无论就其作用还是功能都不好划分到某一类，如，液晶材料用于显示，但有时需要有一某一类，如，液晶材料用于显示，但有时需要有一某一类，如，液晶材料用于显示，但有时需要有一某一类，如，液晶材料用于显示，但有时需要有一定的机械强度用于

27、传输光线；金属材料近来也出现定的机械强度用于传输光线；金属材料近来也出现定的机械强度用于传输光线；金属材料近来也出现定的机械强度用于传输光线；金属材料近来也出现一些功能材料，如形状记忆合金；金属超导材料；一些功能材料，如形状记忆合金；金属超导材料；一些功能材料，如形状记忆合金；金属超导材料；一些功能材料，如形状记忆合金；金属超导材料；陶瓷材料有的可作为结构材料，有时又作为功能材陶瓷材料有的可作为结构材料，有时又作为功能材陶瓷材料有的可作为结构材料，有时又作为功能材陶瓷材料有的可作为结构材料，有时又作为功能材料。纳米材料有金属和非金属之分。料。纳米材料有金属和非金属之分。料。纳米材料有金属和非金

28、属之分。料。纳米材料有金属和非金属之分。所以，目前，对材料还难以进行整齐划一地分所以，目前，对材料还难以进行整齐划一地分所以，目前，对材料还难以进行整齐划一地分所以，目前，对材料还难以进行整齐划一地分类，后面的介绍只能根据材料的用途和功能分别叙类，后面的介绍只能根据材料的用途和功能分别叙类，后面的介绍只能根据材料的用途和功能分别叙类，后面的介绍只能根据材料的用途和功能分别叙述。述。述。述。25.就其使用数量而言，功能材料可就其使用数量而言，功能材料可能不如结构材料多，但这类材料的能不如结构材料多，但这类材料的附加值高附加值高。在现代高新技术领域扮。在现代高新技术领域扮演着十分重要的角色。如：电

29、子、演着十分重要的角色。如：电子、信息、自动化、航空、航天、能源信息、自动化、航空、航天、能源等。有一种现象，越是高新技术，等。有一种现象，越是高新技术，越需要功能材料。越需要功能材料。26.1-2 晶体材料的主要种类晶体材料的主要种类国内有一知名学者曾说过这样一国内有一知名学者曾说过这样一句话句话“材料问题的核心是晶体的问题材料问题的核心是晶体的问题”（1997），此话给人以启发和深思。此话给人以启发和深思。研究晶体的性质或利用晶体制作研究晶体的性质或利用晶体制作具有特异功能的器件，首要的物质条具有特异功能的器件，首要的物质条件就是要有件就是要有优质的单晶体材料优质的单晶体材料。晶体材料晶体

30、材料：泛指在尖端科学技术：泛指在尖端科学技术中被广泛应用的单晶材料，一般应具中被广泛应用的单晶材料，一般应具有一系列的宝贵物理性能，并可交互有一系列的宝贵物理性能，并可交互和转换。它是功能材料的重要成员和转换。它是功能材料的重要成员。27.晶体材料在功能材料中占有相当晶体材料在功能材料中占有相当重要的位置，由于它具有一系列宝贵重要的位置，由于它具有一系列宝贵的物理性能，如它能实现电、磁、力、的物理性能，如它能实现电、磁、力、光、声、热的交互作用和转换，而使光、声、热的交互作用和转换，而使它成为现代科学技术中不可缺少的重它成为现代科学技术中不可缺少的重要材料。要材料。以下介绍以下介绍1010种常

31、见的晶体材料：种常见的晶体材料：28.一、半导体晶体一、半导体晶体一、半导体晶体一、半导体晶体 这是大家比较熟悉的一类具有特这是大家比较熟悉的一类具有特这是大家比较熟悉的一类具有特这是大家比较熟悉的一类具有特殊导电性能的功能材料。殊导电性能的功能材料。殊导电性能的功能材料。殊导电性能的功能材料。其电阻率处于：一般在其电阻率处于：一般在其电阻率处于：一般在其电阻率处于：一般在101010102 2 2 27 7 7 7欧姆厘米之间的晶体欧姆厘米之间的晶体欧姆厘米之间的晶体欧姆厘米之间的晶体材料，即电阻率介于典型的金属与典型的绝缘体之间。材料，即电阻率介于典型的金属与典型的绝缘体之间。材料，即电阻

32、率介于典型的金属与典型的绝缘体之间。材料，即电阻率介于典型的金属与典型的绝缘体之间。半导体的电阻率对其杂质含量，环境温度以及光照半导体的电阻率对其杂质含量，环境温度以及光照半导体的电阻率对其杂质含量，环境温度以及光照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。制造半导体单晶体要求等外界条件有非常高的灵敏度。制造半导体单晶体要求等外界条件有非常高的灵敏度。制造半导体单晶体要求等外界条件有非常高的灵敏度。制造半导体单晶体要求超净的环境，对原料的纯正度要求也极高，纯度要高达超净的环境，对原料的纯正度要求也极高，纯度要高达超净的环境，对原料的纯正度要求也极高，纯度要高达超净

33、的环境，对原料的纯正度要求也极高，纯度要高达13131313个个个个9 9 9 9，（，（，（，（1/101/101/101/10万亿以下）万亿以下）万亿以下）万亿以下）。由于半导体所具有的独特光。由于半导体所具有的独特光。由于半导体所具有的独特光。由于半导体所具有的独特光电性能，使其成为具有广阔应用前景的电子材料，当今电性能，使其成为具有广阔应用前景的电子材料，当今电性能，使其成为具有广阔应用前景的电子材料，当今电性能，使其成为具有广阔应用前景的电子材料，当今发展微电子、光电子工业的核心材料。发展微电子、光电子工业的核心材料。发展微电子、光电子工业的核心材料。发展微电子、光电子工业的核心材料

34、。29.最早的半导体晶体材料：最早的半导体晶体材料：锗锗(Ge)(Ge)单晶单晶（元素分散，（元素分散，原料来源十分有限，提取困难）；原料来源十分有限，提取困难）；第一代半导体材料：第一代半导体材料：硅硅(Si)(Si)单晶单晶（原料丰富，器件原料丰富，器件稳定性好可获得高纯的硅材料）；稳定性好可获得高纯的硅材料）；第二代半导体材料：第二代半导体材料：IIIIIIV V族化合物；族化合物；砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)单晶；单晶；磷化镓磷化镓(GaP)(GaP)单晶单晶 ；第三代半导体材料：第三代半导体材料：三元、多元化合物单晶。三元、多元化合物单晶。但是至今但是至今SiSi单晶单晶仍是

35、半导体器件的基础材料仍是半导体器件的基础材料，处于主导地位（，处于主导地位（98%98%的半导体器件是由的半导体器件是由SiSi材料制材料制造造.2000.2000年硅单晶材料达年硅单晶材料达6060多亿平方英寸）。多亿平方英寸）。武汉大学经过武汉大学经过1010年的攻关，对半导体材料进行了深年的攻关，对半导体材料进行了深度开发，使其具有了新的功能度开发，使其具有了新的功能-“自洁玻璃”。30.二、压电晶体二、压电晶体二、压电晶体二、压电晶体 1 1 1 1压电性压电性(效应效应)：通过机械作用的压缩，拉伸使晶体发：通过机械作用的压缩，拉伸使晶体发生极化，从而导致晶体表面产生异号电荷的现象。生

36、极化，从而导致晶体表面产生异号电荷的现象。一压，一张的相互作用，可使晶体产生一个交变电场。一压，一张的相互作用，可使晶体产生一个交变电场。并非所有的晶体都具有并非所有的晶体都具有这种压电效应，这种压电效应，压电性只有发生在压电性只有发生在不具有对称中心（不具有对称中心（C C）的晶体中。）的晶体中。2.2.电致伸缩电致伸缩：把具有压电性的晶体放在一个交变电场中，：把具有压电性的晶体放在一个交变电场中，它就会产生一伸一缩的机械振动，这种效应叫：它就会产生一伸一缩的机械振动，这种效应叫：电致伸缩。电致伸缩。当交变电场的频率和压电晶体本身振动的频率相一致当交变电场的频率和压电晶体本身振动的频率相一致

37、时，就会产生特别强的共振现象。时，就会产生特别强的共振现象。31.3 3压电晶体的种类压电晶体的种类压电晶体的种类压电晶体的种类 自自自自1890189018901890年法国的年法国的年法国的年法国的P.JP.JP.JP.J居里兄弟发现水晶具有压电效应起，居里兄弟发现水晶具有压电效应起，居里兄弟发现水晶具有压电效应起，居里兄弟发现水晶具有压电效应起，至今人们已发现几百种压电晶体，但具有使用价值的却很至今人们已发现几百种压电晶体，但具有使用价值的却很至今人们已发现几百种压电晶体，但具有使用价值的却很至今人们已发现几百种压电晶体，但具有使用价值的却很少。少。少。少。主要有：主要有：主要有：主要有

38、：(1)(1)(1)(1)水晶水晶水晶水晶(-Si0-Si0-Si0-Si02 2 2 2),),),),仅日本水晶的年产量就可达到仅日本水晶的年产量就可达到仅日本水晶的年产量就可达到仅日本水晶的年产量就可达到lOlOlOlO万万万万多吨多吨多吨多吨(2)(2)(2)(2)磷酸二氢铵磷酸二氢铵磷酸二氢铵磷酸二氢铵(NH(NH(NH(NH4 4 4 4H H H H2 2 2 2P0P0P0P04 4 4 4)(3)(3)(3)(3)磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾磷酸二氢钾(KH(KH(KH(KH2 2 2 2P0P0P0P04 4 4 4)(4)(4)(4)(4)铌酸锂铌酸锂铌酸锂铌酸锂(Li

39、Nb0(LiNb0(LiNb0(LiNb03 3 3 3)(5)(5)(5)(5)钽酸锂钽酸锂钽酸锂钽酸锂(LiTa0(LiTa0(LiTa0(LiTa03 3 3 3)等。等。等。等。但使用量最大的还是水晶，由于天然水晶的质量、数但使用量最大的还是水晶，由于天然水晶的质量、数但使用量最大的还是水晶，由于天然水晶的质量、数但使用量最大的还是水晶，由于天然水晶的质量、数量都十分有限，因此人工水晶及器件的研制已在世界范围量都十分有限，因此人工水晶及器件的研制已在世界范围量都十分有限，因此人工水晶及器件的研制已在世界范围量都十分有限，因此人工水晶及器件的研制已在世界范围内形成一个完成的工业体系。内形

40、成一个完成的工业体系。内形成一个完成的工业体系。内形成一个完成的工业体系。32.4.4.主要用途主要用途主要用途主要用途 正是由于压电水晶有着极高的振动频率稳定性、良好正是由于压电水晶有着极高的振动频率稳定性、良好正是由于压电水晶有着极高的振动频率稳定性、良好正是由于压电水晶有着极高的振动频率稳定性、良好的谐振性以及机械、温度的高稳定性，而广泛应用于：无的谐振性以及机械、温度的高稳定性，而广泛应用于：无的谐振性以及机械、温度的高稳定性，而广泛应用于：无的谐振性以及机械、温度的高稳定性，而广泛应用于：无线电工业中作谐振器、换能器等，以及各种测压元件、压线电工业中作谐振器、换能器等，以及各种测压元

41、件、压线电工业中作谐振器、换能器等，以及各种测压元件、压线电工业中作谐振器、换能器等，以及各种测压元件、压电变压器、血压计、振动速度计等等。电变压器、血压计、振动速度计等等。电变压器、血压计、振动速度计等等。电变压器、血压计、振动速度计等等。在英国最近发明了一种在英国最近发明了一种在英国最近发明了一种在英国最近发明了一种“智能涂料智能涂料智能涂料智能涂料”。内含一种叫。内含一种叫。内含一种叫。内含一种叫PZTPZTPZTPZT的的的的细微压电晶体材料，当其受到拉、挤、压等力的作用时，细微压电晶体材料，当其受到拉、挤、压等力的作用时，细微压电晶体材料，当其受到拉、挤、压等力的作用时，细微压电晶体

42、材料，当其受到拉、挤、压等力的作用时，便会发出信号，人们通过对信号的监测、分析，就会对涂便会发出信号，人们通过对信号的监测、分析，就会对涂便会发出信号，人们通过对信号的监测、分析，就会对涂便会发出信号，人们通过对信号的监测、分析，就会对涂有有有有“智能涂料智能涂料智能涂料智能涂料”的建筑物的疲劳程度做出判断，以采取相应的建筑物的疲劳程度做出判断，以采取相应的建筑物的疲劳程度做出判断，以采取相应的建筑物的疲劳程度做出判断，以采取相应的对策。的对策。的对策。的对策。33.三、激光晶体三、激光晶体三、激光晶体三、激光晶体固体激光器是目前使用最多的激光器之一，激光器的固体激光器是目前使用最多的激光器之

43、一，激光器的固体激光器是目前使用最多的激光器之一，激光器的固体激光器是目前使用最多的激光器之一，激光器的核心核心核心核心(也称工作物质也称工作物质也称工作物质也称工作物质)是晶体材料。是晶体材料。是晶体材料。是晶体材料。在电或光的激励下可以产生激光的晶体，称之为激光在电或光的激励下可以产生激光的晶体，称之为激光在电或光的激励下可以产生激光的晶体，称之为激光在电或光的激励下可以产生激光的晶体，称之为激光晶体，由发光中心和基质组成。晶体，由发光中心和基质组成。晶体，由发光中心和基质组成。晶体，由发光中心和基质组成。最早实现激光输出的是：最早实现激光输出的是：最早实现激光输出的是：最早实现激光输出的

44、是：红宝石红宝石红宝石红宝石(Al(Al(Al(Al2 2 2 20 0 0 03 3 3 3：CrCrCrCr3+3+3+3+)激光器。激光器。激光器。激光器。使用最多的是：掺使用最多的是：掺使用最多的是：掺使用最多的是：掺钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石钕钇铝石榴石(YAG(YAG(YAG(YAG：NdNdNdNd3+3+3+3+)激光器激光器激光器激光器。34.1 1按组分分类按组分分类按组分分类按组分分类 【1 1 1 1】在基质晶体中掺入激活离子，以它作为在基质晶体中掺入激活离子，以它作为“发光中心发光中心”。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为它可决定激光发射的波长，基质晶体作

45、为“载体载体”，为其提，为其提供合适的供合适的“晶格场晶格场”。常用的激活离子：常用的激活离子：a a、过渡金属离子：、过渡金属离子：(Cr(Cr3+3+)b b、二、三价稀土离子：、二、三价稀土离子：NdNd3+3+、DyDy2+2+C C、锕系离子：、锕系离子：U U3+3+输输 出出 波波 长：紫外长：紫外(0.170.17m)-m)-中红外中红外(5.155.15m)m)如：红宝石如：红宝石(A1(A12 20 03 3：CrCr3+3+)钛宝石钛宝石(A1(A12 20 03 3：TiTi3+3+)掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(YAG(YAG：NdNd3+3+)35.【2 2 2 2

46、】化学计量激光晶体】化学计量激光晶体】化学计量激光晶体】化学计量激光晶体 这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可这种晶体的激发离子就是晶体本身的组成之一。可用来制作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。用来制作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。用来制作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。用来制作高效率、低阀值、小功率的微型激光器。如如如如:a.a.a.a.四磷酸锂四磷酸锂四磷酸锂四磷酸锂(LiP(LiP(LiP(LiP4 4 4 40 0 0 012121212)b.b.b.b.五磷酸钕五磷酸钕五磷酸

47、钕五磷酸钕(NdP(NdP(NdP(NdP5 5 5 50 0 0 04 4 4 4)c.c.c.c.四硼酸铝四硼酸铝四硼酸铝四硼酸铝Al(B0Al(B0Al(B0Al(B03 3 3 3)4 4 4 4 d.d.d.d.钨酸钕钠钨酸钕钠钨酸钕钠钨酸钕钠NaNdNaNdNaNdNaNd5 5 5 5(W0(W0(W0(W04 4 4 4)4 4 4 4 36.2 2 2 2：按发出激光波长范围分：按发出激光波长范围分：按发出激光波长范围分：按发出激光波长范围分 【1 1 1 1】发射单一频率的激光晶体】发射单一频率的激光晶体】发射单一频率的激光晶体】发射单一频率的激光晶体(固定频率固定频率固定

48、频率固定频率)：如：如：如：如：YAGYAGYAGYAG：NdNdNdNd3+3+3+3+(1.06(1.06(1.06(1.06m).A1m).A1m).A1m).A12 2 2 20 0 0 03 3 3 3：CrCrCrCr3+3+3+3+(6943(6943(6943(6943)【2 2 2 2】发射波长在一定范围内连续可调的晶体：】发射波长在一定范围内连续可调的晶体：】发射波长在一定范围内连续可调的晶体：】发射波长在一定范围内连续可调的晶体：如：如：如：如：A1A1A1A12 2 2 20 0 0 03 3 3 3：TiTiTiTi3+3+3+3+(0(0(0(066-1.0766-

49、1.0766-1.0766-1.07m)m)m)m)用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而用途：因其具有高方向性，高单色性，高相干性等特点，而 广为应用。广为应用。广为应用。广为应用。如：如：如：如：A A A A：工业：材料加工：工业：材料加工：工业：材料加工：工业：材料加工(打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割打孔、焊接、切割)。B B B B：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、

50、研究物质结构、固体物理、：自然科学：激光光谱学、研究物质结构、固体物理、电视、雷达。电视、雷达。电视、雷达。电视、雷达。C C C C：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。：医疗：眼科、外科、防治肿瘤。D D D D：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。：军事：激光测距、激光制导、激光炮、激光枪等。37.四、光学晶体四、光学晶体四、光学晶体四、光学晶体(普通光学晶体普通光学晶体普通光学晶体普通光学晶体)作为光学元件，主要用于光学仪器上的晶态学材