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1、非平衡材料研究室非平衡材料研究室非平衡材料研究室非平衡材料研究室西安理工大学西安理工大学西安理工大学西安理工大学晶体生长机理本讲稿第一页，共五十四页本讲稿第二页，共五十四页内容简介内容简介晶体生长过程相平衡晶体生长过程相平衡晶体形核理论晶体形核理论界面运动学界面运动学晶体生长过程的输运晶体生长过程的输运生长过程中界面稳定性生长过程中界面稳定性界面动力学问题界面动力学问题本讲稿第三页，共五十四页目目 录录第一章第一章 单晶体单晶体第二章第二章 晶体生长方法晶体生长方法第三章第三章 相平衡状态图相平衡状态图第第四四章章 晶晶体体生生长长过过程程中中的的输输运问题运问题第五章第五章 界面稳定性理论界

2、面稳定性理论第六章第六章 晶体形核理论晶体形核理论第七章第七章 界面结构与运动学理界面结构与运动学理论论第八章第八章 界面动力学理论界面动力学理论第九章第九章 晶体生长的基本问晶体生长的基本问题题第十章第十章 晶体的品质鉴定晶体的品质鉴定本讲稿第四页，共五十四页第一章第一章 单单 晶晶 体体1.1 新材料技术与单晶体新材料技术与单晶体1.材料的分类（按照用途分）材料的分类（按照用途分）本讲稿第五页，共五十四页本讲稿第六页，共五十四页2.2.晶体晶体BBO Crystal本讲稿第七页，共五十四页晶体材料在功能材料中占有重要地位，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这是由于它具有

3、一系列独特的物理性独特的物理性能能所决定的。所决定的。常见的晶体材料有：常见的晶体材料有：本讲稿第八页，共五十四页本讲稿第九页，共五十四页（1）激光晶体）激光晶体固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶体。体。早期的红宝石：早期的红宝石：(Al2O3:Cr3+)目前的掺钕钇铝石榴石：目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)目前在目前在350多种基质晶体和多种基质晶体和20多种激活离子的多种激活离子的约约70个跃迁波段上实现了受激发射。个跃迁波段上实现了受激发射。本讲稿第十页，共五十四页Nd:YVO4CrystalNd:YVO4crystalisoneoft

4、hemostexcellentlaserhostmaterials,itissuitablefordiodelaser-pumpedsolidstatelaser.本讲稿第十一页，共五十四页A）基基质质晶晶体体（载载体体）中中掺掺入入激激活活离离子子（发发光光中中心心Nd3+，Cr3+，Ho3+，Dy2+）。输输出出的的波波长长从从紫紫外外（0.17 m）到到中中红红外外（5.15 m）。如：红宝石如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石，掺钕钇铝石榴石YAG:Nd3+等。等。B）化化学学计计量量激激光光晶晶体体，这这种种晶晶体体的的激激化化离离子子就就是是晶晶体体组组成成之之一一。其其

5、特特点：高效、低值，功率小。点：高效、低值，功率小。分类（按组分分）分类（按组分分）本讲稿第十二页，共五十四页（2）非线性光学晶体）非线性光学晶体定义：定义：晶体当受到强电磁场作用时，由于非线性极化引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。起非线性光学效应。目的：目的：是实现光频率的转化：由于非线性光学晶体可以通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。程改变入射光和发射光频率的变化。本讲稿第十三页，共五十四页KDP and DKDP cryst

6、alsPotassiumDihydrogenPhosphate(KDP)andPotassiumDideuteriumPhosphate(DKDP)arecurrentlyusedforelectro-opticalmodulationandfrequencyconversion.CORETECHKDPandDKDPhavehighnonlinearcoefficientandhighopticaldamagethreshold,andcanbeusedelectro-opticalmodulator,Qswitchesandshuttersforhighspeedphotography.KH

7、2PO4KD2PO4本讲稿第十四页，共五十四页应用应用 激激光光频频率率转转换换、四四波波混混频频、光光束束转转向向、图图象象放放大大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。现状：现状：我国该领域领先我国该领域领先 本讲稿第十五页，共五十四页（3）电光晶体）电光晶体定义：定义：光通过有外加场的晶体时，光随着外加场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。制光传播的目的。这类晶体为电光晶体。应用：应用：光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、光通讯、光开关、

8、大屏幕显示、光储存、光雷达和光计算机等。光雷达和光计算机等。本讲稿第十六页，共五十四页要求：要求：在在使使用用的的波波长长范范围围内内，对对光光的的吸吸收收和和散散射射要要小小、电电阻阻率率要要大大、介介电电损损耗耗角角要要小小、化化学学稳稳定定、机机械械和和热热性性能能好好、半半波波电电压低等。压低等。本讲稿第十七页，共五十四页（4）声光晶体）声光晶体定义：定义：超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化的超声波通过晶体时，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，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形成超声导

9、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。用。这类晶体为声光晶体。应用：应用：高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机等。高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机等。本讲稿第十八页，共五十四页（5）磁光晶体）磁光晶体定义：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。化，这类晶体为磁光晶体。应用：应用：激光快速开关、

10、调制器、循环器及隔离器；计算机激光快速开关、调制器、循环器及隔离器；计算机储存器等。储存器等。本讲稿第十九页，共五十四页（6）热释电晶体）热释电晶体定义：定义：当温度发生变化时，晶体某一结晶学方向当温度发生变化时，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。应，这类晶体为热释电晶体。应用：应用：红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。本讲稿第二十页，共五十四页（7）压电晶体）压电晶体定义：定义：通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导致晶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

11、为压电效应，这类晶体体表面电荷的现象称为压电效应，这类晶体为压电晶体。为压电晶体。应用：应用：滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。本讲稿第二十一页，共五十四页（8）闪烁晶体）闪烁晶体定义：定义：当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会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。发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。应用：应用：核医学、核技术、空间物理等。核医学、核技术、空间物理等。本讲稿第二十二页，共五十四页（9）半导体晶体）半导体晶体定义：定义：电阻率处于导电体（电阻率处于导电体（10-5 .cm）和绝缘）和绝缘体（体（1010 .c

12、m）之间的晶体为半导体晶体。）之间的晶体为半导体晶体。应用：应用：声、光、电等。声、光、电等。本讲稿第二十三页，共五十四页（10）薄膜晶体）薄膜晶体定义：定义：1 m或以下厚度的或以下厚度的晶体。晶体。应用：应用：电子管和超大规模集成电路等。电子管和超大规模集成电路等。本讲稿第二十四页，共五十四页（11）晶体晶体除了以上谈到的晶体以外，尚有：铁电、硬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、快离子导质、绝缘、敏感、热光、超导体、快离子导体等等体等等。本讲稿第二十五页，共五十四页1.2 晶体生长单晶时原料（母相）状态对生长方法进行分类：晶体生长单晶时原料（母相）状态对生

13、长方法进行分类：气相气相液相液相固相固相本讲稿第二十六页，共五十四页1.晶体生长方法分类晶体生长方法分类晶晶体体生生长长方方法法溶液生长法溶液生长法熔液生长法熔液生长法气相生长法气相生长法固相生长法固相生长法薄膜生长法薄膜生长法降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝胶等胶等提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂区熔，浮区，基座等区熔，浮区，基座等真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相沉积等沉积等高压，再结晶等高压，再结晶等真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延，真空蒸发，分子束外延

14、，溅射，粒子束外延，液相外延，离子注入，液相外延，离子注入，LB膜等膜等本讲稿第二十七页，共五十四页 科科学学发发展展要要求求晶晶体体材材料料的的数数量量、品品质质、品品种种等等越越来来越越高高。晶晶体体生生长长方方法法各各有有其其特特点点，生生产产中中采采用用哪哪一一种种完完全全要要根根据据要要求来确定。求来确定。本讲稿第二十八页，共五十四页2.晶体生长方法发展动向晶体生长方法发展动向晶晶体体生生长长技技术术发发展展动动向向完整性完整性利用性利用性功能性功能性重复性重复性杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等大尺寸、异形、薄膜等大尺寸、异形、薄膜等极端条件下生长

15、，结构、组织的控制生长极端条件下生长，结构、组织的控制生长自动化，程序化，原材料规范化等自动化，程序化，原材料规范化等本讲稿第二十九页，共五十四页3.晶体生长研究方法晶体生长研究方法 晶晶体体生生长长研研究究方方法法同同其其它它材材料料的的研研究究方方法法相相同同，除除了了严严格格控控制制晶晶体体生生长长原原材材料料之之外外，对对晶晶体体的的结结构构、晶晶体体的的生生长长方方法法和和晶晶体体的的性性质质进进行行研研究究是是晶晶体体生生长长研研究究的的重重点点。由此可见：研究晶体生长必然以由此可见：研究晶体生长必然以 （1）晶体生长）晶体生长 （2）晶体物理）晶体物理 （3）晶体化学）晶体化学为

16、基础。为基础。简言之：简言之：本讲稿第三十页，共五十四页晶体生长晶体生长控制控制生长工艺生长工艺生长设备生长设备生长理论生长理论生长方法生长方法晶体物理晶体物理晶体化学晶体化学形貌形貌缺陷缺陷物性物性应用应用结构结构组成组成化学键化学键相关系相关系图图1.1 晶体学研究的基础内容及相互关系晶体学研究的基础内容及相互关系本讲稿第三十一页，共五十四页1.4 材料科学研究与发展方向材料科学研究与发展方向 （1）材料复合化）材料复合化 （2）纳米材料）纳米材料 （3）智能材料）智能材料 （4）生物医学材料）生物医学材料 （5）C60系列材料系列材料非平衡材料本讲稿第三十二页，共五十四页CCARBON本

17、讲稿第三十三页，共五十四页Carbonisanelementthatexistsinvariouspolymorphicforms,aswellasintheamorphousstate.本讲稿第三十四页，共五十四页This group of materials does notreally fall within any one of thetraditionalmetal,ceramic,polymerclassificationschemes.本讲稿第三十五页，共五十四页1.DIAMOND本讲稿第三十六页，共五十四页Diamond is a metastable carbonpolymo

18、rph at room temperatureandatmosphericpressure.Itscrystalstructureisavariantofthezincblende,inwhichcarbonatomsoccupyallpositions(bothZnandS),as indicated in the unit cellshowninFigure3.4.本讲稿第三十七页，共五十四页Figure A unit cell for the diamond cubic crystal structure.本讲稿第三十八页，共五十四页2.GRAPHITE本讲稿第三十九页，共五十四页Gra

19、phite has a crystal structure distinctlydifferent from that of diamond and is alsomorestablethandiamondatambienttemperatureandpressure.本讲稿第四十页，共五十四页Thegraphitestructureiscomposedoflayersof hexagonally arranged carbon atoms;within the layers,each carbon atom isbonded tothree coplanar neighbor atoms b

20、ystrong covalent bonds.The fourth bondingelectronparticipatesinaweakvanderWaalstypeofbondbetweenthelayers.本讲稿第四十一页，共五十四页Figure The structure of graphite.covalentbondWeakvanderWaalstype本讲稿第四十二页，共五十四页3.FULLERENES本讲稿第四十三页，共五十四页Anotherpolymorphic formofcarbonwasdiscovered in 1985.It exists in discretemo

21、lecular form,and consists of a hollowsphericalclusterofsixtycarbonatoms.本讲稿第四十四页，共五十四页AsinglemoleculeisdenotedbyC60.本讲稿第四十五页，共五十四页Eachmoleculeiscomposedofgroupsofcarbon atoms that are bonded to oneanother to form both hexagon(six-carbonatom)andpentagon(five-carbonatom)geometricalconfigurations.本讲稿第四

22、十六页，共五十四页One such molecule is found toconsist of 20 hexagons and 12pentagons,which are arrayed suchthat no two pentagons share acommonside;themolecularsurfacethus exhibits the symmetry of asoccerball.本讲稿第四十七页，共五十四页ThematerialcomposedofC60moleculesisknownasbuckminsterfullerene,named in honorofR.Buckm

23、insterFuller,whoinventedthegeodesicdome.本讲稿第四十八页，共五十四页C60 is often referred to as buckyballforshort.Thetermfullerene isusedtodenotetheclass of materials that are composed ofthistypeofmolecule.Hereweare!本讲稿第四十九页，共五十四页Figure The structure of a C60 molecule.本讲稿第五十页，共五十四页Asapurecrystallinesolid,thismate

24、rialiselectrically insulating.However,withproperimpurityadditions,itcanbemadehighlyconductiveandsemiconductive.本讲稿第五十一页，共五十四页Asafinalnote,molecularshapesotherthanthe ball clusters recently have beendiscovered;theseincludenanoscaletubularandpolyhedralstructures.本讲稿第五十二页，共五十四页Itisanticipatedthat,withfurtherdevelopments,thefullereneswillbecometechnologicallyimportantmaterials.本讲稿第五十三页，共五十四页1.5 材料科学材料科学 本讲稿第五十四页，共五十四页