晶体生长机理

非平衡材料研究室西安理工大学晶体生长基础郭学锋材料科学与工程学院非平衡材料研究室西安理工大学非平衡材料研究室西安理工大学内容简介•晶体生长过程相平衡•晶体形核理论•界面运动学•晶体生长过程的输运•生长过程中界面稳定性•界面动力学问题非平衡材料研究室西安理工大学目录•第一章单晶体•第二章晶体生长方法•第三章相平衡状态图•第四章晶体生长过程中的输运问题•第五章界面稳定性理论•第六章晶体形核理论•第七章界面结构与运动学理论•第八章界面动力学理论•第九章晶体生长的基本问题•第十章晶体的品质鉴定非平衡材料研究室西安理工大学第一章单晶体1.1新材料技术与单晶体1.材料的分类（按照用途分）非平衡材料研究室西安理工大学结构材料晶体材料功能材料材料分类（用途）非平衡材料研究室西安理工大学2.晶体BBOCrystal非平衡材料研究室西安理工大学•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独特的物理性能所决定的。•常见的晶体材料有：非平衡材料研究室西安理工大学激光晶体非线性光学晶体电光晶体声光晶体磁光晶体热释电晶体压电晶体闪烁晶体半导体晶体薄膜晶体X－射线分光晶体光学晶体晶体非平衡材料研究室西安理工大学（1）激光晶体•固体激光器的发光材料，通常被称为激光晶体。早期的红宝石：(Al2O3:Cr3+)目前的掺钕钇铝石榴石：(YAG:Nd3+)•目前在350多种基质晶体和20多种激活离子的约70个跃迁波段上实现了受激发射。非平衡材料研究室西安理工大学Nd:YVO4CrystalNd:YVO4crystalisoneofthemostexcellentlaserhostmaterials,itissuitablefordiodelaser-pumpedsolidstatelaser.非平衡材料研究室西安理工大学A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+，Ho3+，Dy2+）。输出的波长从紫外（~0.17m）到中红外（~5.15m）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石YAG:Nd3+等。B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之一。其特点：高效、低值，功率小。分类（按组分分）非平衡材料研究室西安理工大学（2）非线性光学晶体•定义：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。•目的：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程改变入射光和发射光频率的变化。非平衡材料研究室西安理工大学KDPandDKDPcrystalsPotassiumDihydrogenPhosphate(KDP)andPotassiumDideuteriumPhosphate(DKDP)arecurrentlyusedforelectro-opticalmodulationandfrequencyconversion.CORETECHKDPandDKDPhavehighnonlinearcoefficientandhighopticaldamagethreshold,andcanbeusedelectro-opticalmodulator,Qswitchesandshuttersforhighspeedphotography.KH2PO4KD2PO4非平衡材料研究室西安理工大学•应用激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。•现状：我国该领域领先非平衡材料研究室西安理工大学（3）电光晶体•定义：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制光传播的目的。这类晶体为电光晶体。•应用：光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、光雷达和光计算机等。非平衡材料研究室西安理工大学•要求：在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和热性能好、半波电压低等。非平衡材料研究室西安理工大学（4）声光晶体•定义：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，当光通过折射率周期性变化的晶体时，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。•应用：高速激光印刷系统、激光雷达、光计算机等。非平衡材料研究室西安理工大学（5）磁光晶体•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。•应用：激光快速开关、调制器、循环器及隔离器；计算机储存器等。非平衡材料研究室西安理工大学（6）热释电晶体•定义：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应，这类晶体为热释电晶体。•应用：红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。非平衡材料研究室西安理工大学（7）压电晶体•定义：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为压电效应，这类晶体为压电晶体。•应用：滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。非平衡材料研究室西安理工大学（8）闪烁晶体•定义：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。•应用：核医学、核技术、空间物理等。非平衡材料研究室西安理工大学（9）半导体晶体•定义：电阻率处于导电体（10-5.cm）和绝缘体（1010.cm）之间的晶体为半导体晶体。•应用：声、光、电等。非平衡材料研究室西安理工大学（10）薄膜晶体•定义：1m或以下厚度的晶体。•应用：电子管和超大规模集成电路等。非平衡材料研究室西安理工大学（11）……晶体•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、快离子导体等等。非平衡材料研究室西安理工大学1.2晶体生长单晶时原料（母相）状态对生长方法进行分类：气相液相固相非平衡材料研究室西安理工大学1.晶体生长方法分类晶体生长方法溶液生长法熔液生长法气相生长法固相生长法薄膜生长法降温，恒温蒸发，温差水热，循环流动，凝胶等提拉，下降，焰熔，导模，冷坩埚，助熔剂区熔，浮区，基座等真空蒸发镀膜，升华，气相外延，化学气相沉积等高压，再结晶等真空蒸发，分子束外延，溅射，粒子束外延，液相外延，离子注入，LB膜等非平衡材料研究室西安理工大学科学发展要求晶体材料的数量、品质、品种等越来越高。晶体生长方法各有其特点，生产中采用哪一种完全要根据要求来确定。非平衡材料研究室西安理工大学2.晶体生长方法发展动向晶体生长技术发展动向完整性利用性功能性重复性杂质、缺陷的控制，特殊环境下生长等大尺寸、异形、薄膜等极端条件下生长，结构、组织的控制生长自动化，程序化，原材料规范化等非平衡材料研究室西安理工大学3.晶体生长研究方法晶体生长研究方法同其它材料的研究方法相同，除了严格控制晶体生长原材料之外，对晶体的结构、晶体的生长方法和晶体的性质进行研究是晶体生长研究的重点。由此可见：研究晶体生长必然以（1）晶体生长（2）晶体物理（3）晶体化学为基础。简言之：非平衡材料研究室西安理工大学晶体生长控制生长工艺生长设备生长理论生长方法晶体物理晶体化学形貌缺陷物性应用结构组成化学键相关系图1.1晶体学研究的基础内容及相互关系非平衡材料研究室西安理工大学1.4材料科学研究与发展方向（1）材料复合化（2）纳米材料（3）智能材料（4）生物医学材料（5）C60系列材料非平衡材料非平衡材料研究室西安理工大学C－CARBON非平衡材料研究室西安理工大学•Carbonisanelementthatexistsinvariouspolymorphicforms,aswellasintheamorphousstate.非平衡材料研究室西安理工大学•Thisgroupofmaterialsdoesnotreallyfallwithinanyoneofthetraditionalmetal,ceramic,polymerclassificationschemes.非平衡材料研究室西安理工大学1.DIAMOND非平衡材料研究室西安理工大学•Diamondisametastablecarbonpolymorphatroomtemperatureandatmosphericpressure.Itscrystalstructureisavariantofthezincblende,inwhichcarbonatomsoccupyallpositions(bothZnandS),asindicatedintheunitcellshowninFigure3.4.非平衡材料研究室西安理工大学FigureAunitcellforthediamondcubiccrystalstructure.非平衡材料研究室西安理工大学2.GRAPHITE非平衡材料研究室西安理工大学•Graphitehasacrystalstructuredistinctlydifferentfromthatofdiamondandisalsomorestablethandiamondatambienttemperatureandpressure.非平衡材料研究室西安理工大学•Thegraphitestructureiscomposedoflayersofhexagonallyarrangedcarbonatoms;withinthelayers,eachcarbonatomisbondedtothreecoplanarneighboratomsbystrongcovalentbonds.ThefourthbondingelectronparticipatesinaweakvanderWaalstypeofbondbetweenthelayers.非平衡材料研究室西安理工大学FigureThestructureofgraphite.covalentbondWeakvanderWaalstype非平衡材料研究室西安理工大学3.FULLERENES非平衡材料研究室西安理工大学•Anotherpolymorphicformofcarbonwasdiscoveredin1985.Itexistsindiscretemolecularform,andconsistsofahollowsphericalclusterofsixtycarbonatoms.非平衡材料研究室西安理工大学•AsinglemoleculeisdenotedbyC60.非平衡材料研究室西安理工大学•Eachmoleculeiscomposedofgroupsofcarbonatomsthatarebondedtooneanothertoformbothhexagon(six-carbonatom)andpentagon(five-carbonatom)geometricalconfigurations.非平衡材料研究室西安理工大学•Onesuchmoleculeisfoundtoconsistof20hexagonsand12pentagons,whicharearrayedsuchthatnotwopentagonsshareacommonside;themolecularsurfacethusexhibitsthesymmetryofasoccerball.非平衡材料研究室西安理工大学•ThematerialcomposedofC60moleculesisknownasbuckminsterfullerene,namedinhonorofR.BuckminsterFuller,whoinventedthegeodesicdome.非平衡材料研究室西安理工大学•C60isoftenreferredtoas‘‘buckyball’’forshort.•Thetermfullereneisusedtodenotetheclassofmaterialsthatarecomposedofthistypeofmolecule.Hereweare!非平衡材料研究室西安理工大学FigureThes