晶體生長原理與技術(shù)

1、晶體生長原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱一、課程說明（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分；課程名稱：晶體生長原理及電化學(xué)基礎(chǔ)所屬專業(yè)：金屬材料物理學(xué)課程性質(zhì)：專業(yè)方向選修課，學(xué)位課，必修環(huán)節(jié)學(xué)分：4 學(xué)時：72（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)；課程簡介：本課程將在緒論中，對人工晶體生長的基本概念，研究范疇，研究歷史和晶體生長方法分類等基本概念進行簡要介紹。然后分4篇進行論述。第一篇為晶體生長的基本原理，將分 5章，對晶體生長過程的熱力學(xué)和動力學(xué)原理，結(jié)晶界面形貌與結(jié)構(gòu)，形核與生長的動力學(xué)過程進行描述。第二篇為晶體生長的技術(shù)基礎(chǔ)，將分3章，對晶體生長過程的涉及的傳熱、傳質(zhì)及流體流動原理，晶體生長過程的化學(xué)原

2、理和晶體生長過程控制涉及的物理原理進行論述。第三篇為晶體生長技術(shù)，將分4章對熔體生長、溶液生長、氣相生長的主要方法及其控制原理進行論述。第四篇，晶體的性能表征與缺陷，將分 2章，分別對晶體的結(jié)構(gòu)、性能的主要表征方法，晶體的結(jié)構(gòu)缺陷形成 與控制原理進行論述。目標(biāo)與任務(wù)：掌握晶體生長的基本物理原理，學(xué)會將基本物理知識運用與晶體生長過程分析討 論。（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接；修完普通物理學(xué)及四大力學(xué)課程、固體物理課程后才可學(xué)習(xí)該課程，該課程向前聯(lián)系基本物理 知識的運用，向后銜接研究生科學(xué)研究中遇到的實際結(jié)晶學(xué)問題。（四）教材與主要參考書。教材兩本：晶體生長原理

3、與技術(shù)，介萬奇，北京：科學(xué)出版社， 2010參考書：晶體生長科學(xué)與技術(shù)上、下冊,張克從，凝聚態(tài)物理學(xué)叢書，北京：科學(xué)出版社，1997人工晶體：生長技術(shù)、性能與應(yīng)用，張玉龍，唐磊，化學(xué)工業(yè)出版社，2005晶體生長基礎(chǔ)，姚連增，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1995，閔乃本，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1982（五）主講教師。主講：王君教師梯隊：閆德，耿柏松，卓仁富，吳志國二、課程內(nèi)容與安排緒論（ 1 學(xué)時）交代本課程的主要內(nèi)容， 講授方式， 學(xué)生需要掌握和了解的內(nèi)容， 與已經(jīng)學(xué)過的課程的相關(guān)性，在后續(xù)的學(xué)習(xí)中的地位和作用。第一篇 晶體生長的基本原理第 1 章 晶體1.1 晶體的基本概念1.1.1 晶體的結(jié)構(gòu)特

4、征1.1.2 晶體結(jié)構(gòu)與點陣1.1.3 晶向與晶面1.1.4 晶體的結(jié)構(gòu)缺陷概述1.2 晶體材料1.2.1 常見晶體材料的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2 按照功能分類的晶體材料1.3 晶體生長技術(shù)的發(fā)展1.4 晶體生長技術(shù)基礎(chǔ)及其與其他學(xué)科的聯(lián)系（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 3 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容： 晶體的基本結(jié)構(gòu)及表示方法，晶體中常見的缺陷及產(chǎn)生，常見晶體結(jié)構(gòu)及材料?！局攸c掌握】 ： 晶體中的缺陷及晶體結(jié)構(gòu)?！菊莆铡浚?常見晶體結(jié)構(gòu)即材料?！倦y點】： 晶體缺陷。第 2 章 晶體生長的熱力學(xué)原理2.1 晶體生長過程的物相及其熱力學(xué)描述#1.1.1 氣體的結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)描述1.1.2 液體

5、的結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)描述1.1.3 固體的結(jié)構(gòu)及其熱力學(xué)參數(shù)1.1.4 相界面及其熱力學(xué)分析1.1.5 晶體生長的熱力學(xué)條件2.2 單質(zhì)晶體生長熱力學(xué)原理2.2.1 單質(zhì)晶體生長過程中的熱力學(xué)平衡2.2.2 液相及氣相生長的熱力學(xué)條件及驅(qū)動力2.2.3 固態(tài)再結(jié)晶的熱力學(xué)條件2.3 二元系的晶體生長熱力學(xué)原理2.3.1 二元合金中的化學(xué)位2.3.2 液- 固界面的平衡與溶質(zhì)分凝2.3.3 氣-液及氣 - 固平衡2.4 多組元系晶體生長熱力學(xué)分析2.4.1 多元體系的自由能2.4.2 多元系結(jié)晶過程的熱力學(xué)平衡條件2.4.3 相圖計算技術(shù)的應(yīng)用2.5 化合物晶體生長熱力學(xué)原理2.5.1 化合物分解與合

6、成過程的熱力學(xué)分析2.5.2 復(fù)雜二元及多元化合物體系的簡化處理2.5.3 化合物晶體非化學(xué)計量比的成分偏離與晶體結(jié)構(gòu)缺陷2.5.4 熔體中的短程序及締合物（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論及講授， 8 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：描述不同結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)參數(shù)，晶體生長的熱力學(xué)條件，單質(zhì)、合金、多元晶體生長的熱力學(xué)原理?！局攸c掌握】 ： 單質(zhì)及二元合金生長的熱力學(xué)條件?！菊莆铡浚?多元合金生長熱力學(xué)條件分析過程。第 3 章 晶體生長的動力學(xué)原理3.1 結(jié)晶界面的微觀結(jié)構(gòu)3.1.1 結(jié)晶界面結(jié)構(gòu)的經(jīng)典模型3.2 結(jié)晶界面的原子遷移過程與生長速率3.3 晶體生長的本征形態(tài)3.3.1 晶體生長形態(tài)的

7、熱力學(xué)分析3.3.2 晶體生長形態(tài)的動力學(xué)描述（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 4 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：晶體界面的結(jié)構(gòu)及模型，晶體生長時界面原子的遷移過程及晶體的生長速率，晶體生長的形態(tài)與界面微觀結(jié)構(gòu)及生長熱力學(xué)分析和動力學(xué)描述。【重點掌握】 ： 晶體生長過程中原子的遷移過程及生長熱力學(xué)和動力學(xué)。【掌握】： 結(jié)晶界面的微觀結(jié)構(gòu)及生長形態(tài)。【難點】： 晶體生長的動力學(xué)過程。第 4 章 實際晶體生長形態(tài)的形成原理4.1 晶體生長驅(qū)動力與平面結(jié)晶界面的失穩(wěn)4.2 枝晶的形成條件與生長形態(tài)4.3 枝晶陣列的生長4.3.1 hunt 模型4.3.2 kurz-fi

8、sher 模型4.3.3 lu-hunt 數(shù)值模型4.4 強各向異性晶體強制生長形態(tài)4.5 多相協(xié)同生長4.5.1 亞共晶生長4.5.2 共晶生長4.5.3 偏晶生長4.5.4 包晶生長（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論及講授， 8 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：晶體生長形態(tài)及模型原理，晶體生長形態(tài)與相圖的關(guān)系?！局攸c掌握】 ： 晶體生長形態(tài)的模型及生長形態(tài)與相圖的關(guān)系。【掌握】： 二元合金相圖。【難點】： 晶體生長形態(tài)的形成原理。第 5 章 晶體生長過程的形核原理5.1 均質(zhì)形核理論5.1.1 熔體中的均質(zhì)形核理論5.1.2 氣相與固相中的均質(zhì)形核5.1.3 均質(zhì)形核理論的發(fā)展5.2 異質(zhì)

9、形核5.2.1 異質(zhì)形核的基本原理5.2.2 異質(zhì)外延生長過程中的形核5.3 多元多相合金結(jié)晶過程中的形核5.3.1 多組元介質(zhì)中的形核5.3.2 多相形核過程的分析5.4 特殊條件下的形核問題5.4.1 溶液中的形核5.4.2 電化學(xué)形核5.4.3 超臨界液體結(jié)晶過程中的形核（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論及講授， 8 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容： 均勻形核、非均勻形核，多組元合金的形核及特殊條件下的形核： 特殊條件下的形核。： 晶體生長形態(tài)的形成原理。第二篇 晶體生長的技術(shù)基礎(chǔ)第 6 章 晶體生長過程的傳輸問題6.1 晶體生長過程的傳質(zhì)原理6.1.1 溶質(zhì)擴散的基本方程6.1.2 擴

10、散過程的求解條件與分析方法6.1.3 擴散系數(shù)的本質(zhì)及其處理方法6.1.4 晶體生長過程擴散的特性6.1.5 多組元的協(xié)同擴散6.1.6 外場作用下的擴散6.2 晶體生長過程的傳熱原理6.2.1 晶體生長過程的導(dǎo)熱6.2.2 晶體生長過程的輻射換熱6.2.3 晶體生長過程的對流換熱與界面換熱6.2.4 晶體生長過程溫度場的測控方法與技術(shù)6.3 晶體生長過程的液相流動6.3.1 流動的起因與分類6.3.2 流體的黏度6.3.3 流體流動的控制方程6.3.4 流體流動過程的求解條件與分析方法6.3.5 層流與紊流的概念及典型層流過程分析6.3.6 雙擴散對流6.3.7 marangoni 對流（一

11、）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 8 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：晶體生長過程中的擴散問題、導(dǎo)熱問題、流動問題【重點掌握】 ： 晶體生長過程的擴散及生長熱力學(xué)。【掌握】 ： 導(dǎo)熱及液體流動對晶體生長的影響。： 晶體形核的熱力學(xué)原理。5【難點】 ： 晶體生長的擴散及熱力學(xué)第 7 章 晶體生長過程中的化學(xué)問題7.1 晶體生長過程相關(guān)的化學(xué)原理7.1.1 晶體生長過程的化學(xué)反應(yīng)7.1.2 物質(zhì)的主要化學(xué)性質(zhì)和化學(xué)定律7.1.3 化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理7.1.4 化學(xué)反應(yīng)過程的熱效應(yīng)7.1.5 化學(xué)反應(yīng)的尺寸效應(yīng)7.1.6 晶體生長過程的其他化學(xué)問題7.2 原料的提純7.2.1 氣化凝結(jié)法7.2.2

12、萃取法7.2.3 電解提純法7.2.4 區(qū)熔法7.3 晶體生長原料的合成原理7.3.1 熔體直接反應(yīng)合成7.3.2 溶液中的反應(yīng)合成7.3.3 氣相反應(yīng)合成7.3.4 固相反應(yīng)合成7.3.5 自蔓延合成（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 8 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：晶體生長過程中的一些與化學(xué)相關(guān)的反應(yīng)、定律及原理，原料的提純及合成原理?！局攸c掌握】 ： 晶體生長過程中的化學(xué)問題。【掌握】： 原料的提純及合成原理。【難點】： 晶體生長中的化學(xué)問題。第 8 章 晶體生長過程物理場的作用1.1.1 重力場中的壓力1.1.2 微重力場的特性與影響1.1.3 超重力場的特性與影響1.1.4 晶

13、體生長過程的高壓技術(shù)8.2 晶體生長過程中的應(yīng)力分析8.2.1 應(yīng)力場計算的基本方程8.2.2 應(yīng)力場的分析方法8.2.3 應(yīng)力作用下的塑性變形8.2.4 薄膜材料中的應(yīng)力8.3 電場在晶體生長過程中的作用原理8.3.1 材料的電導(dǎo)特性8.3.2 材料的電介質(zhì)特性8.3.3 晶體生長相關(guān)的電學(xué)原理8.3.4 電場在晶體生長過程應(yīng)用的實例8.4 電磁場在晶體生長過程中應(yīng)用的基本原理8.4.1 電磁效應(yīng)及磁介質(zhì)的性質(zhì)8.4.2 電磁場的作用原理8.4.3 電磁懸浮技術(shù)8.4.4 電磁場對對流的控制作用（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 6 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：晶體生長過程中的壓力作用

14、原理，應(yīng)力分析以及重力場、電場、電磁場對晶體生長的影響及作用原理。【重點掌握】 ： 晶體生長過程中應(yīng)力的影響。【掌握】： 重力場、電場、電磁場對晶體生長的影響。【難點】： 應(yīng)力分析。第三篇 晶體生長技術(shù)第 9 章 熔體法晶體生長（ 1 ） bridgman 法及其相似方法cz法及其他熔體生長方法第10章熔體法晶體生長（2）第11章溶液法晶體生長第12章氣相晶體生長方法（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂討論， 10 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：熔體、液體及氣相晶體生長方法?！局攸c掌握】 ： 熔體法及氣相生長過程?！菊莆铡浚?溶液法晶體生長過程?！倦y點】： 晶體生長過程中的物理問題。第四篇晶體缺陷分析與性能表征第 13 章 晶體缺陷的形成與控制第 14 章 晶體的結(jié)構(gòu)與性能表征（一）教學(xué)方法與學(xué)時分配課堂授課， 6 學(xué)時（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：點缺陷、線缺陷及面缺陷的形成與控制方法，對晶體性能的影響；晶體結(jié)構(gòu)及性能表征方法。【重點掌握】 ： 缺陷