材料合成與制備黃焱球第2章

1、第二章第二章 單晶的合成與生長單晶的合成與生長 合成單晶（又稱人工晶體）是很多現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品如光學(xué)合成單晶（又稱人工晶體）是很多現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)品如光學(xué)儀器、電子產(chǎn)品、計算機等的基礎(chǔ)材料，對存儲、計算、通儀器、電子產(chǎn)品、計算機等的基礎(chǔ)材料，對存儲、計算、通訊、傳感、激光和太陽能利用等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展起著決定性訊、傳感、激光和太陽能利用等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展起著決定性作用。作用。第一節(jié)第一節(jié) 單晶生長的方法單晶生長的方法單晶生長的方法很多，選擇何種方法，主要由所用的原料及單晶生長的方法很多，選擇何種方法，主要由所用的原料及晶體的性質(zhì)決定。晶體的性質(zhì)決定。growth of the single-crys

2、tals概括起來，主要有以下幾種方法：概括起來，主要有以下幾種方法：1. 溶液法。溶液法。 這是一種在常壓以及較低溫度的條件下進行晶體生長的方這是一種在常壓以及較低溫度的條件下進行晶體生長的方法。其基本原理是將原料溶解于溶劑中，然后采取措施使溶法。其基本原理是將原料溶解于溶劑中，然后采取措施使溶液處于過飽和狀態(tài)，從而使晶體生長。液處于過飽和狀態(tài)，從而使晶體生長。2. 水熱法。水熱法。 這是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或這是利用高溫高壓的水溶液使那些在大氣條件下不溶或難溶于水的物質(zhì)溶解或反應(yīng)生成物溶解，并達到一定的過難溶于水的物質(zhì)溶解或反應(yīng)生成物溶解，并達到一定的過飽和度，以進行結(jié)

3、晶和生長的方法。飽和度，以進行結(jié)晶和生長的方法。3. 高溫溶液法（助熔劑法）。高溫溶液法（助熔劑法）。 這是一種重要的單晶生長方法。通過選擇適合的助熔劑，這是一種重要的單晶生長方法。通過選擇適合的助熔劑，使高熔點的物質(zhì)在較低溫度下熔融，形成高溫溶液，再采取使高熔點的物質(zhì)在較低溫度下熔融，形成高溫溶液，再采取一定措施使高溫溶液過冷或過飽和，從而使晶體生長。一定措施使高溫溶液過冷或過飽和，從而使晶體生長。4. 熔體法。熔體法。 這是制備大單晶和特定形狀單晶的最常用、最重要的一這是制備大單晶和特定形狀單晶的最常用、最重要的一種方法。種方法。 熔體生長過程只涉及固液相變過程，在受控制的條件熔體生長過程

4、只涉及固液相變過程，在受控制的條件下，使熔體定向凝固，原子或分子從無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?，從下，使熔體定向凝固，原子或分子從無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?，從而使多晶物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉А６苟嗑镔|(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉А?從熔體中生長晶體有兩種類型：從熔體中生長晶體有兩種類型： 一是晶體與熔體成分相同。這是一種單元體系，生一是晶體與熔體成分相同。這是一種單元體系，生長過程中，晶體與熔體的成分均保持恒定，熔點不變，容長過程中，晶體與熔體的成分均保持恒定，熔點不變，容易得到高質(zhì)量的晶體，且可以有較高的生長速率。易得到高質(zhì)量的晶體，且可以有較高的生長速率。 二是生長的晶體與熔體的成分不同。這是一種二元二是生長的晶體與熔體的成分不同。這是

5、一種二元或多元體系，生長過程中，晶體和熔體的成分均不斷變化，或多元體系，生長過程中，晶體和熔體的成分均不斷變化，熔點也隨之變化，熔點與凝固點不再是一個確定的數(shù)值，熔點也隨之變化，熔點與凝固點不再是一個確定的數(shù)值，很難得到均勻的單晶。很難得到均勻的單晶。 溶液生長的范疇包括水溶液、有機溶劑和其他溶液生長的范疇包括水溶液、有機溶劑和其他溶劑的溶液、熔鹽（高溫溶液）以及水熱條件下的溶劑的溶液、熔鹽（高溫溶液）以及水熱條件下的溶液等，這里討論的主要是水溶液中生長晶體的問溶液等，這里討論的主要是水溶液中生長晶體的問題。題。1. 基本條件基本條件(1) 溶解度溶解度 物質(zhì)的溶解度特征對溶液中生長晶體的方法

6、有重要影響。物質(zhì)的溶解度特征對溶液中生長晶體的方法有重要影響。對于溶解度較大、且具有大的溶解度溫度系數(shù)的物質(zhì)，可采對于溶解度較大、且具有大的溶解度溫度系數(shù)的物質(zhì)，可采用降溫法生長；對于溶解度溫度系數(shù)較小或具有負的溶解度用降溫法生長；對于溶解度溫度系數(shù)較小或具有負的溶解度溫度系數(shù)的物質(zhì)，則應(yīng)采用蒸發(fā)法生長。溫度系數(shù)的物質(zhì)，則應(yīng)采用蒸發(fā)法生長。10020030002040601234濃濃 度度 （g / 100g h2o）溫度（溫度（）1. 酒石酸鉀鈉2. 酒石酸鉀3. 硫酸甘氨酸4. 硫酸鋰一些水溶性晶體的溶解度曲線一些水溶性晶體的溶解度曲線(2) 過飽和度過飽和度過飽和度有以下幾種表示方法：過

7、飽和度有以下幾種表示方法：濃度驅(qū)動力濃度驅(qū)動力 c： c c c *；過飽和比過飽和比 s ：s cc *過飽和度或相對過飽和度過飽和度或相對過飽和度 ： cc * s 1c 為溶液的實際濃度，c*為同一溫度下的平衡飽和濃度。溶液從飽和狀態(tài)到過飽和狀態(tài)之間存在一個不能自發(fā)溶液從飽和狀態(tài)到過飽和狀態(tài)之間存在一個不能自發(fā)結(jié)晶的過飽和區(qū)域，稱結(jié)晶的過飽和區(qū)域，稱 “亞穩(wěn)過飽和區(qū)亞穩(wěn)過飽和區(qū)”。t*tcc*不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)亞亞穩(wěn)穩(wěn)區(qū)區(qū)穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)b溫度溫度濃濃 度度cc*t*ttc穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)：即不飽和區(qū)，不可能發(fā)生結(jié)晶作用。：即不飽和區(qū)，不可能發(fā)生結(jié)晶作用。亞穩(wěn)（過飽和）區(qū)亞穩(wěn)（過飽和）區(qū)：處于該區(qū)

8、的溶液不會自發(fā)地發(fā)生結(jié)晶：處于該區(qū)的溶液不會自發(fā)地發(fā)生結(jié)晶作用，但如有籽晶存在時，則晶體就會在籽晶上生長。作用，但如有籽晶存在時，則晶體就會在籽晶上生長。不穩(wěn)（過飽和）區(qū)不穩(wěn)（過飽和）區(qū)：處于該區(qū)的溶液會自發(fā)地發(fā)生成核、：處于該區(qū)的溶液會自發(fā)地發(fā)生成核、結(jié)晶作用結(jié)晶作用。亞穩(wěn)區(qū)最重要，從溶液亞穩(wěn)區(qū)最重要，從溶液中生長晶體都是在該區(qū)中生長晶體都是在該區(qū)內(nèi)進行。內(nèi)進行。c = cc*ttt* 在過飽和度的驅(qū)動下，溶液體系會出現(xiàn)核的生長，即在過飽和度的驅(qū)動下，溶液體系會出現(xiàn)核的生長，即成核。成核。 在第一章已講過，成核有兩種情況，一種為在第一章已講過，成核有兩種情況，一種為均勻成均勻成核，核，另一種

9、為另一種為非均勻成核非均勻成核。 在單晶生長中，需要限制核的形成。通常是引入籽在單晶生長中，需要限制核的形成。通常是引入籽晶。晶。 在生長體系中，引入籽晶，為成核提供有利的界面。在生長體系中，引入籽晶，為成核提供有利的界面。與其它部位相比，籽晶表面成核能位壘較低，是成核和與其它部位相比，籽晶表面成核能位壘較低，是成核和生長的有利部位。生長的有利部位。2. 生長技術(shù)生長技術(shù) 溶液法生長晶體的關(guān)鍵是溶液法生長晶體的關(guān)鍵是控制溶液的過飽和度控制溶液的過飽和度。在晶體。在晶體生長過程中，維持過飽和度的途徑有：生長過程中，維持過飽和度的途徑有： 根據(jù)溶解度曲線，改變溫度；根據(jù)溶解度曲線，改變溫度； 移去

10、溶劑（蒸發(fā)、電解），改變?nèi)芤撼煞?；移去溶劑（蒸發(fā)、電解），改變?nèi)芤撼煞郑?通過化學(xué)反應(yīng)控制過飽和度。因反應(yīng)速度比晶體生通過化學(xué)反應(yīng)控制過飽和度。因反應(yīng)速度比晶體生長速度快，需采取措施加以控制，如通過凝膠擴散，長速度快，需采取措施加以控制，如通過凝膠擴散，使反應(yīng)緩慢進行等；使反應(yīng)緩慢進行等； 用亞穩(wěn)相來控制過飽和度，即利用某些物質(zhì)的穩(wěn)定用亞穩(wěn)相來控制過飽和度，即利用某些物質(zhì)的穩(wěn)定相與亞穩(wěn)相的溶解度差別，控制一定溫度，使亞穩(wěn)相與亞穩(wěn)相的溶解度差別，控制一定溫度，使亞穩(wěn)相不斷溶解，穩(wěn)定相不斷生長。（相不斷溶解，穩(wěn)定相不斷生長。（注意物質(zhì)的注意物質(zhì)的“穩(wěn)穩(wěn)定相、亞穩(wěn)相定相、亞穩(wěn)相”與溶液的與溶液的“穩(wěn)

11、定區(qū)、亞穩(wěn)區(qū)穩(wěn)定區(qū)、亞穩(wěn)區(qū)”的差的差別別）水浴育晶裝置水浴育晶裝置起始溫度：起始溫度：5060；降溫區(qū)間：降溫區(qū)間：1520；降溫速度：根據(jù)具體情況嚴格降溫速度：根據(jù)具體情況嚴格 控制，精度越高越好（目控制，精度越高越好（目 前已達前已達 0.001左右）。左右）。溶解度溫度系數(shù)最好為溶解度溫度系數(shù)最好為 1.5g / 1000g 溶液溶液 生長裝置有：生長裝置有：水浴育晶裝置；水浴育晶裝置；直接加熱的轉(zhuǎn)動直接加熱的轉(zhuǎn)動育晶器；育晶器；雙浴槽育晶裝置。雙浴槽育晶裝置。蒸發(fā)法育晶裝置蒸發(fā)法育晶裝置冷凝器使蒸汽凝結(jié)，冷凝器使蒸汽凝結(jié)，積聚于上部小杯中，積聚于上部小杯中，通過虹吸管移出育晶通過虹吸管

12、移出育晶器外。器外。晶體生長過程中，晶體生長過程中，取水速度應(yīng)小于冷取水速度應(yīng)小于冷凝速度，使大部分凝速度，使大部分冷凝水回流到液面冷凝水回流到液面上，否則液面易產(chǎn)上，否則液面易產(chǎn)生自發(fā)結(jié)晶。生自發(fā)結(jié)晶。溫度計溫度計控制器控制器底部底部加熱器加熱器水水適合于在較高生長適合于在較高生長溫度（溫度（ 60）。）。二、水熱法晶體生長技術(shù)二、水熱法晶體生長技術(shù) 水熱法是晶體生長的重要方法，在很多晶體的生長中得水熱法是晶體生長的重要方法，在很多晶體的生長中得到應(yīng)用。已經(jīng)生長的晶體包括：以壓電水晶、紅藍寶石為代到應(yīng)用。已經(jīng)生長的晶體包括：以壓電水晶、紅藍寶石為代表的氧化物；以石榴石、鐵氧體為代表的復(fù)合氧化

13、物；以冰表的氧化物；以石榴石、鐵氧體為代表的復(fù)合氧化物；以冰洲石為代表的碳酸鹽；以及部分硅酸鹽、硫化物、磷酸鹽、洲石為代表的碳酸鹽；以及部分硅酸鹽、硫化物、磷酸鹽、鍺酸鹽等單晶。其中優(yōu)質(zhì)壓電晶體鍺酸鹽等單晶。其中優(yōu)質(zhì)壓電晶體 alpo4 和和 gapo4 以及重以及重要光學(xué)晶體要光學(xué)晶體 ktiopo4 等為近年用水熱法生長的新晶體典型等為近年用水熱法生長的新晶體典型代表。代表。 與溶液法一樣，水熱法晶體生長的驅(qū)動力也是溶液的過與溶液法一樣，水熱法晶體生長的驅(qū)動力也是溶液的過飽和度，因此，水熱法生長晶體的方法與溶液法相似，主要飽和度，因此，水熱法生長晶體的方法與溶液法相似，主要包括：溫差法、降

14、溫法（或升溫法）以及等溫法等。包括：溫差法、降溫法（或升溫法）以及等溫法等。水熱生長晶體的裝置高壓釜水熱生長晶體的裝置高壓釜這是一種溫差法生長晶體的典型裝置。這是一種溫差法生長晶體的典型裝置。培養(yǎng)晶體的原料放在高壓釜的下部，籽培養(yǎng)晶體的原料放在高壓釜的下部，籽晶懸掛在釜的上部。釜內(nèi)溫度下部相對晶懸掛在釜的上部。釜內(nèi)溫度下部相對較高。釜內(nèi)充填以一定容量和濃度的礦較高。釜內(nèi)充填以一定容量和濃度的礦化劑溶液作為溶劑介質(zhì)。當釜內(nèi)溶液因化劑溶液作為溶劑介質(zhì)。當釜內(nèi)溶液因上下部之間存在溫差而產(chǎn)生對流時，高上下部之間存在溫差而產(chǎn)生對流時，高溫區(qū)的飽和溶液便輸運到低溫區(qū)，形成溫區(qū)的飽和溶液便輸運到低溫區(qū)，形成

15、過飽和狀態(tài)，使晶體生長。過飽和狀態(tài)，使晶體生長。培養(yǎng)料培養(yǎng)料t1t2晶體晶體t1 t11. 必要條件必要條件 晶體原料在高溫高壓下的某種礦化劑水溶液中，具有一晶體原料在高溫高壓下的某種礦化劑水溶液中，具有一定的溶解度（如定的溶解度（如 1.55），并形成穩(wěn)定的單一晶相；），并形成穩(wěn)定的單一晶相； 有足夠大的溶解度溫度系數(shù)，以便能在適當?shù)臏夭钕滦斡凶銐虼蟮娜芙舛葴囟认禂?shù)，以便能在適當?shù)臏夭钕滦纬勺銐虻倪^飽和度而又不產(chǎn)生過分的自發(fā)成核；成足夠的過飽和度而又不產(chǎn)生過分的自發(fā)成核； 有適合晶體生長所需的一定切型和規(guī)格的籽晶，并使原有適合晶體生長所需的一定切型和規(guī)格的籽晶，并使原料的總面積與籽晶的總面積

16、之比達到足夠大；料的總面積與籽晶的總面積之比達到足夠大； 溶液密度的溫度系數(shù)要足夠大，使溶液在適當?shù)臏夭顥l溶液密度的溫度系數(shù)要足夠大，使溶液在適當?shù)臏夭顥l件下具有引起晶體生長的溶液對流和溶質(zhì)傳輸作用；件下具有引起晶體生長的溶液對流和溶質(zhì)傳輸作用； 備有耐高溫高壓抗腐蝕的容器。備有耐高溫高壓抗腐蝕的容器。2. 技術(shù)要點技術(shù)要點（1）結(jié)晶溫度與溫差）結(jié)晶溫度與溫差 溫度決定著結(jié)晶的活化能、溶質(zhì)的濃度、溶液的對流溫度決定著結(jié)晶的活化能、溶質(zhì)的濃度、溶液的對流以及過飽和狀態(tài)，因此，選擇適當?shù)慕Y(jié)晶溫度和控制合適以及過飽和狀態(tài)，因此，選擇適當?shù)慕Y(jié)晶溫度和控制合適的溫差是快速生長優(yōu)質(zhì)晶體的決定性因素之一。的

17、溫差是快速生長優(yōu)質(zhì)晶體的決定性因素之一。 在其他條件恒定的情況下，晶體生長的速率一般隨結(jié)在其他條件恒定的情況下，晶體生長的速率一般隨結(jié)晶溫度的提高而加快。研究表明，很多晶體生長速率的對晶溫度的提高而加快。研究表明，很多晶體生長速率的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。有以下經(jīng)驗公式：數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。有以下經(jīng)驗公式：d lg vd tcr t 2v 為生長速率（為生長速率（mm/ d）；）；c 為常數(shù)；為常數(shù)；r為理想氣體常為理想氣體常量；量；t為絕對溫度（為絕對溫度（k）。）。 溫差是指其他條件不變的情況下，生長區(qū)與溫差是指其他條件不變的情況下，生長區(qū)與溶解區(qū)之間的溫度差。溫差的大小

18、決定著溶溶解區(qū)之間的溫度差。溫差的大小決定著溶液對流狀態(tài)、溶質(zhì)的傳輸和生長區(qū)溶質(zhì)的過液對流狀態(tài)、溶質(zhì)的傳輸和生長區(qū)溶質(zhì)的過飽和度。一般來說，溫差越大，生長區(qū)溶液飽和度。一般來說，溫差越大，生長區(qū)溶液的過飽和度越大，生長速率越快。的過飽和度越大，生長速率越快。 只要選擇適當?shù)臏囟取毫?，并調(diào)整溫差，只要選擇適當?shù)臏囟取毫?，并調(diào)整溫差，便可獲得理想的晶體生長速率。便可獲得理想的晶體生長速率。（2）壓力）壓力壓力是作為容器內(nèi)的溶劑及其濃度、初始充填度、溫壓力是作為容器內(nèi)的溶劑及其濃度、初始充填度、溫度、溫差的函數(shù)而存在的。加大壓力就意味著其他參度、溫差的函數(shù)而存在的。加大壓力就意味著其他參量的改變

19、以及溶解度和質(zhì)量傳輸?shù)脑鰪?，因此可提高量的改變以及溶解度和質(zhì)量傳輸?shù)脑鰪?，因此可提高晶面的生長速率。晶面的生長速率。壓力可通過增加充填度來實現(xiàn)。增加充填度一方面可壓力可通過增加充填度來實現(xiàn)。增加充填度一方面可提高晶體生長速率，另一方面可克服低壓高溫下生長提高晶體生長速率，另一方面可克服低壓高溫下生長區(qū)溶質(zhì)供應(yīng)不足的情況，有利于改善晶體質(zhì)量。區(qū)溶質(zhì)供應(yīng)不足的情況，有利于改善晶體質(zhì)量。 （3）緩沖器）緩沖器 緩沖器是各種具有單孔或多孔的圓盤或傘狀盤，它的作緩沖器是各種具有單孔或多孔的圓盤或傘狀盤，它的作用是調(diào)節(jié)生長系統(tǒng)的溶液對流或質(zhì)量傳輸狀態(tài)。用是調(diào)節(jié)生長系統(tǒng)的溶液對流或質(zhì)量傳輸狀態(tài)。 在溶解區(qū)與

20、生長區(qū)之間插入一個緩沖器，可使高壓釜在溶解區(qū)與生長區(qū)之間插入一個緩沖器，可使高壓釜內(nèi)獲得分別近似等溫的溶解區(qū)與生長區(qū)，有利于建立適當內(nèi)獲得分別近似等溫的溶解區(qū)與生長區(qū)，有利于建立適當?shù)臏夭?，使生長區(qū)達到比較均勻的質(zhì)量傳輸狀態(tài)，從而提的溫差，使生長區(qū)達到比較均勻的質(zhì)量傳輸狀態(tài)，從而提高晶體生長速率，并使生長區(qū)上下部晶體速率接近。高晶體生長速率，并使生長區(qū)上下部晶體速率接近。（4）溶劑（礦化劑溶液）的化學(xué)成分及其濃度）溶劑（礦化劑溶液）的化學(xué)成分及其濃度 水熱生長體系中引入礦化劑有利于提高晶體物質(zhì)的溶水熱生長體系中引入礦化劑有利于提高晶體物質(zhì)的溶解度，提高晶體的生長速率。解度，提高晶體的生長速率。

21、水熱晶體生長中，常用的礦化劑有以下五類：水熱晶體生長中，常用的礦化劑有以下五類： 堿金屬及銨的鹵化物；堿金屬及銨的鹵化物； 堿金屬的氫氧化物；堿金屬的氫氧化物； 弱酸（弱酸（h2co3，h3bo3，h3po4，h2s）與堿金屬形成）與堿金屬形成的鹽類；的鹽類； 強酸的鹽類；強酸的鹽類；酸類（一般為無機酸）。酸類（一般為無機酸）。其中，堿金屬的鹵化物及氫氧化物最有效，應(yīng)用最廣。其中，堿金屬的鹵化物及氫氧化物最有效，應(yīng)用最廣。 這些礦化劑對結(jié)晶速率的影響都是通過結(jié)晶物質(zhì)的溶這些礦化劑對結(jié)晶速率的影響都是通過結(jié)晶物質(zhì)的溶解度與溫度壓力的關(guān)系來體現(xiàn)的。解度與溫度壓力的關(guān)系來體現(xiàn)的。 礦化劑濃度的增加一

22、般可提高晶體的溶解度和生長速礦化劑濃度的增加一般可提高晶體的溶解度和生長速率，但若礦化劑濃度過高，則會引起溶液的粘度和密度增率，但若礦化劑濃度過高，則會引起溶液的粘度和密度增加，影響溶液的對流，不利于晶體生長。加，影響溶液的對流，不利于晶體生長。（5）培養(yǎng)料與籽晶）培養(yǎng)料與籽晶培養(yǎng)料與籽晶一般均為天然晶體。培養(yǎng)料與籽晶一般均為天然晶體。對培養(yǎng)料要求主要是純度高，要求在對培養(yǎng)料要求主要是純度高，要求在 99.9以上。以上。籽晶是從天然晶體中切取，要求無宏觀弊病和孿生，位籽晶是從天然晶體中切取，要求無宏觀弊病和孿生，位錯密度低，以確保晶體的生長質(zhì)量。錯密度低，以確保晶體的生長質(zhì)量。 培養(yǎng)料的溶解總

23、面積與籽晶生長的總面積之比，對培養(yǎng)料的溶解總面積與籽晶生長的總面積之比，對晶體生長有影響。在相同生長參量下，釜內(nèi)籽晶懸掛得晶體生長有影響。在相同生長參量下，釜內(nèi)籽晶懸掛得少時，其生長速率比籽晶懸掛得多時要大，即生長速率少時，其生長速率比籽晶懸掛得多時要大，即生長速率與籽晶面積成反比。與籽晶面積成反比。3. 研究裝置研究裝置 水熱晶體生長是在密閉的容器中進行，其反應(yīng)狀態(tài)及水熱晶體生長是在密閉的容器中進行，其反應(yīng)狀態(tài)及其過程不易觀察和了解。為此，一些學(xué)者提了一些新穎而其過程不易觀察和了解。為此，一些學(xué)者提了一些新穎而實用的研究方案和裝置。實用的研究方案和裝置。shternberg 采用定量監(jiān)控溶質(zhì)

24、傳采用定量監(jiān)控溶質(zhì)傳輸?shù)闹亓糠治鲅b置來研究晶體生長過程中材料轉(zhuǎn)移的動力輸?shù)闹亓糠治鲅b置來研究晶體生長過程中材料轉(zhuǎn)移的動力學(xué)情況。這種裝置巧妙地將簡單的平衡原理應(yīng)用在復(fù)雜的學(xué)情況。這種裝置巧妙地將簡單的平衡原理應(yīng)用在復(fù)雜的晶體生長研究上，對我們開拓思路具有很好的啟發(fā)作用。晶體生長研究上，對我們開拓思路具有很好的啟發(fā)作用。高壓釜高壓釜爐子爐子加熱器加熱器防護套筒防護套筒熱電偶熱電偶刀口刀口環(huán)環(huán)橫桿橫桿平衡砝碼平衡砝碼稱重砝碼稱重砝碼垂桿垂桿油阻尼器油阻尼器衡重式高壓釜裝置衡重式高壓釜裝置水平固定的高壓釜水平固定的高壓釜其重心懸掛在垂桿其重心懸掛在垂桿的支點上，釜體可的支點上，釜體可以在爐子中自由擺

25、以在爐子中自由擺動。當釜內(nèi)的材料動。當釜內(nèi)的材料質(zhì)量從一端移到另質(zhì)量從一端移到另一端時，支點即偏一端時，支點即偏離垂軸。通過添加離垂軸。通過添加砝碼使釜體恢復(fù)到砝碼使釜體恢復(fù)到水平位置，從重量水平位置，從重量的變化可以知道釜的變化可以知道釜內(nèi)是否有晶體生長內(nèi)是否有晶體生長及其生長速率的大及其生長速率的大小。小。研究晶體生長動力學(xué)用的高壓釜裝置研究晶體生長動力學(xué)用的高壓釜裝置三、高溫溶液法（助熔劑法）晶體生長技術(shù)三、高溫溶液法（助熔劑法）晶體生長技術(shù)1. 助熔劑及其選擇助熔劑及其選擇 助熔劑有兩種類型：一類是金屬，主要用于半導(dǎo)體單晶助熔劑有兩種類型：一類是金屬，主要用于半導(dǎo)體單晶的生長；另一類為

26、氧化物和鹵化物等化合物，主要用于氧化的生長；另一類為氧化物和鹵化物等化合物，主要用于氧化物和離子材料的生長，其包括四大類：物和離子材料的生長，其包括四大類： 簡單離子性鹽類簡單離子性鹽類：nacl，lif等，其溶解能力低，使用少；等，其溶解能力低，使用少； 極性化合物極性化合物：bi2o3、pbo、pbf2等，其在熔融狀態(tài)下的導(dǎo)等，其在熔融狀態(tài)下的導(dǎo)電性、溶解能力很強，常與溶質(zhì)形成復(fù)雜的離子團（絡(luò)合電性、溶解能力很強，常與溶質(zhì)形成復(fù)雜的離子團（絡(luò)合離子），具有很強的離子性，應(yīng)用廣泛；離子），具有很強的離子性，應(yīng)用廣泛； 網(wǎng)絡(luò)溶液網(wǎng)絡(luò)溶液：以硼化物為代表，其熔點低，揮發(fā)性低，特別：以硼化物為代表

27、，其熔點低，揮發(fā)性低，特別適用于籽晶生長，應(yīng)用廣泛；適用于籽晶生長，應(yīng)用廣泛； 復(fù)雜反應(yīng)溶液復(fù)雜反應(yīng)溶液：鎢酸鹽、鉬酸鹽、鹵化物等，其溶液與溶：鎢酸鹽、鉬酸鹽、鹵化物等，其溶液與溶質(zhì)有較強的鍵合能力，在晶體生長過程中常有化學(xué)反應(yīng)發(fā)質(zhì)有較強的鍵合能力，在晶體生長過程中常有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因而應(yīng)用不廣泛。生，因而應(yīng)用不廣泛。在進行助熔劑選擇時，必須考慮以下幾方面的物理化學(xué)性質(zhì)：在進行助熔劑選擇時，必須考慮以下幾方面的物理化學(xué)性質(zhì)： 對晶體材料有足夠大的溶解度，一般應(yīng)為對晶體材料有足夠大的溶解度，一般應(yīng)為1050，且在，且在生長溫度范圍內(nèi)有適度的溶解度溫度系數(shù)。該系數(shù)過大時，生長溫度范圍內(nèi)有適度的溶解

28、度溫度系數(shù)。該系數(shù)過大時，生長速率不易控制，常引起自發(fā)成核。該系數(shù)過小時，則生長速率不易控制，常引起自發(fā)成核。該系數(shù)過小時，則生長速率很小。一般在生長速率很小。一般在10的范圍內(nèi)即可。的范圍內(nèi)即可。 在盡可能大的溫度壓力等條件范圍內(nèi)與溶質(zhì)的作用應(yīng)是可在盡可能大的溫度壓力等條件范圍內(nèi)與溶質(zhì)的作用應(yīng)是可逆的，不形成穩(wěn)定的其它化合物，晶體是唯一穩(wěn)定相。逆的，不形成穩(wěn)定的其它化合物，晶體是唯一穩(wěn)定相。 助熔劑在晶體中的固溶度應(yīng)盡可能小。助熔劑在晶體中的固溶度應(yīng)盡可能小。 應(yīng)具有盡可能小的粘滯性，以利于溶質(zhì)和能量的輸運。應(yīng)具有盡可能小的粘滯性，以利于溶質(zhì)和能量的輸運。 應(yīng)具有盡可能低的熔點和盡可能高的沸

29、點，以便有較寬的應(yīng)具有盡可能低的熔點和盡可能高的沸點，以便有較寬的生長溫度范圍可供選擇。生長溫度范圍可供選擇。 應(yīng)具有很小的揮發(fā)性（除助熔劑揮發(fā)法外）和毒性。應(yīng)具有很小的揮發(fā)性（除助熔劑揮發(fā)法外）和毒性。 對坩堝無腐蝕性。對坩堝無腐蝕性。 應(yīng)易溶于對晶體無腐蝕作用的溶液如水、酸、堿溶液等。應(yīng)易溶于對晶體無腐蝕作用的溶液如水、酸、堿溶液等。 在熔融狀態(tài)時，其比重應(yīng)與晶體材料相近，否則上下濃度在熔融狀態(tài)時，其比重應(yīng)與晶體材料相近，否則上下濃度不均一。不均一。adbecfncndtatctetbteut溶質(zhì)液相亞穩(wěn)的過飽和溶液液相（不飽和溶液）溶質(zhì)凝固溶劑從助熔劑溶液中產(chǎn)生過飽和的方法從助熔劑溶液中

30、產(chǎn)生過飽和的方法abf緩冷法；緩冷法；ad蒸發(fā)法；蒸發(fā)法；ce溫度梯度輸運法。溫度梯度輸運法。2. 生長方法的選擇生長方法的選擇晶體生長的驅(qū)動力是溶液的過飽和度，因此晶體生長的基晶體生長的驅(qū)動力是溶液的過飽和度，因此晶體生長的基本條件是使溶液產(chǎn)生適當?shù)倪^飽和度。采用緩慢冷卻、溶本條件是使溶液產(chǎn)生適當?shù)倪^飽和度。采用緩慢冷卻、溶劑蒸發(fā)、溫度梯度等均可獲得過飽和度。劑蒸發(fā)、溫度梯度等均可獲得過飽和度。溫度溫度濃度濃度控制熱電偶控制熱電偶熱電偶熱電偶熱電偶熱電偶典型緩冷法晶體生長裝置典型緩冷法晶體生長裝置坩堝底部墊上坩堝底部墊上一塊陶瓷板，一塊陶瓷板，使坩堝底部溫使坩堝底部溫度比上部低幾度比上部低幾

31、度十幾度，度十幾度，有利于底部成有利于底部成核生長。核生長。t2助熔劑擋熱板t1t1 t2t2冷凝管熔液助熔劑t1蒸發(fā)法生長晶體的助熔劑回收裝置蒸發(fā)法生長晶體的助熔劑回收裝置（2）溶劑揮發(fā)法）溶劑揮發(fā)法 該法設(shè)備簡單，無需降溫儀器，但要求助熔劑有足夠該法設(shè)備簡單，無需降溫儀器，但要求助熔劑有足夠高的揮發(fā)性。高的揮發(fā)性。 助熔劑蒸氣多有毒和腐蝕性，助熔劑蒸氣多有毒和腐蝕性，危害大，需注意防護。危害大，需注意防護。用空氣或水冷卻用空氣或水冷卻提拉提拉觀察口觀察口熱電偶熱電偶(a) 自發(fā)成核自發(fā)成核(b) 侵入溶液的侵入溶液的籽晶生長籽晶生長(c) 頂部籽晶提拉頂部籽晶提拉 以下幾種是大容積溫度以下

32、幾種是大容積溫度梯度輸運法晶體生長裝置。梯度輸運法晶體生長裝置。（3）溫差法）溫差法 有兩種溫度梯度類型，一為在整個溶液中建立溫度梯度；有兩種溫度梯度類型，一為在整個溶液中建立溫度梯度；另一為采用溶劑浮區(qū)移動。另一為采用溶劑浮區(qū)移動。t1t2 把一薄層（約把一薄層（約 1 mm）的助熔劑放置在籽晶和多晶）的助熔劑放置在籽晶和多晶之間，以高梯度溫場加熱，多晶在助熔劑作用下發(fā)生部之間，以高梯度溫場加熱，多晶在助熔劑作用下發(fā)生部分溶解。在薄層熔區(qū)中產(chǎn)生濃度梯度，使物質(zhì)向低分溶解。在薄層熔區(qū)中產(chǎn)生濃度梯度，使物質(zhì)向低多晶料多晶料溶劑區(qū)溶劑區(qū)籽晶籽晶多晶料多晶料加熱片加熱片籽晶籽晶溶劑區(qū)溶劑區(qū)熔區(qū)隨環(huán)形

33、加熱圈沿熔區(qū)隨環(huán)形加熱圈沿試樣相對移動試樣相對移動熔區(qū)隨加熱熔區(qū)隨加熱片沿試樣相片沿試樣相對移動對移動移移 動動薄層溶劑浮區(qū)法：薄層溶劑浮區(qū)法：濃度冷晶面擴濃度冷晶面擴散，從而形成散，從而形成過飽和，使晶過飽和，使晶體生長。體生長。電子天平電子天平觸輪觸輪阻尼阻尼機構(gòu)機構(gòu)硬鋁板硬鋁板至排風扇至排風扇氧化鋁管氧化鋁管陶瓷塞陶瓷塞加熱元件加熱元件鉑絲鉑絲絕熱材料絕熱材料加助熔劑加助熔劑的熔體的熔體空氣人口空氣人口熱電偶熱電偶 過飽和溫度是助過飽和溫度是助熔劑法生長晶體的重熔劑法生長晶體的重要參數(shù)。對過飽和溫要參數(shù)。對過飽和溫度的測定大多是用將度的測定大多是用將熔體迅速淬火的方法熔體迅速淬火的方法來

34、進行。這種方法一來進行。這種方法一次只能測出溶解度曲次只能測出溶解度曲線上的一個點。現(xiàn)在線上的一個點?，F(xiàn)在有人利用高靈敏度天有人利用高靈敏度天平來從事測定過飽和平來從事測定過飽和溫度和進行晶體生長溫度和進行晶體生長動力學(xué)的研究。這是動力學(xué)的研究。這是一項極有開拓性和創(chuàng)一項極有開拓性和創(chuàng)新性的工作。新性的工作。4. 研究裝置研究裝置四、熔體法晶體生長技術(shù)四、熔體法晶體生長技術(shù) 熔體生長過程只涉及固液相變過程，這是熔體在受熔體生長過程只涉及固液相變過程，這是熔體在受控制的條件下的定向凝固過程?？刂频臈l件下的定向凝固過程。晶體生長的必要條件是：晶體生長的必要條件是：生長界面處于過冷狀態(tài)。生長界面處于

35、過冷狀態(tài)。有兩種類型：有兩種類型： 晶體與熔體成分相同，即單元體系；晶體與熔體成分相同，即單元體系； 晶體與熔體成分不同，即二元或多元體系。晶體與熔體成分不同，即二元或多元體系。 固液相之間的自由能的差值固液相之間的自由能的差值 g 是結(jié)晶過程的驅(qū)動是結(jié)晶過程的驅(qū)動力。力。 g 與過冷度與過冷度 t 成正比，加大成正比，加大 t 便增大結(jié)晶驅(qū)動力。便增大結(jié)晶驅(qū)動力。對于自發(fā)成核系統(tǒng)，在結(jié)晶的起始階段必須提供很大的過對于自發(fā)成核系統(tǒng)，在結(jié)晶的起始階段必須提供很大的過冷度。冷度。1. 生長體系及生長條件生長體系及生長條件提拉法示意圖提拉法示意圖籽晶籽晶晶體晶體提拉桿提拉桿2. 生長方法生長方法（1

36、）提拉法）提拉法 本法是熔體法中最常本法是熔體法中最常用的方法之一，能夠順利用的方法之一，能夠順利生長某些易揮發(fā)的化合物生長某些易揮發(fā)的化合物（如（如gap和含和含pb的化合物）的化合物）和特殊形狀的晶體（如八和特殊形狀的晶體（如八面型、長硅管面型、長硅管 2.5m 、漏斗形等復(fù)雜形狀的藍寶漏斗形等復(fù)雜形狀的藍寶石晶體、帶狀硅和氧化物石晶體、帶狀硅和氧化物晶體等）。晶體等）。 帶籽晶的提拉桿在籽帶籽晶的提拉桿在籽晶與熔體接觸后緩慢旋轉(zhuǎn)晶與熔體接觸后緩慢旋轉(zhuǎn)上升，在界面處形成溫差，上升，在界面處形成溫差，產(chǎn)生過產(chǎn)生過冷冷，使晶體生長。，使晶體生長。在提拉法中，近年引入了三種技術(shù)：在提拉法中，近年

37、引入了三種技術(shù)： 晶體直徑的自動控制技術(shù)（晶體直徑的自動控制技術(shù)（adc技術(shù)）。這使生長技術(shù)）。這使生長過程實現(xiàn)自動化控制，提高了晶體質(zhì)量和成品率。過程實現(xiàn)自動化控制，提高了晶體質(zhì)量和成品率。 液相封蓋技術(shù)和高壓單晶爐生長技術(shù)（液相封蓋技術(shù)和高壓單晶爐生長技術(shù)（lec技術(shù)）。技術(shù)）。這使某些具有較高蒸汽壓或高離解壓的材料的生長變成現(xiàn)這使某些具有較高蒸汽壓或高離解壓的材料的生長變成現(xiàn)實。實。 導(dǎo)模法生長技術(shù)（導(dǎo)模法生長技術(shù)（efg技術(shù)）。這使晶體的形狀技術(shù)）。這使晶體的形狀和尺寸變成可進行人為精確控制，晶體質(zhì)量和均勻性也和尺寸變成可進行人為精確控制，晶體質(zhì)量和均勻性也得到改善。得到改善。導(dǎo)模形狀

38、導(dǎo)模形狀導(dǎo)模法導(dǎo)模法生長示生長示意圖意圖晶體晶體熔體熔體模具模具晶體晶體熔體熔體模具模具導(dǎo)模法中常用的兩種模具導(dǎo)模法中常用的兩種模具晶體形狀的控制導(dǎo)模法晶體形狀的控制導(dǎo)模法 目前通過導(dǎo)模法已目前通過導(dǎo)模法已經(jīng)生長出片狀、帶狀、經(jīng)生長出片狀、帶狀、管狀、纖維狀晶體。管狀、纖維狀晶體。泡生法示意圖泡生法示意圖籽晶籽晶晶體晶體提拉桿提拉桿（2）泡生法）泡生法 受冷籽晶與熔體接觸，受冷籽晶與熔體接觸，在界面形成溫度梯度，而使在界面形成溫度梯度，而使晶體生長。為使晶體不斷長晶體生長。為使晶體不斷長大，需逐漸降溫，同時旋轉(zhuǎn)大，需逐漸降溫，同時旋轉(zhuǎn)晶體，也可以緩慢（或分階晶體，也可以緩慢（或分階段）上提晶體

39、。段）上提晶體。 本法多用于含某種過本法多用于含某種過量組分的體系。量組分的體系。垂直式垂直式 爐絲爐絲水平式水平式坩堝移動法示意圖坩堝移動法示意圖（3）坩堝移動法）坩堝移動法 讓熔體在坩堝中冷卻而凝固。凝固過程是由坩堝的讓熔體在坩堝中冷卻而凝固。凝固過程是由坩堝的一端向另一端擴展，可通過移動固液界面來完成，方一端向另一端擴展，可通過移動固液界面來完成，方式包括：移動坩堝，或移動加熱爐。式包括：移動坩堝，或移動加熱爐。 本法主要用于生長堿金屬、堿土金屬的鹵化物晶體。其本法主要用于生長堿金屬、堿土金屬的鹵化物晶體。其優(yōu)點是能制造出大直徑晶體。優(yōu)點是能制造出大直徑晶體。高溫計高溫計氦氣氦氣真空泵真

40、空泵熱交換器熱交換器加熱元件加熱元件真空爐殼真空爐殼熱交換法示意圖熱交換法示意圖（4）熱交換法）熱交換法 通過熱交換器通過熱交換器控制坩堝底部的溫控制坩堝底部的溫度梯度。籽晶放在度梯度。籽晶放在坩堝底部中間，原坩堝底部中間，原料加熱熔化時，由料加熱熔化時，由于坩堝底部熱交換于坩堝底部熱交換器的冷卻，籽晶不器的冷卻，籽晶不熔化。隨著熱交換熔化。隨著熱交換器冷卻氣流的加大，器冷卻氣流的加大，籽晶逐漸長大，最籽晶逐漸長大，最終遍及整個坩堝。終遍及整個坩堝。晶體晶體熔區(qū)熔區(qū)多晶多晶加熱器加熱器水平區(qū)熔法示意圖水平區(qū)熔法示意圖（5）水平區(qū)熔法）水平區(qū)熔法 通過局部加熱，使原料的狹小區(qū)域在其他部分均處于通

41、過局部加熱，使原料的狹小區(qū)域在其他部分均處于固態(tài)時發(fā)生熔融，形成熔區(qū)。使坩堝緩慢通過高溫區(qū)，熔固態(tài)時發(fā)生熔融，形成熔區(qū)。使坩堝緩慢通過高溫區(qū)，熔區(qū)會從一端向另一端移動，晶體也隨之生長，掃過整個坩區(qū)會從一端向另一端移動，晶體也隨之生長，掃過整個坩堝。堝。多晶多晶晶體晶體熔體熔體射頻射頻感應(yīng)圈感應(yīng)圈浮區(qū)法示意圖浮區(qū)法示意圖聚光燈聚光燈 1聚光燈聚光燈 2碘鎢燈碘鎢燈雙球式光聚焦加熱示意圖雙球式光聚焦加熱示意圖加熱溫度可達加熱溫度可達21002800（6）浮區(qū)法）浮區(qū)法 原料先制成棒狀，然后局部加熱形原料先制成棒狀，然后局部加熱形成區(qū)熔。移動原料棒或熱源，使生長界成區(qū)熔。移動原料棒或熱源，使生長界面

42、由一端向另一端移動，形成晶體。面由一端向另一端移動，形成晶體。the single-crystal growth methods, czochralski growthv1=v2(d2/d1)2v2v1the single-crystal growth methods, float-zoningv2=v1(d1/d2)2v1v2熱源熱源熔體熔體晶體晶體籽晶籽晶多晶材料多晶材料提拉桿提拉桿（激光）（激光）基座法示意圖基座法示意圖（7）基座法）基座法 與浮區(qū)法相似，但其與浮區(qū)法相似，但其多晶原料棒比晶體的直徑多晶原料棒比晶體的直徑要大得多。是一種無坩堝要大得多。是一種無坩堝技術(shù)。通過激光等熱源加技

43、術(shù)。通過激光等熱源加熱，使原料棒上端熔化，熱，使原料棒上端熔化，籽晶與熔體接觸，并向上籽晶與熔體接觸，并向上旋轉(zhuǎn)提拉，使晶體生長。旋轉(zhuǎn)提拉，使晶體生長。它是制備單晶纖維的常用它是制備單晶纖維的常用方法之一。方法之一。（8）焰熔法（火焰法）焰熔法（火焰法）h2o2h2o2下降機構(gòu)下降機構(gòu)籽晶籽晶晶體晶體爐體爐體燃燒室燃燒室料斗料斗振動裝置振動裝置高溫計高溫計以輻射、等離子體、電弧加熱。以輻射、等離子體、電弧加熱。生長棒狀晶體生長棒狀晶體生長管狀晶體生長管狀晶體工業(yè)上生長寶石的主要方法。工業(yè)上生長寶石的主要方法。原料為原料為粉料粉料燃燒室燃燒室h2o2h2o2以輻射、等離子體、電弧加熱。以輻射、等

44、離子體、電弧加熱。生長盤狀晶體生長盤狀晶體生長片狀晶體生長片狀晶體燃燒室燃燒室燃燒室燃燒室實例：單晶硅的生長實例：單晶硅的生長多晶硅原料多晶硅原料單晶生長爐單晶生長爐單晶硅單晶硅單晶硅基片單晶硅基片small section of a scs micro actuator array.單晶硅：微電子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)單晶硅：微電子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)500m五、人工晶體的性能與應(yīng)用（五、人工晶體的性能與應(yīng)用（properties and applications of synthetic crystals）1. 晶體的壓電與鐵電性質(zhì)晶體的壓電與鐵電性質(zhì)（piezoelectricity and ferroe

45、lectricity of synthetic crystal）psecproe電滯回線電滯回線（1）鐵電性）鐵電性晶體在一定溫度范圍晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向隨且其自發(fā)極化方向隨外電場方向的改變而外電場方向的改變而改變。這種性質(zhì)稱鐵改變。這種性質(zhì)稱鐵電性。電性。鐵電陶瓷的電滯回線鐵電陶瓷的電滯回線（2）壓電性）壓電性 沿某些晶體施加一定方向的作用力時，隨著形變的沿某些晶體施加一定方向的作用力時，隨著形變的產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷，產(chǎn)生，會在其某兩個相對的表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，或當

46、外力去掉形變消失后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，或者因外電場的作用而產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為者因外電場的作用而產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為“壓電效壓電效應(yīng)應(yīng)”。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電體。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電體。f ff f極化面極化面q q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機械能機械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性具有鐵電性的晶體均具有壓電性，但并不是所有的壓具有鐵電性的晶體均具有壓電性，但并不是所有的壓電體都具有鐵電性，如石英晶體具有壓電性質(zhì)，但無電體都具有鐵電性，如石英晶體具有壓電性質(zhì)，但無鐵電性。鐵電性。壓電效應(yīng)是描述晶體中電學(xué)和機械性

47、質(zhì)之間相互耦合壓電效應(yīng)是描述晶體中電學(xué)和機械性質(zhì)之間相互耦合特征的物理性質(zhì)，其分為兩類：特征的物理性質(zhì)，其分為兩類： 正壓電效應(yīng)：由外界機械作用而引起晶體電學(xué)狀態(tài)正壓電效應(yīng)：由外界機械作用而引起晶體電學(xué)狀態(tài)改變；改變； 逆壓電效應(yīng)：由外加電場作用導(dǎo)致晶體機械狀態(tài)改逆壓電效應(yīng)：由外加電場作用導(dǎo)致晶體機械狀態(tài)改變。變。x0x0切型石英晶體切片的力切型石英晶體切片的力 電分布電分布xz zf3( 1)f2f1f4f6f5( 3 )( 2)(1)(1)(3)(3)(2)(2) i j = d i j fj i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6y yjijijpd ）常數(shù)（常數(shù)（面上產(chǎn)生電荷時

48、的壓電面上產(chǎn)生電荷時的壓電方向的應(yīng)力分量在方向的應(yīng)力分量在）（面上產(chǎn)生電荷的面密度面上產(chǎn)生電荷的面密度方向的應(yīng)力分量在方向的應(yīng)力分量在）方向的應(yīng)力分量（方向的應(yīng)力分量（c/n:c/m:pa:2ijdijjpijijj f1f3分別為沿分別為沿 x、y、z 軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分軸的正應(yīng)力（或應(yīng)力分量），量）， f4f6分別為繞分別為繞 x、y、z軸的切向應(yīng)力，軸的切向應(yīng)力， 13分別是分別是 x、y、z 表表面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的面由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷面密度。其壓電方程電荷面密度。其壓電方程為：為：壓電效應(yīng)的一個突出的應(yīng)用是機電換能器。壓電效應(yīng)的一個突出的應(yīng)用是機電換能器。 具有正壓電效應(yīng)的

49、晶體具有將機械作用轉(zhuǎn)具有正壓電效應(yīng)的晶體具有將機械作用轉(zhuǎn)變成電信號的能力，因此提供了對機械振動、壓變成電信號的能力，因此提供了對機械振動、壓力、聲波、旋轉(zhuǎn)和扭曲的精確計算，在機電轉(zhuǎn)換力、聲波、旋轉(zhuǎn)和扭曲的精確計算，在機電轉(zhuǎn)換元件中有廣泛的應(yīng)用，通俗的例子為：話筒、電元件中有廣泛的應(yīng)用，通俗的例子為：話筒、電唱頭、聲納等。唱頭、聲納等。 具有逆壓電效應(yīng)的晶體可將電信號轉(zhuǎn)變成具有逆壓電效應(yīng)的晶體可將電信號轉(zhuǎn)變成機械作用，因此可應(yīng)用于：揚聲器和超聲發(fā)生器機械作用，因此可應(yīng)用于：揚聲器和超聲發(fā)生器等，這是水下探測、無損傷和醫(yī)療超聲透視中的等，這是水下探測、無損傷和醫(yī)療超聲透視中的主要器件。主要器件。2

50、. 晶體中光波的雙折射（晶體中光波的雙折射（birefringence）和）和旋光性（旋光性（optical activity） 晶體的各向異性集中反映在晶體的雙折射現(xiàn)晶體的各向異性集中反映在晶體的雙折射現(xiàn)象上：即晶體中光波的折射率隨光波的偏振方向改象上：即晶體中光波的折射率隨光波的偏振方向改變。變。 晶體的雙折射使光波在其中傳播的波矢方向與光線（能量晶體的雙折射使光波在其中傳播的波矢方向與光線（能量流）方向不一致，兩者間具有離散角。流）方向不一致，兩者間具有離散角。 對于單軸晶或雙軸晶，如果通光方向沿具有雙折射而又無對于單軸晶或雙軸晶，如果通光方向沿具有雙折射而又無離散的方向，則在該方向的兩

51、個特征偏振模就有不同的波速，離散的方向，則在該方向的兩個特征偏振模就有不同的波速，即產(chǎn)生一定的相位延遲。即產(chǎn)生一定的相位延遲。偏振光與旋光性偏振光與旋光性 將普通光（或單色光）通過尼科爾棱鏡或人造的偏晶片，則將普通光（或單色光）通過尼科爾棱鏡或人造的偏晶片，則只有振動平面與晶軸相平行的光才能夠通過，這種在一個平只有振動平面與晶軸相平行的光才能夠通過，這種在一個平面上振動的光叫作平面偏振光，簡稱面上振動的光叫作平面偏振光，簡稱偏振光或偏光偏振光或偏光。 如果物質(zhì)使偏振面旋轉(zhuǎn)一定的角度，則稱這種物質(zhì)為旋光性如果物質(zhì)使偏振面旋轉(zhuǎn)一定的角度，則稱這種物質(zhì)為旋光性物質(zhì)，這種性質(zhì)稱為物質(zhì)，這種性質(zhì)稱為旋光

52、性旋光性，旋轉(zhuǎn)的角度稱為，旋轉(zhuǎn)的角度稱為旋光度旋光度 。偏振光偏振光 光是一種電磁波，光波的振動方向與光的前進方向垂直。光是一種電磁波，光波的振動方向與光的前進方向垂直。 如果讓光通過一個象柵欄一樣的如果讓光通過一個象柵欄一樣的 nicol 棱鏡棱鏡 (起偏鏡起偏鏡)就就不是所有方向的光都能通過，而只有與棱鏡晶軸方向平行不是所有方向的光都能通過，而只有與棱鏡晶軸方向平行的光才能通過。這樣，透過棱晶的光就只能在一個方向上的光才能通過。這樣，透過棱晶的光就只能在一個方向上振動。這種振動。這種只在一個平面上振動的光，稱為平面偏振光，只在一個平面上振動的光，稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光。簡稱偏振光或偏光。 平面偏振光偏振光能否透過第二個偏振光能否透過第二個nicol 棱鏡棱鏡 (檢偏鏡檢偏鏡) 取決于兩個棱取決于兩個棱鏡的晶軸是否平行，平行則可透過；否則不能通過。如果鏡的晶軸是否平行，平行則可透過；否則不能通過。如果在兩個棱鏡之間放一個管，里面裝入旋光性物質(zhì)，則將引在兩個棱鏡之間放一個管，里面裝入旋光性物質(zhì)，則將引起偏振光振動面旋轉(zhuǎn)。起偏振光振動面旋轉(zhuǎn)。亮丙 酸亮暗乳 酸（非旋光性物質(zhì)）（非旋光性物質(zhì)）(旋光性物質(zhì)旋光性物質(zhì)) 旋光效應(yīng)常被稱為空間色散，其與晶體具有旋光效應(yīng)常被稱為空間色散，其與晶體具有光性螺旋結(jié)構(gòu)基元有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了光波偏光性螺旋結(jié)構(gòu)基元有關(guān)。這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了光波