晶體生長(zhǎng)機(jī)理精品課件

1、晶體生長(zhǎng)機(jī)理第1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四第2頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四內(nèi)容簡(jiǎn)介晶體生長(zhǎng)過(guò)程相平衡晶體形核理論界面運(yùn)動(dòng)學(xué)晶體生長(zhǎng)過(guò)程的輸運(yùn)生長(zhǎng)過(guò)程中界面穩(wěn)定性界面動(dòng)力學(xué)問(wèn)題第3頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四目 錄第一章 單晶體第二章 晶體生長(zhǎng)方法第三章 相平衡狀態(tài)圖第四章 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的輸運(yùn)問(wèn)題第五章 界面穩(wěn)定性理論第六章 晶體形核理論第七章 界面結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)理論第八章 界面動(dòng)力學(xué)理論第九章 晶體生長(zhǎng)的基本問(wèn)題第十章 晶體的品質(zhì)鑒定第4頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四第一章 單 晶

2、體1.1 新材料技術(shù)與單晶體材料的分類（按照用途分） 第5頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四第6頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四2.晶體BBO Crystal第7頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四晶體材料在功能材料中占有重要地位，這是由于它具有一系列獨(dú)特的物理性能所決定的。常見(jiàn)的晶體材料有：第8頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四第9頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（1）激光晶體固體激光器的發(fā)光材料，通常被稱為激光晶體。 早期的紅寶石： (Al2O3:Cr3+) 目前的摻釹釔鋁石榴石

3、：(YAG:Nd3+)目前在350多種基質(zhì)晶體和20多種激活離子的約70個(gè)躍遷波段上實(shí)現(xiàn)了受激發(fā)射。 第10頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Nd:YVO4 CrystalNd:YVO4 crystal is one of the most excellent laser host materials, it is suitable for diode laser-pumped solid state laser. 第11頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四A）基質(zhì)晶體（載體）中摻入激活離子（發(fā)光中心Nd3+，Cr3+ ，Ho3+ ，Dy2+ ）。輸出

4、的波長(zhǎng)從紫外（0.17m）到中紅外（5.15 m ）。如：紅寶石Al2O3:Cr3+，摻釹釔鋁石榴石YAG:Nd3+等。B）化學(xué)計(jì)量激光晶體，這種晶體的激化離子就是晶體組成之一。其特點(diǎn)：高效、低值，功率小。分類（按組分分）第12頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（2）非線性光學(xué)晶體定義： 晶體當(dāng)受到強(qiáng)電磁場(chǎng)作用時(shí)，由于非線性極化引起非線性光學(xué)效應(yīng)。目的： 是實(shí)現(xiàn)光頻率的轉(zhuǎn)化：由于非線性光學(xué)晶體可以通過(guò)其倍頻、和差、光參量放大和多光子吸收等非線性過(guò)程改變?nèi)肷涔夂桶l(fā)射光頻率的變化。 第13頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四KDP and DKDP cry

5、stalsPotassium Dihydrogen Phosphate( KDP ) and Potassium Dideuterium Phosphate( DKDP ) are currently used for electro-optical modulation and frequency conversion. CORETECH KDP and DKDP have high nonlinear coefficient and high optical damage threshold, and can be used electro-optical modulator, Q swi

6、tches and shutters for high speed photography. KH2PO4 KD2PO4 第14頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四應(yīng)用 激光頻率轉(zhuǎn)換、四波混頻、光束轉(zhuǎn)向、圖象放大光信息處理、激光對(duì)抗和核聚變等研究領(lǐng)域?，F(xiàn)狀： 我國(guó)該領(lǐng)域領(lǐng)先 第15頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（3）電光晶體定義： 光通過(guò)有外加場(chǎng)的晶體時(shí)，光隨著外加場(chǎng)的變化發(fā)生如偏轉(zhuǎn)、偏振面旋轉(zhuǎn)等而達(dá)到控制光傳播的目的。這類晶體為電光晶體。應(yīng)用： 光通訊、光開(kāi)關(guān)、大屏幕顯示、光儲(chǔ)存、光雷達(dá)和光計(jì)算機(jī)等。 第16頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，

7、1點(diǎn)38分，星期四要求： 在使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，對(duì)光的吸收和散射要小、電阻率要大、介電損耗角要小、化學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械和熱性能好、半波電壓低等。第17頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（4）聲光晶體定義： 超聲波通過(guò)晶體時(shí)，在晶體中產(chǎn)生隨時(shí)間變化的壓縮和膨脹區(qū)域，使晶體的折射率發(fā)生周期性變化，形成超聲導(dǎo)致的折射率光柵，當(dāng)光通過(guò)折射率周期性變化的晶體時(shí)，將受到光柵的衍射，產(chǎn)生聲光相互作用。這類晶體為聲光晶體。應(yīng)用： 高速激光印刷系統(tǒng)、激光雷達(dá)、光計(jì)算機(jī)等。 第18頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（5）磁光晶體定義： 當(dāng)光通過(guò)組成原子有一定磁性的被磁性晶體反射

8、（克耳效應(yīng)）或透射（法拉第效應(yīng)）時(shí)，其偏振面狀況將發(fā)生變化，這類晶體為磁光晶體。應(yīng)用： 激光快速開(kāi)關(guān)、調(diào)制器、循環(huán)器及隔離器；計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存器等。 第19頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（6）熱釋電晶體定義： 當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，晶體某一結(jié)晶學(xué)方向上正負(fù)電荷相對(duì)重心位移而引起自發(fā)極化效應(yīng)，這類晶體為熱釋電晶體。應(yīng)用： 紅外熱釋電探測(cè)器、紅外熱釋電攝像管等。 第20頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（7）壓電晶體定義： 通過(guò)拉伸或壓縮使晶體產(chǎn)生極化，導(dǎo)致晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)，這類晶體為壓電晶體。應(yīng)用： 濾波器、諧振器、光偏轉(zhuǎn)器、測(cè)壓元件等。 第2

9、1頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（8）閃爍晶體定義： 當(dāng)射線或放射性粒子通過(guò)晶體時(shí)，晶體會(huì)發(fā)出熒光脈沖，這類晶體為閃爍晶體。應(yīng)用： 核醫(yī)學(xué)、核技術(shù)、空間物理等。 第22頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（9）半導(dǎo)體晶體定義： 電阻率處于導(dǎo)電體（10 - 5 .cm）和絕緣體（1010 .cm ）之間的晶體為半導(dǎo)體晶體。應(yīng)用： 聲、光、電等。 第23頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四（10）薄膜晶體定義： 1m或以下厚度的晶體。應(yīng)用： 電子管和超大規(guī)模集成電路等。 第24頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四

10、（11）晶體除了以上談到的晶體以外，尚有：鐵電、硬質(zhì)、絕緣、敏感、熱光、超導(dǎo)體、快離子導(dǎo)體等等。 第25頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四1.2 晶體生長(zhǎng)單晶時(shí)原料（母相）狀態(tài)對(duì)生長(zhǎng)方法進(jìn)行分類： 氣相液相固相第26頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四晶體生長(zhǎng)方法分類晶體生長(zhǎng)方法溶液生長(zhǎng)法熔液生長(zhǎng)法氣相生長(zhǎng)法固相生長(zhǎng)法薄膜生長(zhǎng)法降溫，恒溫蒸發(fā)，溫差水熱，循環(huán)流動(dòng)，凝膠等提拉，下降，焰熔，導(dǎo)模，冷坩堝，助熔劑區(qū)熔，浮區(qū)，基座等真空蒸發(fā)鍍膜，升華，氣相外延，化學(xué)氣相沉積等高壓，再結(jié)晶等真空蒸發(fā)，分子束外延，濺射，粒子束外延，液相外延，離子注入，LB膜等第2

11、7頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四 科學(xué)發(fā)展要求晶體材料的數(shù)量、品質(zhì)、品種等越來(lái)越高。晶體生長(zhǎng)方法各有其特點(diǎn)，生產(chǎn)中采用哪一種完全要根據(jù)要求來(lái)確定。第28頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四2. 晶體生長(zhǎng)方法發(fā)展動(dòng)向晶體生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向完整性利用性功能性重復(fù)性雜質(zhì)、缺陷的控制，特殊環(huán)境下生長(zhǎng)等大尺寸、異形、薄膜等極端條件下生長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)、組織的控制生長(zhǎng)自動(dòng)化，程序化，原材料規(guī)范化等第29頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四3. 晶體生長(zhǎng)研究方法 晶體生長(zhǎng)研究方法同其它材料的研究方法相同，除了嚴(yán)格控制晶體生長(zhǎng)原材料之外，對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)、晶

12、體的生長(zhǎng)方法和晶體的性質(zhì)進(jìn)行研究是晶體生長(zhǎng)研究的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)：研究晶體生長(zhǎng)必然以 （1）晶體生長(zhǎng) （2）晶體物理 （3）晶體化學(xué)為基礎(chǔ)。 簡(jiǎn)言之：第30頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四晶體生長(zhǎng)控制生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)設(shè)備生長(zhǎng)理論生長(zhǎng)方法晶體物理晶體化學(xué)形貌缺陷物性應(yīng)用結(jié)構(gòu)組成化學(xué)鍵相關(guān)系圖1.1 晶體學(xué)研究的基礎(chǔ)內(nèi)容及相互關(guān)系第31頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四1.4 材料科學(xué)研究與發(fā)展方向 （1）材料復(fù)合化 （2）納米材料 （3）智能材料 （4）生物醫(yī)學(xué)材料 （5）C60系列材料非平衡材料第32頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期

13、四CCARBON第33頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Carbon is an element that exists in various polymorphic forms, as well as in the amorphous state. 第34頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四This group of materials does not really fall within any one of the traditional metal, ceramic, polymer classification schemes. 第35頁(yè)，

14、共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四1. DIAMOND第36頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Diamond is a metastable carbon polymorph at room temperature and atmospheric pressure. Its crystal structure is a variant of the zinc blende, in which carbon atoms occupy all positions (both Zn and S), as indicated in the unit cell s

15、hown in Figure 3.4. 第37頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Figure A unit cell for the diamond cubic crystal structure.第38頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四2. GRAPHITE第39頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Graphite has a crystal structure distinctly different from that of diamond and is also more stable than diamond at am

16、bient temperature and pressure.第40頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四The graphite structure is composed of layers of hexagonally arranged carbon atoms; within the layers, each carbon atom is bonded to three coplanar neighbor atoms by strong covalent bonds. The fourth bonding electron participates in a weak

17、 van der Waals type of bond between the layers.第41頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Figure The structure of graphite.covalent bondWeak van der Waals type第42頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四3. FULLERENES第43頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Another polymorphic form of carbon was discovered in 1985. It exists in discre

18、te molecular form, and consists of a hollow spherical cluster of sixty carbon atoms. 第44頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四A single molecule is denoted by C60 . 第45頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四Each molecule is composed of groups of carbon atoms that are bonded to one another to form both hexagon (six-carbon

19、 atom) and pentagon (five-carbon atom) geometrical configurations. 第46頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四One such molecule is found to consist of 20 hexagons and 12 pentagons, which are arrayed such that no two pentagons share a common side; the molecular surface thus exhibits the symmetry of a soccer ball

20、. 第47頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四The material composed of C60 molecules is known as buckminsterfullerene, named in honor of R. Buckminster Fuller, who invented the geodesic dome. 第48頁(yè)，共54頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)38分，星期四C60 is often referred to as buckyball for short. The term fullerene is used to denote the class of materials that are composed of this type of molecule.Here