晶體的應(yīng)用課件

晶體材料的應(yīng)用

晶體能實(shí)現(xiàn)電、磁、光、聲和力等的交互作用和轉(zhuǎn)換，它是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中不可缺少的重要材料．天然晶體無論在品種、質(zhì)量和數(shù)量等方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，因而促進(jìn)了人工晶體的發(fā)展。特別是由于固體微電子學(xué)的日新月異的發(fā)展，更加需要品種繁多的大量的晶體材料，其中包括半導(dǎo)體晶體、電介質(zhì)晶體、光學(xué)晶體、超硬晶體、絕緣晶體以及各種敏感晶體材料等．晶體材料處于材料科學(xué)發(fā)展的前沿。它與空間、電子、激光、紅外、新能源開發(fā)等新技術(shù)密切相關(guān)．因此，晶體材料對近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動作用．110.1.半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體在人工晶體中占有頭等重要的地位，現(xiàn)已形成一個獨(dú)立的分支學(xué)科．半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展來源于半導(dǎo)體單晶材料，它是微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的主要基礎(chǔ)材料．五十年代初，用提拉法生長了鍺(Ge)單晶、硅(si)單晶，稍后，發(fā)展了鍺(Ge)的區(qū)域提純技術(shù)和硅(si)的無坩堝區(qū)域提純技術(shù)，從而成功地生長出高純度的鍺、硅單晶，大大地推動了半導(dǎo)體器件的發(fā)展。2

在半導(dǎo)體晶體材料中，目前，除了向大直徑、高純度、高均勻度以及無缺陷的方向發(fā)展的硅單晶以外．近些年來，人們對III—V族半導(dǎo)體晶體材料也發(fā)生了濃厚的興趣，這是因?yàn)镮II—V族半導(dǎo)體晶體材料能滿足多種性能的需求．這種半導(dǎo)體晶體材料在新技術(shù)中的應(yīng)用，主要用于包括高速信號處理、通信、傳感、顯示以及許多其他方面．用金屬—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體營、雙極晶體管、肖脫基二極管、發(fā)光二極管、光探測器、光波導(dǎo)、聲表面濁和其他功能器件的各種組合元件構(gòu)成的集成電路正在不斷探索、發(fā)展和應(yīng)用。典型的有砷化鎵(GeAs)單晶體、氮化鎵（GaN）單晶體等。3

利用壓電晶體制成的器件，種類繁多，從軍用到民用，例如：利用晶體的正電效應(yīng)制成的傳感器有：振動速度計(jì)、血壓計(jì)、呼吸心音測定儀、壓電按鈕和流體監(jiān)控器等，利用晶體的逆壓電效應(yīng)可作濾波器、放大器、壓電鍵盤等；利用壓電振子的伸縮性能，可制作位移發(fā)生器、壓電繼電器、壓電毛細(xì)管注液器、壓電泵和壓電閥門等．在壓電器件中，發(fā)展既快，而又用得最多的是超聲換能器，這種超聲換能器在軍隊(duì)中是用于水下接收和發(fā)射，在民用中是用于超聲醫(yī)療、探傷、清洗和乳化等．在同一儀器裝置中，既可利用晶體的壓電效應(yīng)，又可利用其逆壓電效應(yīng)，便可構(gòu)成一種具有特殊功能的壓電器件，如：壓電陀螺、線性加速計(jì)和壓電變壓器等．510.3.熱釋電晶體材料六十年代中期，先后出現(xiàn)了熱敏類的熱釋電探測器．所用的晶體材料為硫酸三甘肽(TGS)晶體系列．硫酸三甘肽晶體系列是當(dāng)前國內(nèi)外研究得最多的一種熱釋電晶體．到了七十年代，又相繼出現(xiàn)了性能更好的鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈦酸鉛、鍺酸鉛等熱釋電晶體．6摻雜TGS和鉭酸鋰晶體兩種熱釋電探測器的應(yīng)用范圍在國內(nèi)現(xiàn)已逐漸得到推廣，例如：利用這兩種探測器可作為紅外分光光度計(jì)的接收器、紅外分光測量系統(tǒng)、傅里葉光譜儀接收器、遠(yuǎn)紅外激光測定器、對輻射功率定標(biāo)、激光通信中的接收器、紅外輻射測溫等．在國外，各種類型的熱釋電紅外探測器件已廣泛地用于國防、醫(yī)療、工業(yè)和家用電器等領(lǐng)域，諸如：入侵報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警、非接觸測溫、溫度異常控制、烹調(diào)控溫和高級玩具等．710.4.磁性晶體材料磁性材料可分為金屬磁性材料和非金屬磁性材料兩大類．金屬磁性多晶材料(如：硅鐵合金、鐵鎳合金等)在電力、電信和自控等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。鐵氧體是屬于非金屬磁性材料，它是由鐵和其他一種或多種金屬組成的復(fù)合氧化物，鐵氧體磁性材料可分為軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、旋磁鐵氧休、矩磁鐵氧體和壓磁鐵氧體等五種．810.5.光學(xué)晶體材料晶體在光學(xué)儀器中的主要應(yīng)用是制作光學(xué)元件，光學(xué)元件的種類繁多，其范圍是從早巳采用的透鏡、棱鏡等光學(xué)元件開始到以光電子學(xué)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體激光器、光電二極管以及集成光路等．光學(xué)元件若按照其功能進(jìn)行分類時則可分為有源光學(xué)元件和無源光學(xué)元件兩大類：有源光學(xué)元件又分為如下幾種：發(fā)光元件，如：半導(dǎo)體激光器、團(tuán)體激光器等；光接收元件．如：光電二極管、光導(dǎo)攝象管等；光控制元件，如：光調(diào)制元件、光偏振元件、光開關(guān)等；復(fù)合功能元件．如：集成光路等．無源光學(xué)元件又分為下述三種：光傳輸元件，如：濾波器、偏振光元件、透鏡效率元件等；復(fù)合結(jié)構(gòu)元件，如：光可逆元件等；感光材料元件，如：可逆的或不可逆的感光材料等．1010.5.1.普通光學(xué)晶體晶體在光學(xué)儀器中的應(yīng)用，最早是利用天然晶體，諸如：螢石(CaF2)、天然水晶(—SiO2)、金紅石(Ti02)、方解石(CaC03)和天然云母等來制作棱鏡、透鏡、窗口、偏振片和補(bǔ)償鏡等，但是符合儀器所要求的透過率、均勻性與足夠大尺寸的天然光學(xué)晶體卻是比較少見的．因此，當(dāng)前所使用的光學(xué)晶體大多數(shù)是依賴于人工晶體．晶體較非易態(tài)玻璃的主要優(yōu)點(diǎn)是：晶體的物理化學(xué)性能及其使用特性的多樣性、晶體的折射率和色散變化比玻璃強(qiáng)得多、單晶具有雙折射、高熔點(diǎn)和各向異性等特性．11

固體激光器在工農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用有如：材料的加工，其中包括打孔、焊接、切割、劃片、電阻器微調(diào)；激光熱處理或退火，其中包括半導(dǎo)體快速生長與摻雜；以及利用激光化學(xué)法制作微電子器件等；激光育種和桑蠶誘發(fā)等．固體激光器在自然科學(xué)方面的應(yīng)用，如：激光光譜學(xué)對研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理等方面產(chǎn)生了深刻的影響；在光電子學(xué)領(lǐng)域中．激光通信、激光電視、激光雷達(dá)和激光制導(dǎo)等均已取得了很大的進(jìn)展．激光器也給化學(xué)帶來了深刻的影響，如：激光催化、激光分離同位素和多光子化學(xué)等．13固體激光器在醫(yī)療方面的應(yīng)用更為顯著．激光在醫(yī)療上的應(yīng)用主要是基于激光束對生物體的基本效應(yīng)．如：激光的熱效應(yīng)、光效應(yīng)、壓力效應(yīng)和電磁效應(yīng)等，利用這些效應(yīng)，在眼科、外科和防治腫瘤等方面，均巳取得實(shí)際的應(yīng)用，如：在醫(yī)療上可用于開刀、氣化、燒灼、凝固、止血、照射和診斷等方面的應(yīng)用．固體激光器在軍事上的應(yīng)用更是具有無比的潛力和威力，已應(yīng)用于激光測炬、激光雷達(dá)、激光偵察、激光制導(dǎo)和激光武器等方面．1410.6.電光、聲光和倍頻晶體由于固體激光器的問世和激光技術(shù)的發(fā)展，光輻射控制裝置有著廣泛的應(yīng)用，例如：利用電光調(diào)制器可以調(diào)制激光的強(qiáng)度．電光快門與激光器組合成Q開關(guān)激光器．電光快門與雙折射晶體配合，可制成數(shù)字偏轉(zhuǎn)器．利用品體的電光效應(yīng)可制成偏振光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)器等．常用的電光晶體有磷酸二氫鉀(KD2P04)、碘酸鋰(LiIO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)等晶體。利用晶體的彈光效應(yīng)，可制成聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光Q開關(guān)和聲光可調(diào)濾光器等．常用的聲光晶體有鍺酸鉍和二氧化碲等．1510.7.超硬晶體材料我國自六十年代以來，人造金剛石已經(jīng)得到很大的發(fā)展，現(xiàn)已由實(shí)驗(yàn)室逐步地走向工業(yè)化生產(chǎn)．金剛石具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和半導(dǎo)體等性能．金剛石是發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要的超硬材料，在自然界的物質(zhì)中，它的硬度最高．單晶金剛石可以用來制作表鑲鉆頭、砂輪修正筆、硬度計(jì)的壓硬頭、車刀、拉絲模和航空儀表的抗震文承軸等．寶石級單晶金剛石可用來制作激光器窗口和熱沉以及鬼重的裝飾品等．多晶金剛石可用來制作加工工具、磨料和拋光粉等．金剛石加工工具，品種繁多，其中包括切割、銑磨和鉆孔等．金剛石加工工具的應(yīng)用范圍很廣，例如：在非金屬材料方面的大理石、花崗巖、玻璃、各種耐火材料，玻璃鋼、陶瓷、鑄石和建筑材料加工等，經(jīng)濟(jì)效果與社會效益顯著，潛力很大。1710.8.敏感晶體材料實(shí)際晶體之所以具有敏感性能，其本質(zhì)在于它不具有理想完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，而是存在著晶體結(jié)構(gòu)缺陷．晶體結(jié)構(gòu)缺陷的基礎(chǔ)為其秩序井然的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶體若具有無序的結(jié)構(gòu)，那也就無所謂結(jié)構(gòu)缺陷．晶體結(jié)構(gòu)缺陷的發(fā)生與變化是以其所具有的基質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，各種晶體結(jié)構(gòu)缺陷的性質(zhì)、數(shù)量和分布狀態(tài)以及缺陷間的相互作用，造成了晶體的宏觀物理性質(zhì)的差異，這就是晶體結(jié)構(gòu)敏感性能的來源，因此，晶體結(jié)構(gòu)缺陷顯然是理想完整晶體的敏感性能的關(guān)鍵所在．18