晶體材料制備原理與技術(shù)

1、 晶體材料制備原理與技術(shù)晶體材料制備原理與技術(shù)n晶體的概念、性能、應(yīng)用與制備合成技術(shù)晶體的概念、性能、應(yīng)用與制備合成技術(shù)n平衡、相律、相圖及其應(yīng)用平衡、相律、相圖及其應(yīng)用n邊界層概念與溶質(zhì)分凝理論邊界層概念與溶質(zhì)分凝理論n界面穩(wěn)定性與組分過冷理論界面穩(wěn)定性與組分過冷理論n結(jié)晶相變與經(jīng)典成核理論結(jié)晶相變與經(jīng)典成核理論n界面的微觀結(jié)構(gòu)與晶體的生長形態(tài)界面的微觀結(jié)構(gòu)與晶體的生長形態(tài) 從從“規(guī)則外形規(guī)則外形”到到“空間點陣空間點陣” 晶體的宏觀物理特性晶體的宏觀物理特性 晶體材料的分類、性能與應(yīng)用晶體材料的分類、性能與應(yīng)用 晶體材料研究的發(fā)展趨勢晶體材料研究的發(fā)展趨勢 強調(diào)幾個概念強調(diào)幾個概念 主要知

2、識點主要知識點: : 高新技術(shù)是指對人類社會的生產(chǎn)、高新技術(shù)是指對人類社會的生產(chǎn)、生活方式和思維方式產(chǎn)生巨大影響的重生活方式和思維方式產(chǎn)生巨大影響的重大技術(shù)。我國的高新技術(shù)是指大技術(shù)。我國的高新技術(shù)是指計計劃劃中選擇的對中國未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中選擇的對中國未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有重大影響的生物技術(shù)、航天技術(shù)、信有重大影響的生物技術(shù)、航天技術(shù)、信息技術(shù)、激光技術(shù)、自動化技術(shù)、能源息技術(shù)、激光技術(shù)、自動化技術(shù)、能源技術(shù)、新材料和海洋新技術(shù)等技術(shù)、新材料和海洋新技術(shù)等 8 8 個高個高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的新技術(shù)。目前，計技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的新技術(shù)。目前，計劃共有劃共有8 8個個領(lǐng)域、領(lǐng)域、個主題個主題。 高高 新新 技

3、技 術(shù)術(shù) 一部人類史就是一部對材料的認(rèn)一部人類史就是一部對材料的認(rèn)識、研究和使用的發(fā)展史。識、研究和使用的發(fā)展史。絢麗的天然礦物晶體絢麗的天然礦物晶體 16691669年年 斯丹諾（丹麥）斯丹諾（丹麥） 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 巴爾托林巴爾托林 解理性解理性 17841784年年 阿羽衣（法國）阿羽衣（法國） 晶胞學(xué)說晶胞學(xué)說 18551855年年 布喇菲（法國）布喇菲（法國） 空間點陣學(xué)說空間點陣學(xué)說 18671867年年 加多林（俄國）加多林（俄國） 3232種對稱群種對稱群 18901890年年 費多羅夫（俄國）費多羅夫（俄國） 230230種空間群種空間群 18951895年年

4、倫琴（德國）倫琴（德國） X X 射線射線 19121912年年 勞厄（德國）勞厄（德國） 勞厄方程勞厄方程 19131913年年 布拉格父子（法國）布拉格父子（法國） 布拉格方程布拉格方程 1 1 從從 “規(guī)則外形規(guī)則外形” 到到 “空間點陣空間點陣”7-1-2晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)人類測試的第一個晶人類測試的第一個晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)：NaClNaCl結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)ClCl- -NaNa+ +Bragg W H, Bragg W H, (1862-1942(1862-1942 )Bragg W L, Bragg W L, (1890-1971)(1890-1971) 人類終于完成了從人類終于完成了從“規(guī)則外

5、規(guī)則外形形” ” 到到 “ “空間點陣空間點陣”的認(rèn)識飛的認(rèn)識飛躍。躍。 晶體：晶體： 結(jié)構(gòu)基元（原子、分子、離子及各種基元團(tuán)結(jié)構(gòu)基元（原子、分子、離子及各種基元團(tuán)等）在三維空間周期性規(guī)則排列構(gòu)成的固體材料。等）在三維空間周期性規(guī)則排列構(gòu)成的固體材料。結(jié)構(gòu)基元：結(jié)構(gòu)基元： 陣點代表的化學(xué)內(nèi)容，周期性規(guī)則排列的基陣點代表的化學(xué)內(nèi)容，周期性規(guī)則排列的基本單位。必須滿足：化學(xué)組成相同、空間結(jié)構(gòu)相本單位。必須滿足：化學(xué)組成相同、空間結(jié)構(gòu)相同、排列取向相同和周圍環(huán)境相同。同、排列取向相同和周圍環(huán)境相同。 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = “= “空間點陣空間點陣” ” + “+ “結(jié)構(gòu)基結(jié)構(gòu)基元元”。 宏觀物理特性

6、宏觀物理特性 ( ( F F 表示化學(xué)組成和各種性質(zhì)等物理量度）表示化學(xué)組成和各種性質(zhì)等物理量度） n 均一性均一性 宏觀觀察中，晶體在其任一部分上都宏觀觀察中，晶體在其任一部分上都表表現(xiàn)出現(xiàn)出具具有相同的各種特性。也稱為結(jié)晶均有相同的各種特性。也稱為結(jié)晶均一性，與非晶體的統(tǒng)計均一性有本質(zhì)的區(qū)一性，與非晶體的統(tǒng)計均一性有本質(zhì)的區(qū)別。別。 F XF XX 由于晶體是具有格子構(gòu)造的固體，因此，由于晶體是具有格子構(gòu)造的固體，因此，也就具備著晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決也就具備著晶體所共有的、由格子構(gòu)造所決定的基本性質(zhì)。定的基本性質(zhì)。 l 自范性自范性 晶體在適當(dāng)條件下可自發(fā)地晶體在適當(dāng)條件下可自發(fā)地

7、（而非（而非人為加工）人為加工）形成封閉的凸形成封閉的凸幾何多面體外形的特性，且?guī)缀螏缀味嗝骟w外形的特性，且?guī)缀味嗝骟w外形滿足歐拉定律：多面體外形滿足歐拉定律： 2WVE（ ：晶面數(shù)，：晶面數(shù)， ：頂點數(shù)，：頂點數(shù)， ：晶棱數(shù)）：晶棱數(shù)）WVEl異向性異向性 晶體的幾何量度和物理性質(zhì)因觀察方向的不同而晶體的幾何量度和物理性質(zhì)因觀察方向的不同而表現(xiàn)出差異的特性。表現(xiàn)出差異的特性。（不是任何晶體、任何方向上（不是任何晶體、任何方向上都具有各向異性）都具有各向異性）l 對稱性對稱性 晶體的相同部分（外形上的和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的）晶體的相同部分（外形上的和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的）或性質(zhì)，能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地

8、重復(fù)出或性質(zhì)，能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)的特性。對稱性是晶體極其重要的性質(zhì)，也是晶現(xiàn)的特性。對稱性是晶體極其重要的性質(zhì)，也是晶體分類的基礎(chǔ)。體分類的基礎(chǔ)。12F nF n12nF nF nF nl 最小內(nèi)能性最小內(nèi)能性 在相同熱力學(xué)條件下，晶體與同種物質(zhì)的非在相同熱力學(xué)條件下，晶體與同種物質(zhì)的非晶體、液體或氣體相比，其內(nèi)能（包括質(zhì)點的動晶體、液體或氣體相比，其內(nèi)能（包括質(zhì)點的動能與位能）最小，故而結(jié)構(gòu)也最穩(wěn)定。能與位能）最小，故而結(jié)構(gòu)也最穩(wěn)定。 l 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 在相同的熱力學(xué)條件下，晶體比具有相同化在相同的熱力學(xué)條件下，晶體比具有相同化學(xué)成分的非晶體穩(wěn)定。晶體的穩(wěn)定性是最小內(nèi)能學(xué)

9、成分的非晶體穩(wěn)定。晶體的穩(wěn)定性是最小內(nèi)能性的必然結(jié)果。性的必然結(jié)果。7-1-3單晶體和多晶體 由一個晶核各向均勻生長而成由一個晶核各向均勻生長而成, ,晶體內(nèi)部的粒子基本上保持其特晶體內(nèi)部的粒子基本上保持其特有的排列規(guī)律。有的排列規(guī)律。如：單晶硅、紅寶石、金剛石如：單晶硅、紅寶石、金剛石晶體晶體多多晶晶體體 由很多單晶微粒雜亂無規(guī)則的聚由很多單晶微粒雜亂無規(guī)則的聚結(jié)而成的。各向異性的特征消失，結(jié)而成的。各向異性的特征消失，使整體一般不表現(xiàn)各向異性。使整體一般不表現(xiàn)各向異性。如：多數(shù)金屬和合金等。如：多數(shù)金屬和合金等。單晶體單晶體 論語論語魏靈公魏靈公里有里有 “工欲善工欲善其事，必先利其器其事

10、，必先利其器”的說法，它告訴的說法，它告訴我們一個道理，如果要想取得更高的我們一個道理，如果要想取得更高的功效，更好的性能，必須選擇合適的功效，更好的性能，必須選擇合適的工具、器件或材料。工具、器件或材料。 2 2 晶體材料的性能與應(yīng)用晶體材料的性能與應(yīng)用晶體材料晶體材料 -光電子時代的物質(zhì)基礎(chǔ)光電子時代的物質(zhì)基礎(chǔ) “ “晶體生長工作者送給物理學(xué)家的最好禮物晶體生長工作者送給物理學(xué)家的最好禮物” 英特爾英特爾(Intel)(Intel)名譽董事長戈登名譽董事長戈登摩爾經(jīng)過摩爾經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)并提出了著名的長期觀察發(fā)現(xiàn)并提出了著名的“摩爾定律摩爾定律”，指，指的是集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每

11、隔的是集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔1818個個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。時至今日，月便會增加一倍，性能也將提升一倍。時至今日，該該“定律定律”所指出的趨勢一直不同尋常地準(zhǔn)確。所指出的趨勢一直不同尋常地準(zhǔn)確。這些數(shù)字背后所隱含的，是制造工藝的進(jìn)步，而這些數(shù)字背后所隱含的，是制造工藝的進(jìn)步，而要達(dá)到這么高的精度，沒有更高性能的新晶體是要達(dá)到這么高的精度，沒有更高性能的新晶體是不能想象的。不能想象的。光光 功功 能能 晶晶 體體-與光現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的無機(jī)晶體與光現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的無機(jī)晶體光學(xué)晶體光學(xué)晶體 電光晶體電光晶體聲光晶體聲光晶體 磁光晶體磁光晶體激光晶體激光晶體 非線性晶體非線性晶體光折

12、變晶體光折變晶體 閃爍晶體閃爍晶體 在外場（電、光、磁、熱、聲、力等）作用下，利在外場（電、光、磁、熱、聲、力等）作用下，利用材料本身光學(xué)性質(zhì)（如折射率、感應(yīng)電極化或非線性用材料本身光學(xué)性質(zhì)（如折射率、感應(yīng)電極化或非線性效應(yīng)等）發(fā)生變化的原理，實現(xiàn)對入射光信號的獲取、效應(yīng)等）發(fā)生變化的原理，實現(xiàn)對入射光信號的獲取、調(diào)制、傳輸、顯示、能量或頻率轉(zhuǎn)換、受激發(fā)射等目的調(diào)制、傳輸、顯示、能量或頻率轉(zhuǎn)換、受激發(fā)射等目的的無機(jī)晶體之總稱。的無機(jī)晶體之總稱。 KDP KDP晶體晶體 （電光）（電光）氟化鋇晶體氟化鋇晶體 （閃爍（閃爍 ） KTP KTP晶體晶體 （非線性）（非線性）氟化鎂晶體（光學(xué)）氟化鎂晶

13、體（光學(xué)）鈮酸鍶鋇晶體鈮酸鍶鋇晶體（光折變）（光折變）摻釹三硼酸鈣氧釔摻釹三硼酸鈣氧釔 （激光）（激光） 部部 分分 光光 功功 能能 晶晶 體體釩酸釔晶體釩酸釔晶體( (雙折射雙折射) )激光：激光：高亮度、高相干性、高亮度、高相干性、 高方向性、高單色性高方向性、高單色性 可將外界提供的能量通過光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為激可將外界提供的能量通過光學(xué)諧振腔轉(zhuǎn)化為激光輸出。激光晶體由發(fā)光中心和基質(zhì)晶體兩部分光輸出。激光晶體由發(fā)光中心和基質(zhì)晶體兩部分組成。大部分發(fā)光中心由激活離子構(gòu)成；若激活組成。大部分發(fā)光中心由激活離子構(gòu)成；若激活離子成為基質(zhì)晶體組分的一部分時，則構(gòu)成自激離子成為基質(zhì)晶體組分的一部分時，

14、則構(gòu)成自激活激光晶體?；罴す饩w。 稀土激光晶體是指以稀土元素為激活離子、敏稀土激光晶體是指以稀土元素為激活離子、敏化離子或基質(zhì)成分的激光晶體化離子或基質(zhì)成分的激光晶體 激光晶體是激光技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵激光晶體是激光技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵激激 光光 晶晶 體體全反射膜全反射膜部分透射部分透射 反射膜反射膜 工作物質(zhì)工作物質(zhì)激勵光源激勵光源激光束激光束固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 紅寶石晶體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)紅寶石晶體中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)同方向同方向同頻率同頻率同位相同位相同偏振同偏振 紅寶石晶體紅寶石晶體晶體晶體3512:Y AlONd36:CrLiSrAlF晶體晶體-多年來，可調(diào)諧激光晶體材料領(lǐng)域中最

15、重要多年來，可調(diào)諧激光晶體材料領(lǐng)域中最重要的突破性進(jìn)展的突破性進(jìn)展特性：特性： 輸出波長：輸出波長：760760920 nm920 nm 分凝系數(shù)：分凝系數(shù)： 斜率效率：斜率效率：3636 上能級壽命：上能級壽命：6767 發(fā)射截面發(fā)射截面 ：4.924.92 很小的折射率溫度系數(shù)；幾乎很小的折射率溫度系數(shù)；幾乎為零的透鏡效應(yīng)；為零的透鏡效應(yīng)；5s01 0k20210cm 當(dāng)激光通過介質(zhì)時，物質(zhì)內(nèi)部極化率的非線性當(dāng)激光通過介質(zhì)時，物質(zhì)內(nèi)部極化率的非線性響應(yīng)會對光波產(chǎn)生反作用，可能產(chǎn)生入射光波在和響應(yīng)會對光波產(chǎn)生反作用，可能產(chǎn)生入射光波在和頻、差頻處的諧波從而產(chǎn)生的新光學(xué)現(xiàn)象。這種與頻、差頻處的

16、諧波從而產(chǎn)生的新光學(xué)現(xiàn)象。這種與強光有關(guān)、不同于線性光學(xué)現(xiàn)象的效應(yīng)稱作非線性強光有關(guān)、不同于線性光學(xué)現(xiàn)象的效應(yīng)稱作非線性效應(yīng)，具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體稱為非線性光學(xué)效應(yīng)，具有非線性光學(xué)效應(yīng)的晶體稱為非線性光學(xué)晶體。晶體。 非線性光學(xué)包括：非線性光學(xué)包括：n激光頻率轉(zhuǎn)換（倍頻、和頻、差頻激光頻率轉(zhuǎn)換（倍頻、和頻、差頻或光學(xué)參量放大或光學(xué)參量放大等等）n光學(xué)信號處理（電光、聲光和光折變等）光學(xué)信號處理（電光、聲光和光折變等）非線性光學(xué)晶體非線性光學(xué)晶體 123PEE EE E E電極化強度矢量，電極化強度矢量， 電場強度，電場強度， 極化張量極化張量PE 123:反射、折射反射、折射倍頻、和（差）

17、頻、線性電光效應(yīng)、倍頻、和（差）頻、線性電光效應(yīng)、光參量放大光參量放大三倍頻、二次電光效應(yīng)、雙光子吸收三倍頻、二次電光效應(yīng)、雙光子吸收條件：條件：l結(jié)構(gòu)上必須是無對稱中心的晶體；結(jié)構(gòu)上必須是無對稱中心的晶體；l考慮角度調(diào)整相位匹配的影響等；考慮角度調(diào)整相位匹配的影響等； 在無對稱中心的在無對稱中心的2121種點群中，只有除種點群中，只有除432432、422422、622622、2323和和 以外的以外的1616種點群種點群具有非零的二階非線性光學(xué)系數(shù)。具有非零的二階非線性光學(xué)系數(shù)。 要求：要求： 非線性光學(xué)系數(shù)要大；對轉(zhuǎn)換的頻率能實現(xiàn)相位匹配；非線性光學(xué)系數(shù)要大；對轉(zhuǎn)換的頻率能實現(xiàn)相位匹配；

18、寬的透光波段和高的透明度；抗損傷的能力強；易獲得大尺寬的透光波段和高的透明度；抗損傷的能力強；易獲得大尺寸和高質(zhì)量的晶體；物化性能穩(wěn)定、不易潮解、便于加工。寸和高質(zhì)量的晶體；物化性能穩(wěn)定、不易潮解、便于加工。43m 常用的激光頻率轉(zhuǎn)換（變頻）晶體常用的激光頻率轉(zhuǎn)換（變頻）晶體n紅外波段：紅外波段： (800nm)n可見至紅外波段：可見至紅外波段：（400800nm) 磷酸鹽：磷酸鹽： 碘酸鹽：碘酸鹽： 鈮酸鹽：鈮酸鹽：n紫外波段：紫外波段：(400nm) 2233,AgGaSAgGaSeTl AsSe24424,4 ,KH PONH H POKTiOPO3LiIO3325153,LiNbOKN

19、bOBa NaNbOLiTaO2435,BaB OLiB OL精氨酸鹽精氨酸鹽()LAP232KBe BO FKBBF2,ZnGeP激光腔內(nèi)倍頻示意圖激光腔內(nèi)倍頻示意圖倍頻倍頻晶體晶體激光器激光器電光電光晶體晶體反射鏡反射鏡1 1反射鏡反射鏡2 2反射鏡反射鏡3 3格蘭格蘭棱鏡棱鏡3:NdYAG0.532 m 目前非線性晶體中綜合性能最好的晶體之目前非線性晶體中綜合性能最好的晶體之一一, ,同時還具有優(yōu)良的電光性能。是中小功率同時還具有優(yōu)良的電光性能。是中小功率固體綠光激光器的最好倍頻材料。固體綠光激光器的最好倍頻材料。磷酸氧鈦鉀磷酸氧鈦鉀 (KTP)(KTP) 迄今為止的激光損傷閾值最高的非

20、線性迄今為止的激光損傷閾值最高的非線性光學(xué)晶體材料，光學(xué)晶體材料，廣泛應(yīng)用于高功率密度全固廣泛應(yīng)用于高功率密度全固態(tài)倍頻、三倍頻、和頻、光參量器件。態(tài)倍頻、三倍頻、和頻、光參量器件。三硼酸鋰三硼酸鋰 (LBO)(LBO)232KBe BO FKBBF中國發(fā)明中國發(fā)明。是目前唯一可是目前唯一可以直接倍頻產(chǎn)生以直接倍頻產(chǎn)生200nm200nm以下以下相干光的新型深紫外非線性相干光的新型深紫外非線性光學(xué)晶體。光學(xué)晶體。生長難點：生長難點： 如何使晶體長厚如何使晶體長厚 如何提高晶體完整性如何提高晶體完整性“中國實驗室成為這種具有重大科學(xué)價值的晶體的唯一中國實驗室成為這種具有重大科學(xué)價值的晶體的唯一來

21、源，它表明中國在材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)嵙θ找嬖鰪?。來源，它表明中國在材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)嵙θ找嬖鰪??！?“其他國家在晶體生長方面的研究，目前看來還無法縮其他國家在晶體生長方面的研究，目前看來還無法縮小與中國的差距。小與中國的差距?！?Nature KBBFKBBF棱鏡耦合器件棱鏡耦合器件 n目前，利用非線性光學(xué)晶體變頻仍是目前，利用非線性光學(xué)晶體變頻仍是獲得紫外激光的唯一途徑；獲得紫外激光的唯一途徑；n直到現(xiàn)在，直到現(xiàn)在，BBOBBO、LBO LBO 晶體晶體仍為紫外仍為紫外波段最優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體；波段最優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體；n從當(dāng)前對非線性光學(xué)晶體的研究來看，從當(dāng)前對非線性光學(xué)晶體的研究來看，仍然多集

22、中在硼酸鹽體系。仍然多集中在硼酸鹽體系。 光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上波光波上, ,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。 調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化調(diào)制器能使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化，這些參數(shù)包括光波的而變化，這些參數(shù)包括光波的振幅振幅、位相位相、頻頻率率、偏振偏振、波長波長等。承載信息的調(diào)制光波在光等。承載信息的調(diào)制光波在光纖中傳輸，再由光探測器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測纖中傳輸，再由光探測器系統(tǒng)解調(diào)，然后檢測出所需要的信息。出所需要的信息。光學(xué)信號處理光學(xué)信號處理電光晶體電光晶體 在外加電場的作用

23、下，由于晶體內(nèi)部發(fā)生電極化在外加電場的作用下，由于晶體內(nèi)部發(fā)生電極化作用而使折射率發(fā)生變化。作用而使折射率發(fā)生變化。電光系數(shù)大、居里溫度高；電光系數(shù)大、居里溫度高；折射率大、介電損耗?。徽凵渎蚀?、介電損耗小；電阻率大、半波電壓低；電阻率大、半波電壓低；光損傷閾值高、溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好；光損傷閾值高、溫度穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好；易于制備質(zhì)量和尺寸符合使用要求的晶體。易于制備質(zhì)量和尺寸符合使用要求的晶體。性能要求：性能要求：電光調(diào)制晶體電光調(diào)制晶體LN(LN(鈮酸鋰鈮酸鋰) )晶體晶體 常用的電光晶體：常用的電光晶體： KDPKDP、DKDPDKDP、ADPADP、LNLN、LTLT、BNNB

24、NN、SBNSBN聲光晶體聲光晶體吸聲材料吸聲材料1 1級衍射光級衍射光0 0級衍射光級衍射光換能器換能器振蕩器振蕩器入射激光入射激光超聲波行波超聲波行波聲光調(diào)制器：聲光調(diào)制器： 利用聲光效應(yīng)，使光利用聲光效應(yīng)，使光通過聲光晶體后，其方通過聲光晶體后，其方向、強度和頻率等按某向、強度和頻率等按某種規(guī)律進(jìn)行調(diào)制。種規(guī)律進(jìn)行調(diào)制。聲光調(diào)制晶體聲光調(diào)制晶體鉬酸鉛（鉬酸鉛（PbMoO PbMoO ）晶體）晶體4 4閃爍晶體閃爍晶體 在高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉(zhuǎn)變在高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芏l(fā)出熒光的晶體。射線愈強，發(fā)出的熒光為光能而發(fā)出熒光的晶體。射線愈強，發(fā)出的熒光

25、愈強，通常應(yīng)用的閃爍晶體材料都是用人工方法培愈強，通常應(yīng)用的閃爍晶體材料都是用人工方法培育出來的，種類也很多。育出來的，種類也很多。 材材 料料NaI(TI)NaI(TI)CsI(TI)CsI(TI) CeF CeF3 3BGOBGOCdWOCdWO4 4PbWOPbWO4 4GSO:CeGSO:Ce發(fā)射波長發(fā)射波長衰減常數(shù)衰減常數(shù)發(fā)光效率發(fā)光效率 輻射長度輻射長度4104102302301001003.673.67560 560 1250125045454.514.51340,30340,300 030, 930, 96.6,2.6.6,2.0 06.166.164804800.300.30

26、12121.121.125405405 540404304300.010.010.310.310.90.944044056/60056/60021211.381.38nmnscm幾種主要閃爍體的性能幾種主要閃爍體的性能 鍺鍺 酸酸 鉍鉍 晶晶 體體 分辨率最高分辨率最高 光衰量最低光衰量最低 均勻性最好均勻性最好摻鈰硅酸釓摻鈰硅酸釓(GSO:Ce)(GSO:Ce)晶體晶體氟化鉛晶體氟化鉛晶體半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 晶晶 體體-微電子工業(yè)的基石微電子工業(yè)的基石 分為元素半導(dǎo)體晶體和化合物半導(dǎo)體晶體。元素分為元素半導(dǎo)體晶體和化合物半導(dǎo)體晶體。元素半導(dǎo)體晶體主要有硅、鍺、硒等晶體，以硅、鍺應(yīng)用半導(dǎo)體晶體主

27、要有硅、鍺、硒等晶體，以硅、鍺應(yīng)用最廣。二元系化合物半導(dǎo)體有最廣。二元系化合物半導(dǎo)體有-族（如砷化鎵、族（如砷化鎵、磷化鎵、銻化銦等晶體）、磷化鎵、銻化銦等晶體）、-族（如硫化鎘、硒族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等晶體）、化鎘、碲化鋅、硫化鋅等晶體）、 -族（如硫化族（如硫化鉛、硒化鉛等晶體）鉛、硒化鉛等晶體） 、-族（如碳化硅）化合物。族（如碳化硅）化合物。從應(yīng)用的廣泛性和重要性來看從應(yīng)用的廣泛性和重要性來看, , 半導(dǎo)體晶體在所有晶半導(dǎo)體晶體在所有晶體中占有頭等重要的地位。體中占有頭等重要的地位。五大特性五大特性 電阻率特性，導(dǎo)電特性，光電特性，負(fù)的電阻電阻率特性，導(dǎo)電特性，光電特性

28、，負(fù)的電阻率溫度特性，整流特性。率溫度特性，整流特性。半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 材材 料料ZnOZnO單晶單晶( (水熱法水熱法) )碳化硅晶體碳化硅晶體( (升華法升華法) )砷化鎵單晶（提拉法）砷化鎵單晶（提拉法）金剛石膜金剛石膜 (CVD(CVD法法) )禁帶寬度禁帶寬度 飽和電子速度飽和電子速度載流子遷移率載流子遷移率擊穿場強擊穿場強 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 介電常數(shù)介電常數(shù)特性特性(ev)Si710 cms2cmv sM VcmWcm K610CGaAs金剛石金剛石5.451.111.432.71.02.02200160013504808500400100.50.65.711.91

29、2.5nV1.12.65.9201.50.46常見半導(dǎo)體材料性質(zhì)比較常見半導(dǎo)體材料性質(zhì)比較金剛石：更高功率、更高頻率、更高溫度金剛石：更高功率、更高頻率、更高溫度硅單晶：純度最高、完整性最好、直徑最大、用途最廣、消耗量最大硅單晶：純度最高、完整性最好、直徑最大、用途最廣、消耗量最大和研究最為深入和研究最為深入 1. 1. 單晶硅產(chǎn)品直徑向單晶硅產(chǎn)品直徑向300 mm 300 mm 過渡，大直徑化趨勢明顯過渡，大直徑化趨勢明顯; ; 2. 2. 單晶硅產(chǎn)品質(zhì)量高均勻性和完整性、低微缺陷和微應(yīng)力；單晶硅產(chǎn)品質(zhì)量高均勻性和完整性、低微缺陷和微應(yīng)力； 3. 3. 硅材料工業(yè)發(fā)展日趨國際化、集團(tuán)化，生產(chǎn)

30、高度集中硅材料工業(yè)發(fā)展日趨國際化、集團(tuán)化，生產(chǎn)高度集中; ; 4. 4. 硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向硅基材料成為硅材料工業(yè)發(fā)展的重要方向; ; 5. 5. 硅片制造技術(shù)進(jìn)一步提升硅片制造技術(shù)進(jìn)一步提升; ;世界單晶硅材料將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：世界單晶硅材料將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：一次能源的探明剩余儲量比較一次能源的探明剩余儲量比較200020502100215022002250太陽能太陽能石油石油天然氣天然氣煤煤鈾鈾約約4545年年約約1515年年約約6161年年約約3030年年約約230230年年約約8181年年約約7171年年約約5050年年無窮大無窮大年年世界世界中國中國 在新材料領(lǐng)

31、域內(nèi)，能源材料常是指在新材料領(lǐng)域內(nèi)，能源材料常是指在開發(fā)、利用新能源和提高傳統(tǒng)能源利在開發(fā)、利用新能源和提高傳統(tǒng)能源利用率的技術(shù)中起關(guān)鍵作用的材料，包括用率的技術(shù)中起關(guān)鍵作用的材料，包括各種能量轉(zhuǎn)換材料、儲能材料以及能量各種能量轉(zhuǎn)換材料、儲能材料以及能量輸運材料等。輸運材料等。 能能 源源 材材 料料常規(guī)能源的局限性、有限性和不可再生性常規(guī)能源的局限性、有限性和不可再生性最具發(fā)展前景的朝陽工業(yè)之一最具發(fā)展前景的朝陽工業(yè)之一 低碳經(jīng)濟(jì)是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，低碳經(jīng)濟(jì)是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下，以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境

32、保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)雙贏的一種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形態(tài)。低碳不是概念，而是一種生活習(xí)慣。低碳不是概念，而是一種生活習(xí)慣。光伏技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)性、資源無限光伏技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)性、資源無限性和綠色環(huán)保性等特征。性和綠色環(huán)保性等特征。光伏電池組件的成本光伏電池組件的成本/ /價格（價格（1990199020102010年）年） 1990 1990 1995 1995 2000 2000 2010 2010預(yù)計效率預(yù)計效率 （）單晶硅單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00 22多晶硅多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.

33、20/2.00 20聚光電池聚光電池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25 30非晶硅非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67 14薄膜硅薄膜硅 -2.00/3.331.20/2.000.75/1.25 15CdTe -1.50/2.501.20/2.000.75/1.25 15年份年份成本成本/ /價格價格（美元）（美元）光伏電池光伏電池 加州科學(xué)院建筑的設(shè)計在諸多細(xì)節(jié)上體現(xiàn)了加州科學(xué)院建筑的設(shè)計在諸多細(xì)節(jié)上體現(xiàn)了有效使用能源、減少有效使用能源、減少碳排放和維護(hù)自然環(huán)境碳排放和維護(hù)自然環(huán)境的環(huán)保理念。圍繞屋頂?shù)氖且粋€帶有

34、的環(huán)保理念。圍繞屋頂?shù)氖且粋€帶有6000060000多多個光伏電池的裝飾性玻璃檐篷，每年能產(chǎn)生約個光伏電池的裝飾性玻璃檐篷，每年能產(chǎn)生約213000213000千瓦小時的能千瓦小時的能量，滿足整個博物館電力需求的量，滿足整個博物館電力需求的10 10 ，對太陽能的利用每年減少，對太陽能的利用每年減少182.25182.25噸的溫室氣體排放。被稱為世界上最綠色的博物館。噸的溫室氣體排放。被稱為世界上最綠色的博物館。* * 太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。現(xiàn)階段以光直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置?，F(xiàn)階段以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能

35、電池為主流。電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流。* * 目前階段，它的成本還很高，大規(guī)模使用仍目前階段，它的成本還很高，大規(guī)模使用仍然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。然受到經(jīng)濟(jì)上的限制。* * 太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶薄膜式和太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶薄膜式和非結(jié)晶薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶非結(jié)晶薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶型和多結(jié)晶型型和多結(jié)晶型。* * 由于單晶硅成本價格較高，大幅度降低由于單晶硅成本價格較高，大幅度降低其成本很困難。大力發(fā)展多晶硅薄膜和非其成本很困難。大力發(fā)展多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。品。* * 銅銦硒

36、薄膜電池（簡稱銅銦硒薄膜電池（簡稱CISCIS）適合光電轉(zhuǎn)）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，使這類電池的發(fā)展可能要受到限制。來源，使這類電池的發(fā)展可能要受到限制。 壓壓 電電 晶晶 體體 某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時

37、在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正正壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 （1 1）正壓電效應(yīng)）正壓電效應(yīng) （2 2）逆壓電效應(yīng)）逆壓電效應(yīng)非鐵電性壓電晶體有：非鐵電性壓電晶體有： SiOSiO2 2 ZnO LiIO

38、ZnO LiIO3 3 LaLa3 3GaGa5 5SiOSiO14 14 LiLi2 2B B4 4O O7 7 等等-力生電、電生力的晶體力生電、電生力的晶體硅酸鎵鑭晶體硅酸鎵鑭晶體 近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體近化學(xué)計量比鈮酸鋰晶體 石英晶體石英晶體 酒石酸鉀鈉晶體酒石酸鉀鈉晶體二氧化硅家族成員及其特點二氧化硅家族成員及其特點水水 晶晶 簇簇紫紫 水水 晶晶黃水晶黃水晶瑪瑪 瑙瑙 會會 “變變 彩彩” 的的 蛋蛋 白白 石石 直徑（直徑（nmnm） 138 138 241 300 138 138 241 300 333333 顏色顏色 無變彩無變彩 紫色紫色 一級紅至一級紅至 紅色紅色 無變彩

39、無變彩 效效 應(yīng)應(yīng)效效 應(yīng)應(yīng)一級紫一級紫小球直徑與變彩效應(yīng)小球直徑與變彩效應(yīng)2SiO熱熱 釋釋 電電 晶晶 體體輻射溫度測量輻射溫度測量紅外光譜測量紅外光譜測量安全警戒安全警戒紅外攝像紅外攝像非接觸式溫度測量非接觸式溫度測量工業(yè)過程自動監(jiān)控工業(yè)過程自動監(jiān)控激光參數(shù)測量激光參數(shù)測量-熱生電的晶體熱生電的晶體熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器 -黑夜里的千里眼黑夜里的千里眼 以非接觸形式檢測出人體輻射以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線的紅外線, ,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘? ; 能鑒別出運動的生物與其它非能鑒別出運動的生物與其它非生物生物 鉭酸鋰（鉭酸鋰（LiTaOLiTaO ）晶體

40、）晶體3 3 現(xiàn)在有現(xiàn)在有實用價值實用價值的熱釋電晶體幾乎都是鐵電晶體。的熱釋電晶體幾乎都是鐵電晶體。如：硫酸甘氨酸如：硫酸甘氨酸(TGS)(TGS)、鈮酸鍶鋇、鈮酸鍶鋇(SBN)(SBN)、硫酸鋰等。、硫酸鋰等。鈮酸鋰（鈮酸鋰（LiNbOLiNbO ）晶體）晶體3 3電介質(zhì)晶體：電介質(zhì)晶體： 在外電場作用下，晶體內(nèi)部在外電場作用下，晶體內(nèi)部質(zhì)點沿電場方向呈現(xiàn)相對位移質(zhì)點沿電場方向呈現(xiàn)相對位移而產(chǎn)生誘導(dǎo)電偶極矩，稱之為而產(chǎn)生誘導(dǎo)電偶極矩，稱之為介電極化。故電介質(zhì)晶體的特介電極化。故電介質(zhì)晶體的特征是以感應(yīng)極化而不是以電子征是以感應(yīng)極化而不是以電子或離子傳導(dǎo)的方式來傳遞電的或離子傳導(dǎo)的方式來傳遞

41、電的作用和影響。作用和影響。鐵電晶體鐵電晶體熱電晶體熱電晶體壓電晶體壓電晶體電介質(zhì)晶體電介質(zhì)晶體電介質(zhì)晶體的分類電介質(zhì)晶體的分類超超 硬硬 晶晶 體體-已知的最硬晶體已知的最硬晶體金剛石：目前已知的最硬工業(yè)材料，不僅具有硬度高、金剛石：目前已知的最硬工業(yè)材料，不僅具有硬度高、耐磨、熱穩(wěn)定性能好等特性，而且以優(yōu)秀的抗壓強度、耐磨、熱穩(wěn)定性能好等特性，而且以優(yōu)秀的抗壓強度、散熱速率、傳聲速率、電流阻抗、防蝕能力、透光、低散熱速率、傳聲速率、電流阻抗、防蝕能力、透光、低熱脹率等物理性能，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不可替代的新材熱脹率等物理性能，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不可替代的新材料、現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶。料、現(xiàn)

42、代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶。 立方氮化硼：硬度僅次于金剛石，不但立方氮化硼：硬度僅次于金剛石，不但具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更具有金剛石的許多優(yōu)良特性，而且有更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，以及良好的高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，以及良好的透紅外性和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能。透紅外性和較寬的禁帶寬度等優(yōu)異性能。目前，在自然界還沒有找到這種物質(zhì)的目前，在自然界還沒有找到這種物質(zhì)的存在，是人工合成的一種超硬材料。存在，是人工合成的一種超硬材料。 鋼鉆釘碗喚門前，鋼鉆釘碗喚門前， 小巧銅襻密搭連。小巧銅襻密搭連。 修補完成無漏泄，修補完成無漏泄， 藉資糊口巷中穿。藉資糊口巷中穿?！捌仆胫貓A破碗重圓”的補碗匠的

43、補碗匠 中華第一鉆中華第一鉆名稱：常林鉆石名稱：常林鉆石發(fā)現(xiàn)地：山東省發(fā)現(xiàn)地：山東省臨沂臨沂 市市臨臨沭縣沭縣常林村常林村發(fā)現(xiàn)時間發(fā)現(xiàn)時間:1977:1977年年1212月月2121日日重量：重量：158.768158.768克拉克拉特點：特點： 顏色呈淡黃色，顏色呈淡黃色，質(zhì)地純潔，透明如水，晶質(zhì)地純潔，透明如水，晶瑩剔透。晶體形態(tài)為八面瑩剔透。晶體形態(tài)為八面體和菱形十二面體的聚形體和菱形十二面體的聚形非洲之星非洲之星號號（530.2530.2克拉）克拉） 非洲之星非洲之星號號（317.4317.4克拉）克拉）英王王冠英王王冠英王權(quán)杖英王權(quán)杖 充滿傳奇色彩的充滿傳奇色彩的“希望希望”鉆石鉆石

44、 其其 他他 晶晶 體體-寶石、玉文化寶石、玉文化 寶石通常是透明的，光線進(jìn)入切割后的寶石內(nèi)部，經(jīng)過一寶石通常是透明的，光線進(jìn)入切割后的寶石內(nèi)部，經(jīng)過一系列的反射折射，可以看到寶石的閃光，如紅寶石、藍(lán)寶石、系列的反射折射，可以看到寶石的閃光，如紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠等。玉分硬玉（以翡翠為代表）和軟玉（以和田玉為代祖母綠等。玉分硬玉（以翡翠為代表）和軟玉（以和田玉為代表）。表）。 鉆石之美在于它的堅硬、清澈、明亮，彩色寶石之美在于鉆石之美在于它的堅硬、清澈、明亮，彩色寶石之美在于它的艷麗多姿，而玉石之美在于它的細(xì)膩、溫潤、含蓄和幽雅。它的艷麗多姿，而玉石之美在于它的細(xì)膩、溫潤、含蓄和幽雅。 許慎

45、許慎說文解字說文解字稱：稱：“玉，石之美者玉，石之美者”。有五德：仁、義、。有五德：仁、義、智、勇、潔。智、勇、潔。 玉是天然美石在本質(zhì)上具有自然屬性，將玉玉是天然美石在本質(zhì)上具有自然屬性，將玉“人格化人格化”，用玉的質(zhì)地喻人喻事，則用玉的質(zhì)地喻人喻事，則“玉是一種精神玉是一種精神”。玉代表德，德物玉代表德，德物化為玉，化為玉，物質(zhì)財富和精神財富的總和使玉文化成為中國與東方物質(zhì)財富和精神財富的總和使玉文化成為中國與東方文化重要內(nèi)容文化重要內(nèi)容。 中國印中國印. .舞動的北京舞動的北京金鑲玉金鑲玉- -奧運獎牌奧運獎牌 “完璧歸趙完璧歸趙”的題外話的題外話“和氏璧和氏璧”屬軟屬軟玉玉硬玉硬玉軟玉

46、軟玉代表代表化學(xué)組成化學(xué)組成硬度硬度比重比重光澤光澤翡翠翡翠和田玉和田玉油脂光澤至油脂光澤至 玻璃光澤玻璃光澤溫潤、凝重溫潤、凝重26NaAl Si O6.56.57 76 66.56.53.253.253.43.42.92.93.13.126CaMg Si O何種形狀謂之何種形狀謂之“璧璧”爾雅爾雅 . 釋器釋器 “肉肉”：邊：邊 ； “ “好好” ” ：孔孔 肉倍好，謂之璧；肉倍好，謂之璧； 好倍肉，謂之瑗；好倍肉，謂之瑗； 肉好若一，謂之環(huán)；肉好若一，謂之環(huán)； 二十世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)大爆發(fā)的世紀(jì)，不僅涌現(xiàn)二十世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)大爆發(fā)的世紀(jì)，不僅涌現(xiàn)出了很多新的學(xué)科、新的理論，而且，隨著理論科出了

47、很多新的學(xué)科、新的理論，而且，隨著理論科學(xué)的巨大的突破，各種實用工藝和技術(shù)也有了突飛學(xué)的巨大的突破，各種實用工藝和技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。人工晶體以及人工晶體生長技術(shù)就是猛進(jìn)的發(fā)展。人工晶體以及人工晶體生長技術(shù)就是在這種背景下得到了迅速的飛躍，并且日益成為現(xiàn)在這種背景下得到了迅速的飛躍，并且日益成為現(xiàn)代科技進(jìn)步、社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。代科技進(jìn)步、社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。 各種各樣的功能晶體改變了我們的生活、方便各種各樣的功能晶體改變了我們的生活、方便了我們的生活，也解放了我們。隨著新材料的不斷了我們的生活，也解放了我們。隨著新材料的不斷發(fā)現(xiàn)和使用，這種趨勢會伴隨人類社會的發(fā)展不斷發(fā)現(xiàn)和

48、使用，這種趨勢會伴隨人類社會的發(fā)展不斷進(jìn)行下去。進(jìn)行下去。n不僅研究晶態(tài)而且還涉及非晶態(tài)；不僅研究晶態(tài)而且還涉及非晶態(tài)；n不僅研究體單晶而且還涉及薄膜晶體和納不僅研究體單晶而且還涉及薄膜晶體和納米晶；米晶；n不僅研究通常的晶格而且還涉及超晶格；不僅研究通常的晶格而且還涉及超晶格；n不僅研究單一功能而且還涉及多功能；不僅研究單一功能而且還涉及多功能；n不僅研究體性質(zhì)而且還涉及表面性質(zhì)；不僅研究體性質(zhì)而且還涉及表面性質(zhì)；n不僅研究無機(jī)而且還涉及到有機(jī)；不僅研究無機(jī)而且還涉及到有機(jī)；3 3 晶體材料研究的發(fā)展趨勢晶體材料研究的發(fā)展趨勢人工晶體的人工晶體的“全方位全方位”發(fā)展發(fā)展 體體（體單晶）（體單

49、晶） 面面（薄膜單晶）（薄膜單晶） 線線（單晶纖維、晶須）（單晶纖維、晶須） 點點（納米晶）（納米晶）晶體材料功能：晶體材料功能：小型化、低維化、集成化與多功能化小型化、低維化、集成化與多功能化晶體材料制備：晶體材料制備：大規(guī)模、高質(zhì)量、低成本大規(guī)模、高質(zhì)量、低成本1. 1. 晶體生長晶體生長 4 4 幾個概念的補充幾個概念的補充 物質(zhì)在一定溫度、壓力、濃度、介質(zhì)、物質(zhì)在一定溫度、壓力、濃度、介質(zhì)、pHpH等條件等條件下由氣相、液相、固相轉(zhuǎn)化，形成特定線度尺寸、下由氣相、液相、固相轉(zhuǎn)化，形成特定線度尺寸、滿足一定技術(shù)要求的晶體的過程稱為晶體生長。滿足一定技術(shù)要求的晶體的過程稱為晶體生長。 其原

50、理基于物種晶相化學(xué)勢與該物種在相關(guān)物相其原理基于物種晶相化學(xué)勢與該物種在相關(guān)物相中化學(xué)勢間準(zhǔn)平衡關(guān)系的合理維持。如在溶液中的中化學(xué)勢間準(zhǔn)平衡關(guān)系的合理維持。如在溶液中的晶體生長要求在平衡溶解度附近溶質(zhì)有一定合適的晶體生長要求在平衡溶解度附近溶質(zhì)有一定合適的過飽和度。過飽和度。 晶體生長方法是多樣的，如提拉法生長激光晶體、晶體生長方法是多樣的，如提拉法生長激光晶體、水熱法生長人工水晶等。水熱法生長人工水晶等。2. 2. 非晶體非晶體 液體原子被液體原子被“速凍速凍” 具有近程有序，而遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)特點的固體物具有近程有序，而遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)特點的固體物質(zhì)，屬熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)。如玻璃。質(zhì)，屬熱力學(xué)上的亞

51、穩(wěn)態(tài)。如玻璃。冷卻過程中物質(zhì)內(nèi)能、體積隨溫度的變化冷卻過程中物質(zhì)內(nèi)能、體積隨溫度的變化熔體熔體過冷熔體過冷熔體玻璃態(tài)玻璃態(tài)晶態(tài)晶態(tài)gTmT 為玻璃形成溫度，大小為玻璃形成溫度，大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越快，越快， 也就越高，故當(dāng)也就越高，故當(dāng)組成一定時，其形成溫度組成一定時，其形成溫度 應(yīng)是一個隨冷卻速度而變化應(yīng)是一個隨冷卻速度而變化的溫度范圍，即無固定熔點。的溫度范圍，即無固定熔點。gTgTgTABCDKMTV Q結(jié)晶結(jié)晶晶體和非晶體在性質(zhì)上的差異晶體和非晶體在性質(zhì)上的差異是兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同而造成的。是兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同而造成的。石英晶體石英晶體( (晶體晶體) )

52、石英玻璃（非晶體）石英玻璃（非晶體）3. 3. 準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體 對晶體學(xué)的強烈沖擊對晶體學(xué)的強烈沖擊 在經(jīng)典的晶體學(xué)理論已經(jīng)相當(dāng)完善的近在經(jīng)典的晶體學(xué)理論已經(jīng)相當(dāng)完善的近100100年年后，準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，給傳統(tǒng)經(jīng)典的晶體對稱理論帶后，準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，給傳統(tǒng)經(jīng)典的晶體對稱理論帶來了猛烈沖擊，為物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究增添了新的來了猛烈沖擊，為物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究增添了新的內(nèi)容，為新材料的發(fā)展開拓了新的領(lǐng)域，因此迅速內(nèi)容，為新材料的發(fā)展開拓了新的領(lǐng)域，因此迅速發(fā)展起一門晶體學(xué)的分支學(xué)科發(fā)展起一門晶體學(xué)的分支學(xué)科-準(zhǔn)晶體學(xué)。準(zhǔn)晶體學(xué)。 準(zhǔn)晶是準(zhǔn)晶是準(zhǔn)周期晶體準(zhǔn)周期晶體的簡稱，即具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的的簡稱，即具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的固體。固體。 19841984年，肖特曼在年，肖特曼在Al - Mn Al - Mn 合金中發(fā)現(xiàn)了合金中發(fā)現(xiàn)了5 5次對稱性的明次對稱性的明銳衍射斑點并進(jìn)行了理論證明后，定義這種具有銳衍射斑點并進(jìn)行了理論證明后，定義這種具有5 5次對稱（準(zhǔn)次對稱（準(zhǔn)點陣）及其他取向有序而平移無序