材料學(xué)院學(xué)術(shù)部大一下概論材概

材料學(xué)概論主講：徐家躍申慧第2部分無機(jī)非金屬材料2.1人工晶體無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料——鍺、硅、碳等單質(zhì)（或化合物）構(gòu)成，如SiO2、Al2O3……金屬材料——金屬元素、合金;高分子材料——以脂肪族或芳香族c－c為基本結(jié)構(gòu)碳、氫、氧、氮等）;結(jié)合鍵:離子鍵、共價鍵特征：耐高溫、高強(qiáng)度、耐腐蝕、性脆、無塑性種類：陶瓷、玻璃、水泥、單晶……傳統(tǒng)與新型（先進(jìn)）無機(jī)非金屬材料無機(jī)材料概況晶體玻璃陶瓷水泥耐火材料納米材料其它材料晶體的分類人工晶體材料的生長方法人工晶體材料的分類與應(yīng)用人工晶體材料介紹自然界中物質(zhì)的存在狀態(tài)有三種：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)固體晶體:非晶體:準(zhǔn)晶體:長程有序短程有序、長程無序（玻璃）有長程取向性，而沒有長程的平移對稱性單晶體(人工晶體）多晶體（陶瓷）至少在微米量級范圍內(nèi)原子排列具有周期性。長程有序:固體分類(按結(jié)構(gòu))晶體的分類NaCl型晶體結(jié)構(gòu)晶體(a)與玻璃(b)的結(jié)構(gòu)特征天然晶體（naturalcrystal）

—礦物礦物：天然產(chǎn)出的、具有一定化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)的單質(zhì)或化合物。金剛石晶體的分類礦物常具一定的外部晶體形態(tài)金剛石黃鐵礦水晶電氣石但并非所有晶體都具有外部晶形受生長環(huán)境所限制，可形成不規(guī)則形狀赤鐵礦

芙蓉石人工晶體（syntheticcrystal）

——人工合成或人造的晶體合成鉆石合成藍(lán)寶石和尖晶石合成晶體——有天然對應(yīng)物的人工晶體。合成紅寶石、合成藍(lán)寶石、合成水晶

人造晶體——無天然對應(yīng)物的人工晶體，人造鈦酸鍶，釔鋁榴石（Y3Al5O12,YAG），釓鎵榴石（Gd3Ga5O12,GGG）YAGYAG單晶體與多晶體單晶體——由單個礦物組成的晶體。多晶體——由多個晶體組成的集合體。人工晶體主要研究內(nèi)容晶體生長方法晶體缺陷：理想的人工晶體—無晶界、位錯、包裹等缺陷晶體性能與應(yīng)用：微電子工業(yè)（硅單晶）、固體照明（半導(dǎo)體晶體）、通訊（水晶）、激光武器（氮化物晶體）……我國在人工晶體領(lǐng)域，特別是在激光、非線性光學(xué)、閃爍晶體、壓電晶體等方面做出了突出貢獻(xiàn)，享譽(yù)國際。陳創(chuàng)天，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所北京人工晶體研究發(fā)展中心主任、研究員，第三世界科學(xué)院院士，中國科學(xué)院院士，國際著名晶體材料科學(xué)家。他提出的晶體非線性光學(xué)效應(yīng)的陰離子基團(tuán)理論,發(fā)明了BBO、LBO、KBBF等多種“中國牌晶體”的非線性光學(xué)晶體。

人工晶體主要生長方法人工晶體生長是一項高水平的技術(shù)，它是科學(xué)的生長；單晶體原則上可以由固態(tài)、液態(tài)（熔體或溶液）或氣態(tài)生長而得。由液態(tài)結(jié)晶又可以分成熔體生長或溶液生長兩大類。液態(tài)結(jié)晶原理：人工晶體由熔體達(dá)到一定的過冷或溶液達(dá)到一定的過飽和而結(jié)晶。氣相法生長：升華法、物理輸運(yùn)、化學(xué)輸運(yùn)。熔體生長法—將原料融化成熔體，當(dāng)熔體的溫度低于凝固點(diǎn)時，熔體會轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶固體；這類方法是最常用的，主要有提拉法、坩堝下降法、區(qū)熔法、焰熔法等。溶液生長法—

將原料（溶質(zhì)）熔于一定的溶液中，使其達(dá)到飽和，然后采取措施（如蒸發(fā)、降溫），使溶質(zhì)在晶體表面析出長成晶體；廣泛的溶液生長包括水溶液、有機(jī)和其他無機(jī)溶液、熔鹽和在水熱條件下的溶液等。氣相生長法—一般可用升華、化學(xué)氣相輸運(yùn)等過程來生長晶體。熔體生長單晶的一種最主要的方法；原理：通過加熱將坩堝中原料熔化，籽晶桿帶著籽晶由上而下插入熔體，由于固液界面附近的熔體有一定的過冷度，熔體沿籽晶結(jié)晶，隨籽晶逐漸上升而生長成棒狀單晶。加熱方式：頻率感應(yīng)或電阻加熱;半導(dǎo)體：Si、Ge等；氧化物單晶：YAG、GGG、LN等主要控制因素：固液界面溫度梯度、生長速率、晶轉(zhuǎn)速率以及熔體的流體效應(yīng)等。

1、提拉法：利用籽晶從熔體中提拉出晶體熔體法晶體生長2、坩堝下降法原理：將原料放入特殊形狀的坩堝內(nèi)，加熱使之熔化；通過下降裝置使坩堝在具有一定溫度梯度的結(jié)晶爐內(nèi)緩慢下降，經(jīng)過溫度梯度最大的區(qū)域時，熔體便會在坩堝內(nèi)自下而上地結(jié)晶為整塊晶體。特點(diǎn)：晶體在密封的坩堝內(nèi)生長，熔體揮發(fā)少，成分容易控制；適合生長大直徑晶體，晶體的形狀由坩堝的形狀決定，可以是圓或者方形；一爐可以放多個坩堝，即同時生長多根晶體。坩堝下降法生長示意圖CaF2晶體1960-1978:LargesizemicainSICCAS(國家發(fā)明二等獎)1988:BGOscintillationcrystalsinSICCAS(國家發(fā)明一等獎)1989:TeO2acousto-opticcrystalsinSICCAS(國家進(jìn)步二等獎)1995:Φ3’’LBOpiezoelectriccrystalsinSICCAS(國家發(fā)明二等獎)1998:CsIscintillationcrystalsinSICCAS(國家發(fā)明三等獎)

1999：PbF2scintillationcrystalsinSICCAS(國家發(fā)明三等獎)

2000:Φ4’’LBOpiezoelectriccrystalsinSICCAS2000-2006:PMNT,PZNTinSICCAS(國家發(fā)明二等獎)2007:PWOscintillationcrystalsinSICCAS(國家發(fā)明二等獎)

…………50年來，累計發(fā)表論文300篇以上，專利50余項，創(chuàng)造產(chǎn)值（出口）超過18億元。我國坩堝下降法生長技術(shù)成果范世馬豈，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員、博士生導(dǎo)師，在坩堝下降法晶體生長發(fā)明有高深造詣，先后三次獲得國家技術(shù)發(fā)明獎1、2等獎，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益20億，奠定了中國在氧化物晶體生長領(lǐng)域的國際地位。

3、區(qū)熔法（浮區(qū)法）原理：多晶棒通過狹窄的高溫區(qū)，形成一個狹窄的熔區(qū)，移動材料棒或加熱體，使熔區(qū)移動而結(jié)晶，最后材料棒就形成了單晶。加熱方式：射頻加熱、激光或者具有橢球反射鏡的鹵素?zé)簟o需坩堝，熔區(qū)依靠表面張力維持，實時觀察生長過程。浮區(qū)法生長示意圖4、導(dǎo)模法又稱邊緣限定一薄膜供料法（edge-definedfilm-fedcrystalgrowth,EFG)

，主要用于生長特定形狀的晶體，是提拉法的一種變形。導(dǎo)模法已經(jīng)成功地生長了片狀、帶狀、管狀、纖維等形狀的晶體，包括Al2O3、Si、YVO4等。工業(yè)生產(chǎn)對異形晶體需求增大，例如高壓鈉燈需要藍(lán)寶石管，雷達(dá)長延遲聲學(xué)器件用帶狀晶體、襯底用薄片狀藍(lán)寶石晶體等。直接從熔體中生長出片、絲、管、棒、板等晶體，而且晶體生長速度快，尺寸可以精確控制，簡化了晶體的加工程序，降低生產(chǎn)成本。導(dǎo)模法工作原理—毛細(xì)作用將原料在坩堝中加熱熔化，熔體沿模具在毛細(xì)作用下上升至模具頂端，在模具頂部液面上接籽晶提拉熔體，使籽晶和熔體的交界面上不斷進(jìn)行原子重新排列，隨降溫逐漸凝固而生長出與模具邊緣形狀相同的單晶。導(dǎo)模法生長藍(lán)寶石晶體示意圖EFG法生產(chǎn)的八面體SiEFG法生產(chǎn)的八面體Si用于太陽能電池板在高溫高壓下，通過各種堿性或酸性的水溶液使材料溶解而達(dá)到過飽和進(jìn)而析晶的方法。關(guān)鍵設(shè)備是高壓釜，耐高溫、高壓。水熱生長保持在200～1000°C的高溫及1000～10000大氣壓的高壓下進(jìn)行。原材料位于高壓釜內(nèi)溫度稍高的底部，而籽晶則懸掛在溫度稍低的上部。下部飽和溶液通過對流而被帶到上部，過飽和析晶于籽晶上。合成水晶，藍(lán)寶石、ZnO等。溶液生長-水熱法水熱生長示意圖水熱法生長的ZnO晶體水熱法生長的KTP晶體水熱法生長的水晶固體在升高溫度后直接變成氣相，而氣相到達(dá)低溫區(qū)又直接凝成晶體，整個過程不經(jīng)過液態(tài)的晶體生長方式。有些元素砷、磷及化合物ZnS、CdS等,可以應(yīng)用升華法而得到單晶。材料源在高溫區(qū)升華，晶體則凝結(jié)于低溫區(qū)。

氣相法生長的ZnO晶體升華法

主要按照功能分類：激光晶體非線性光學(xué)晶體壓電晶體弛豫鐵電晶體閃爍晶體半導(dǎo)體晶體

……人工晶體主要分類定義：經(jīng)泵浦之后（光或者電激勵下）能發(fā)出激光。應(yīng)用：固體激光器的工作物質(zhì)，已涉及紫外、可見光到紅外譜區(qū)，被廣泛地應(yīng)用于軍事技術(shù)、宇宙探索、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。世界上第一臺激光器是1960年美國科學(xué)家Maiman以紅寶石晶體作為工作物質(zhì)研制成功的。晶體種類：固定波長激光晶體、可協(xié)調(diào)激光晶體Nd:YAG(Nd:Y3Al5O12)、GGG(Gd3Ga5O12）等GGG晶體紅寶石晶體激光晶體定義：光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)稱為非線性光學(xué)效應(yīng)，具有這種效應(yīng)的晶體就稱為非線性光學(xué)晶體。作用：實現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和Q開關(guān)等技術(shù)的關(guān)鍵材料，可將激光晶體獲得的有限的激光波段轉(zhuǎn)換成新波段的激光，拓寬了激光光源。晶體種類：我國科學(xué)家研制的三硼酸鋰（LiB3O5、LBO)、偏硼酸鋇(BaB2O4、BBO)等非線性光學(xué)晶體在國際上享有盛譽(yù)。GdCa4O(BO3)3(GdCOB)、KH2PO4(KDP)等。LBO晶體非線性光學(xué)晶體KDP晶體(57×52×52cm3)定義：當(dāng)受到外力作用時，晶體發(fā)生極化，形成表面電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)晶體受到外加電場作用時，晶體會產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。著名的壓電晶體有水晶、鈮酸鋰、四硼酸鋰（LiB4O7、LBO）、鍺酸鎵鍶（SGG）等。應(yīng)用：諧振器、濾波器、聲表面換能器等電子元器件，廣泛用于通訊等各種頻率器件中。壓電晶體LBO晶體SGG晶體具有彌散性鐵電/順電相變的一類特殊鐵電晶體，表現(xiàn)出特別高的壓電活性和機(jī)電耦合性能；主要用于醫(yī)用超聲探頭、醫(yī)用超聲、水聲換能器、驅(qū)動器、超聲馬達(dá)等領(lǐng)域。代表性材料主要有鈮鎂鈦酸鉛(PMNT)和鈮鋅鈦酸鉛(PZNT)。PZNT晶體弛豫鐵電晶體海軍聲納系統(tǒng)定義：在高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能變?yōu)楣饽芏l(fā)出熒光的晶體。應(yīng)用：基本粒子探測、高能物理等研究領(lǐng)域以及核醫(yī)學(xué)成像（CT/PET）

、安全檢查、石油勘探等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。最早得到應(yīng)用的閃爍晶體是摻鉈碘化鈉(T1：NaI)晶體。我國科學(xué)家研制成功大尺寸鍺酸鉍(Bi4Ge3O12、BGO)、鎢酸鉛（PbWO4、PWO）等閃爍晶體，成功應(yīng)用于大型電磁量能器（歐洲核磁中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)）、核醫(yī)學(xué)成像設(shè)備上。閃爍晶體

歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)直徑27公里，其最關(guān)鍵部件-高能粒子探頭是由成千上萬塊閃爍晶體組成。坩堝下降法生長的PWO晶體2010年3月，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）實施總能量7萬億電子伏特的質(zhì)子流對撞，迄今最高能量的的對撞。研究宇宙起源和各種基本粒子特性半導(dǎo)體晶體是半導(dǎo)體器件和集成電路等電子工業(yè)的基礎(chǔ)材料第一代半導(dǎo)體：硅單晶（Si）第二代半導(dǎo)體：砷化鎵單晶

(GaAs)第三代半導(dǎo)體：碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)單晶目前使用的半導(dǎo)體材料中，硅單晶一直處于主導(dǎo)地位半導(dǎo)體單晶還在半導(dǎo)體照明（LED)、太陽能等產(chǎn)業(yè)有著更廣闊的發(fā)展空間半導(dǎo)體晶體硅單晶：純度達(dá)99.999999999%,Φ400mm提拉法生長硅單晶

計算機(jī)功能越來越好而其價格卻不斷下降？集成電路的集成度不斷提高，每位存儲器的價格就更低與硅單晶的生長和晶片的加工技術(shù)密切相關(guān)，即對單晶純度與缺陷的要求不斷提高，單晶直徑不斷增加，晶片的加工精度和表面質(zhì)量不斷提高，從而芯片成品率大為提高，每位存儲器的價格急劇下降。聲光晶體定義：當(dāng)光波和聲波同時射到晶體上時，聲波和光波之間將會產(chǎn)生相互作用，從而可用于控制光束，如使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、使光強(qiáng)和頻率發(fā)生變化等，稱為聲光晶體。應(yīng)用：各種聲光器件，如聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)Q開關(guān)、聲表面波器件等，廣泛應(yīng)