晶体生长原理与技术课程教学大纲[001]
晶体生长科学与技术1(1-2)
功能晶体
功能晶体 在传感器、换能器、闪烁计数器等领域有广泛应用。
除了具有光学和半导体性质外，还具有其他特殊功能， 如压电、热释电、铁电、闪烁等。
应用特点：功能多样，可满足不同领域的需求。
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CATALOGUE
晶体生长的挑战与前景
晶体生长的挑战
晶体生长过程的控制
晶体生长过程中，需要精确控制温度、压力、浓度等参数，以确 保晶体质量、形态和尺寸的稳定性。
晶体性质
晶体具有各项异性、对称性、光 学特性、电学特性等，这些性质 决定了晶体在不同领域的应用价 值。
晶体生长的热力学与动力学
热力学条件
晶体生长的热力学条件包括温度、压 力、组分等，这些因素决定了晶体能 否自发形成以及形成的相态和稳定性 。
动力学过程
晶体生长的动力学过程涉及原子或分 子的迁移、扩散、碰撞和结晶等，这 些过程决定了晶体生长的速率和形态 。
晶体生长技术
气相法
物理气相沉积法
利用物理方法，如真空蒸发、溅射等，使原 料气体在冷却过程中凝结成晶体。
气相法生长晶体的优点
可生长大尺寸、高质量的单晶，且生长速率 较快。
化学气相沉积法
通过化学反应使原料气体在加热或光照条件 下转化为晶体。
气相法生长晶体的缺点
设备成本高，操作复杂，对原料气体的纯度 要求高。
晶体生长的基本过程
成核
形态控制Βιβλιοθήκη 在一定的条件下，原子或分子通过扩 散和聚集形成微小的晶核。
通过控制晶体生长的条件，可以调控 晶体的形态，从而获得具有特定结构 和性质的晶体。
生长
晶核在一定的热力学和动力学条件下 不断吸收周围的原子或分子，逐渐长 大成为具有一定形态和大小的晶体。
晶体生长机理优秀课件
• 应用
激光频率转换、四波混频、光束转向、图象放 大光信息处理、激光对抗和核聚变等研究领域。
• 现状：
我国该领域领先
（3）电光晶体
• 定义：
光通过有外加场的晶体时，光随着外加场 的变化发生如偏转、偏振面旋转等而达到控 制光传播的目的。这类晶体为电光晶体。
• 应用：
光通讯、光开关、大屏幕显示、光储存、 光雷达和光计算机等。
• 应用：
红外热释电探测器、红外热释电摄像管等。
（7）压电晶体
• 定义：
通过拉伸或压缩使晶体产生极化，导致晶 体表面电荷的现象称为压电效应，这类晶体 为压电晶体。
• 应用：
滤波器、谐振器、光偏转器、测压元件等。
（8）闪烁晶体
• 定义：
当射线或放射性粒子通过晶体时，晶体会 发出荧光脉冲，这类晶体为闪烁晶体。
分类（按组分分）
A）基质晶体（载体）中掺入激活离子（发光中心Nd3+，Cr3+ ， Ho3+ ，Dy2+ ）。输出的波长从紫外（~0.17m）到中红外 （~5.15 m ）。如：红宝石Al2O3:Cr3+，掺钕钇铝石榴石 YAG:Nd3+等。
B）化学计量激光晶体，这种晶体的激化离子就是晶体组成之 一。其特点：高效、低值，功率小。
• 要求：
在使用的波长范围内，对光的吸收和散射要小、 电阻率要大、介电损耗角要小、化学稳定、机械和 热性能好、半波电压低等。
（4）声光晶体
• 定义：
超声波通过晶体时，在晶体中产生随时间变化 的压缩和膨胀区域，使晶体的折射率发生周期性变 化，形成超声导致的折射率光栅，当光通过折射率 周期性变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声 光相互作用。这类晶体为声光晶体。
晶体生长原理与技术第三讲_晶面和晶向
r a1cos a1 ,n d
A3
Nn
s a2cos a2 ,n d
t a3cos a3 ,n d a 3 d a 2
A2
取a1,a2,a3为天然长度单位，则得： O a 1
A1
111
ca o 1 ,n s : ca o 2 ,n s : ca o 3 ,n s :: rst
向是该晶面的法线方向，它的大小则为该晶面族面间距倒数的
2倍。
1.4.2 倒格与正格的关系
1. ai bj 2πij 2π (ij)
0 ij
a1b1a12πa2a3 Ω
2π
a1b2a12πa3a1 0 Ω
2. Rl Kh 2π (为整数)
解： OB i , OEijk,
BE OE O Bjk
晶列BE的晶列指数为：[011]
c
b
Oa
C
D B
求AD的晶列指数。
E
OA k , OD i 1 j,
A
2
AD O D O Ai1jk c
2
b
AD的晶列指数为: [ 21 2 ] 注意:
Oa
C
D B
(1)晶列指数一定是一组互质的整数； 晶列(11-1)
任一晶面在坐标轴上的截距r，s，t必是一组有理数。
可以证明h1，h2，h3一定是互质的，称它们为该晶面族的 面指数，记为(h1h2h3 ) 。
综上所述，晶面指数(h1h2h3 )表示的意义是；
(1)基矢a1,a2,a3 被平行的晶面等间距的分割成h1、h2、h3 等份；
(2)以 a1,a2,a3为各轴的长度单位所求得的晶面在坐标轴
微电子材料—晶体生长基本理论与技术
天然盐湖卤水蒸发
珍珠岩
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3. 由固相变为固相：
同质多相转变，某种晶体在热力学条件改变的时候， 转变为另一种在新条件下稳定的晶体；
原矿物晶粒逐渐变大，如由细粒方解石组成的石灰 岩与岩浆接触时，受热再结晶成为由粗粒方解石组 成的大理岩；
细粒方解石
大理岩
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3. 由固相变为固相：
固溶体分解，一定温度下固溶体可以分离成为几 种独立矿物；
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气相中的均匀成核
晶胚有两种发展趋势： 1）继续长大，形成稳定的晶核； 2）重新拆散，分开为单个分子。
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液相中的均匀成核
晶体熔化后的液态结构是长程无序的； 在短程范围内却存在着不稳定的接近于有序
的原子集团； 它们此消彼长，出现结构起伏或叫相起伏。
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液相中的均匀成核
当温度降到结晶温度时，这些原子集团就可 能成为均匀成核的“胚芽”，称为晶胚。
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晶核的形成
非均匀成核：若新相优先在旧相某些区域中 存在的异质处成核，即依附于液相中的杂质 或外来表面成核。
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气相中的均匀成核
在气-固相体系中，气体分子不停的做无规则的 运动；
能量高的气子发生碰撞后再弹开，这种碰撞类似 于弹性碰撞；
某些能量低的分子，可能在碰撞后连接在一起， 形成几个分子(多为2个)组成的“小集团”，称为 “晶胚”。
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经典成核理论
经典成核理论是基于热力学的分析，基本思 想是把成核视为过饱和蒸汽或溶质的凝聚；
设两个分子碰撞形成晶胚，从分子到晶胚的 变化看成一个体系。
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经典成核理论
体系吉布斯自由能的改变包括：
1、气相转变为晶胚(固相)，体积减小，体积自由能 减少，设体积自由能改变为△GV。 2、晶胚的生成，会形成一个固-气界面，需要一定 的表面能，其改变为△GS。
晶体生长技术1
非晶态物质在地球上含量很少，由于晶体能量小而最 稳定，这些非晶态物质基本上都已经自发转化为晶体 了。地球上的物质经过漫长的地质年代演化，基本上 都演化成这种最稳定的形式-----晶体了，所以非晶态物 质非常少。
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钟乳石横截面
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宝石与玉石
天然晶体中，还有一些十分珍贵和稀少的晶体，被人们称 为“宝石” 和“玉石”。 那么，什么样的天然晶体才能 称之为宝石和玉石呢？ 能够称得上是宝石或玉石的必须具备以下三个条件： 1、 瑰丽：晶莹艳丽、光彩夺目，这是作为宝石和玉石的 首要条件； 2、 稀少：物以稀为贵，稀少决定着宝石和玉石的价值； 3、 耐久：质地坚硬、经久耐用，这是宝石和玉石的价值 能得以保存的重要特征。
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山东大学晶体材料研究所许东教授为第一发明人研制的LAP晶体 曾获国家发明一等奖（1987）
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山东大学晶体材料研究所采用助熔剂法生长出大尺寸KTP晶体， 高新技术产品“零”的突破
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优质大KDP晶体及生长装置示意图
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人工晶体的合成（生长）既是一门技艺 (Art) ，又是一门 科学(Science)。 由于晶体需要在不同状态和条件下生长，加上应用对人工 晶体的质量要求十分苛刻，因而造成了人工合成晶体方法 和技术的多样性以及生长条件和设备的复杂性。如果说生 长设备是晶体生长的“硬件”，那么晶体生长技艺就是它 的“软件”。 作为一门科学，人工晶体包括材料制备、晶体生长机理、 新晶体材料的探索和晶体表征等诸方面，体现了材料科学、 凝聚态物理和固体化学等多学科交叉的特点。
红宝石和蓝宝石被称为“姐妹宝石”，
晶体生长科学与技术1(1-2) 综述
冷坩埚法
冷坩埚法简介
简介：
很多无机非金属难熔化合物的熔点高，找不到合适的坩埚材料； 熔点高，如果熔体直接与坩埚接触，会导致污染； 将原料压成块状，用射频感应加热熔化，表面采用水冷，保留
着一层由原料组成的外壳，起到坩埚的作用； 技术关键在于原料的熔化，要想用射频加热来熔化这些原料， 必须首先产生少量能导电的熔体； 一般金属氧化物的熔化方法采用与该金属氧化物相应的金属块 作为引燃剂； 金属在射频作用下，产生涡流，熔化，温度升高，使周围金属 氧化物也逐渐熔化；
真空蒸发镀膜法
真空蒸发镀膜是将固体材料置于蒸发电极上，在真空条件下，
将固体材料加热蒸发，当把一些加工好的基板材料放在其中时， 蒸发出来的原子或分子就会吸附在基板上逐渐形成一层薄膜； 在蒸发电极上采用高熔点的金属(如W，Mo，Ta等)，制成蒸 发源，待蒸发原料就放在蒸发源上； 蒸发源的要求是：
分子束外延法
优点： 生长温度低； 生长条件可精确控制； 膜的组分和掺杂浓度可控； 精度高； 有效利用平面技术； 缺点： 设备复杂； 价格昂贵； 使用成本高；
脉冲激光沉积法
物理气相输运法
物理气相传输法是制备
SiC单晶的主要方法； 多晶SiC升华，石墨坩埚 2000～3000K， 20hPa(hPa= 1百帕=1毫巴=3/4毫米汞 柱) ； 冷却籽晶；
分子束外延法
原理： 超高真空系统，<10-8 Pa； 分子束源、样品架和样品传递系统；2到3个分子束蒸发源， 制备薄膜所需要的物质和掺杂剂等放入蒸发源的坩埚内， 加热使物质熔化(升华)，产生相应的分子束，为了控制外延 膜生长，每个蒸发源和衬底之间都单独装有挡板(快门)，可 瞬时打开与关闭，从而控制蒸发速率以获得成分均匀的合 金膜；还可以周期性地改变膜的成分以制备超晶格材料(如 GaAs/ GaAlAs)等； 四极质谱仪：控制分子束的种类和强度； 单晶薄膜表面的监测系统：观察外延膜表面成分和晶格结 构，主要有俄歇电子能谱仪，反射高能电子衍射仪等；
晶体生长基础课件 晶体生长热力学基础
内容简介
➢ 相平衡 ➢ 相律及热力学推导 ➢ 相图分析 ➢ 相图在晶体生长中的应用 ➢ 相图测定方法
2021/1/2
Dr. Hui Zhang
晶体生长基础
State Key Lab of Silicon Material Science
热力学平衡
系统的宏观性质不随时间发生变化
多相体系相平衡
研究人工晶体生长和金属冶炼 过程，用适当的方法如溶解、 蒸馏、结晶、萃取、凝结等从 各种天然资源中分离出所需要 的成分，在这些过程中都需要 有关相平衡的知识。
2021/1/2
Dr. Hui Zhang
晶体生长基础
State Key Lab of Silicon Material Science
相律的热力学推导
多元复相系：C个组元，P个相
每个相中有C个独立组元时，则只要任意制定（C－1） 个独立组元的浓度，就可表明该相的浓度
因此，需要指定P（C－1）个浓度，才能确定系统 中各个相的浓度；平衡系统中温度，压力相等，表 明系统状态所需的变量数：
C=3－1＝2?
分解产物均为气相，存在xHCl(g)= xNH3(g) 的关系（ R ），该体系的组分数为:
C = S - R - R
=3 - 1- 1 =1
C = S - R - R
S为组分数，R为独立的化学平衡关系式的
个数， R为其它浓度限制条件数
2021/1/2
Dr. Hui Zhang
晶体生长基础
对于固体，一般是一个固体便有一个相， 而不论它们的质量和大小。
一块整CaCO3的结晶是一个相，如果把它们粉碎为 数百个小颗粒，它们是多少相？为什么？
2021/1/2
Dr. Hui Zhang
晶体生长原理与技术课程教学大纲[001]
![晶体生长原理与技术课程教学大纲[001]](https://img.taocdn.com/s3/m/5a480c8b0129bd64783e0912a216147917117e92.png)
晶体生长原理与技术课程教学大纲[001]晶体生长原理与技术课程教学大纲一、课程说明（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；课程名称：晶体生长原理及电化学基础所属专业：金属材料物理学课程性质：专业方向选修课，学位课，必修环节学分： 4 学时：72（二）课程简介、目标与任务；课程简介：本课程将在绪论中，对人工晶体生长的基本概念，研究范畴，研究历史和晶体生长方法分类等基本概念进行简要介绍。
然后分4篇进行论述。
第一篇为晶体生长的基本原理，将分5章，对晶体生长过程的热力学和动力学原理，结晶界面形貌与结构，形核与生长的动力学过程进行描述。
第二篇为晶体生长的技术基础，将分3章，对晶体生长过程的涉及的传热、传质及流体流动原理，晶体生长过程的化学原理和晶体生长过程控制涉及的物理原理进行论述。
第三篇为晶体生长技术，将分4章对熔体生长、溶液生长、气相生长的主要方法及其控制原理进行论述。
第四篇，晶体的性能表征与缺陷，将分2章，分别对晶体的结构、性能的主要表征方法，晶体的结构缺陷形成与控制原理进行论述。
目标与任务：掌握晶体生长的基本物理原理，学会将基本物理知识运用与晶体生长过程分析讨论。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；修完普通物理学及四大力学课程、固体物理课程后才可学习该课程，该课程向前联系基本物理知识的运用，向后衔接研究生科学研究中遇到的实际结晶学问题。
（四）教材与主要参考书。
教材两本：《晶体生长原理与技术》，介万奇，北京：科学出版社，2010参考书：《晶体生长科学与技术》[上、下册]，张克从，凝聚态物理学丛书，北京：科学出版社，1997《人工晶体：生长技术、性能与应用》，张玉龙，唐磊，化学工业出版社，2005《晶体生长基础》，姚连增，中国科学技术大学出版社，1995《晶体生长的物理基础》，闵乃本，上海科学技术出版社，1982 （五）主讲教师。
主讲：王君教师梯队：闫徳，耿柏松，卓仁富，吴志国二、课程内容与安排绪论（1学时）交代本课程的主要内容，讲授方式，学生需要掌握和了解的内容，与已经学过的课程的相关性，在后续的学习中的地位和作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
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晶体生长原理与技术课程教学大纲
一、课程说明
（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；
课程名称：晶体生长原理及电化学基础
所属专业：金属材料物理学
课程性质：专业方向选修课，学位课，必修环节
学分： 4 学时：72
（二）课程简介、目标与任务；
课程简介：本课程将在绪论中，对人工晶体生长的基本概念，研究范畴，研究历史和晶体生长方法分类等基本概念进行简要介绍。
然后分4篇进行论述。
第一篇为晶体生长的基本原理，将分5章，对晶体生长过程的热力学和动力学原理，结晶界面形貌与结构，形核与生长的动力学过程进行描述。
第二篇为晶体生长的技术基础，将分3章，对晶体生长过程的涉及的传热、传质及流体流动原理，晶体生长过程的化学原理和晶体生长过程控制涉及的物理原理进行论述。
第三篇为晶体生长技术，将分4章对熔体生长、溶液生长、气相生长的主要方法及其控制原理进行论述。
第四篇，晶体的性能表征与缺陷，将分2章，分别对晶体的结构、性能的主要表征方法，晶体的结构缺陷形成与控制原理进行论述。
目标与任务：掌握晶体生长的基本物理原理，学会将基本物理知识运用与晶体生长过程分析讨论。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；
修完普通物理学及四大力学课程、固体物理课程后才可学习该课程，该课程向前联系基本物理知识的运用，向后衔接研究生科学研究中遇到的实际结晶学问题。
（四）教材与主要参考书。
教材两本：
《晶体生长原理与技术》，介万奇，北京：科学出版社，2010
参考书：
《晶体生长科学与技术》[上、下册]，张克从，凝聚态物理学丛书，北京：科学出版社，1997
《人工晶体：生长技术、性能与应用》，张玉龙，唐磊，化学工业出版社，2005
《晶体生长基础》，姚连增，中国科学技术大学出版社，1995
《晶体生长的物理基础》，闵乃本，上海科学技术出版社，1982
（五）主讲教师。
主讲：王君
教师梯队：闫徳，耿柏松，卓仁富，吴志国
二、课程内容与安排
绪论（1学时）
交代本课程的主要内容，讲授方式，学生需要掌握和了解的内容，与已经学过的课程的相关性，在后续的学习中的地位和作用。
第一篇晶体生长的基本原理
第1章晶体
1.1 晶体的基本概念
1.1.1 晶体的结构特征
1.1.2 晶体结构与点阵
1.1.3 晶向与晶面
1.1.4 晶体的结构缺陷概述
1.2 晶体材料
1.2.1 常见晶体材料的晶体结构
1.2.2 按照功能分类的晶体材料
1.3 晶体生长技术的发展
1.4 晶体生长技术基础及其与其他学科的联系
（一）教学方法与学时分配
课堂讨论，3学时
（二）内容及基本要求
主要内容：晶体的基本结构及表示方法，晶体中常见的缺陷及产生，常见晶体结构及材料。
【重点掌握】：晶体中的缺陷及晶体结构。
【掌握】：常见晶体结构即材料。
【难点】：晶体缺陷。
第2章晶体生长的热力学原理
2.1 晶体生长过程的物相及其热力学描述
2.1.1 气体的结构及热力学描述
2.1.2 液体的结构及热力学描述
2.1.3 固体的结构及其热力学参数
2.1.4 相界面及其热力学分析
2.1.5 晶体生长的热力学条件
2.2 单质晶体生长热力学原理
2.2.1 单质晶体生长过程中的热力学平衡
2.2.2 液相及气相生长的热力学条件及驱动力
2.2.3 固态再结晶的热力学条件
2.3 二元系的晶体生长热力学原理
2.3.1 二元合金中的化学位
2.3.2 液-固界面的平衡与溶质分凝
2.3.3 气-液及气-固平衡
2.4 多组元系晶体生长热力学分析
2.4.1 多元体系的自由能
2.4.2 多元系结晶过程的热力学平衡条件
2.4.3 相图计算技术的应用
2.5 化合物晶体生长热力学原理
2.5.1 化合物分解与合成过程的热力学分析
2.5.2 复杂二元及多元化合物体系的简化处理
2.5.3 化合物晶体非化学计量比的成分偏离与晶体结构缺陷
2.5.4 熔体中的短程序及缔合物
（一）教学方法与学时分配
课堂讨论及讲授，8学时
（二）内容及基本要求
主要内容：描述不同结构的热力学参数，晶体生长的热力学条件，单质、合金、多元晶体生长的热力学原理。
【重点掌握】：单质及二元合金生长的热力学条件。
【掌握】：多元合金生长热力学条件分析过程。
【难点】：晶体生长的热力学原理。
第3章晶体生长的动力学原理
3.1 结晶界面的微观结构
3.1.1 结晶界面结构的经典模型
3.2 结晶界面的原子迁移过程与生长速率
3.3 晶体生长的本征形态
3.3.1 晶体生长形态的热力学分析
3.3.2 晶体生长形态的动力学描述
（一）教学方法与学时分配
（一）教学方法与学时分配
课堂讨论，4学时
（二）内容及基本要求
主要内容：晶体界面的结构及模型，晶体生长时界面原子的迁移过程及晶体的生长速率，晶体生长的形态与界面微观结构及生长热力学分析和动力学描述。
【重点掌握】：晶体生长过程中原子的迁移过程及生长热力学和动力学。
【掌握】：结晶界面的微观结构及生长形态。
【难点】：晶体生长的动力学过程。
第4章实际晶体生长形态的形成原理
4.1 晶体生长驱动力与平面结晶界面的失稳
4.2 枝晶的形成条件与生长形态
4.3 枝晶阵列的生长
4.3.1 Hunt模型
4.3.2 KurZ-Fisher模型
4.3.3 Lu-Hunt数值模型
4.4 强各向异性晶体强制生长形态
4.5 多相协同生长
4.5.1 亚共晶生长
4.5.2 共晶生长
4.5.3 偏晶生长
4.5.4 包晶生长
（一）教学方法与学时分配
课堂讨论及讲授，8学时
（二）内容及基本要求
主要内容：晶体生长形态及模型原理，晶体生长形态与相图的关系。
【重点掌握】：晶体生长形态的模型及生长形态与相图的关系。
【掌握】：二元合金相图。
【难点】：晶体生长形态的形成原理。
第5章晶体生长过程的形核原理
5.1 均质形核理论
5.1.1 熔体中的均质形核理论
5.1.2 气相与固相中的均质形核
5.1.3 均质形核理论的发展
5.2 异质形核
5.2.1 异质形核的基本原理
5.2.2 异质外延生长过程中的形核
5.3 多元多相合金结晶过程中的形核
5.3.1 多组元介质中的形核
5.3.2 多相形核过程的分析
5.4 特殊条件下的形核问题
5.4.1 溶液中的形核
5.4.2 电化学形核
5.4.3 超临界液体结晶过程中的形核
（一）教学方法与学时分配。