单晶材料制备.
单晶材料的制备及其应用
单晶材料的制备及其应用单晶材料是指由一个完整的晶格构成，无晶界和杂质的材料。
由于其在热处理、力学性能、光学和电学性能等方面与多晶材料不同，因此在现代材料科学和工程学中应用广泛。
一、单晶材料的制备1. 垂直凝固法这种方法是通过在平稳表面的液态金属或合金中拉出一个细长的晶芯，使晶体在顶部生长。
由于重力的作用，晶胞沿垂直方向排列成单晶。
2. 溶液法在溶液中加入溶解度高的化合物，缓慢地降低温度，使晶体在液体中生长，这种方法又称为溶液生长法。
目前最常用的是氧化铝晶体的制备方法。
3. 熔融法将材料融化后在晶体生长室中生长晶体。
例如，在加热到真空中的含有铜元素的陶瓷中放置La2CuO4粉末，待孔隙中的La2CuO4基质被熔化后，再慢慢冷却，就可以获得单晶La2CuO4。
4. 拉伸法这种方法是通过将晶体置于机械控制的拉伸装置中，在高温或室温下拉伸。
这种方法可以用于生长非常大的单晶。
5. 分离法这种方法实际上是从多晶条带中得到单晶。
通过拉伸或有机膜转移等方法把单晶从多晶中分离出来。
二、单晶材料的应用1. 光电领域在光电领域，单晶材料的应用非常广泛。
例如，单晶硅是光电子学器件的核心材料，具有优异的光电特性。
2. 半导体器件单晶材料在半导体器件制造中也非常重要。
例如，锗晶片是电子元件中的核心材料，可用于生产晶体管和光电二极管等。
3. 材料科学单晶材料还可以用于材料科学研究，如研究材料的结构和结构性质等。
4. 超导研究单晶铜氧化物是超导体研究中的重要材料。
单晶铜氧化物具有非常高的超导性能和晶格结构。
5. 生物医学领域单晶材料在生物医学领域中也有广泛的应用。
例如，用单晶硅制作出的基于光学测量和控制的生物芯片，可以应用于生物分析、药物筛选等方面。
总之，单晶材料的制备和应用是材料科学领域中的重要方向。
通过研究单晶材料的制备方法和应用，可以为现代工业和科技进步做出更大的贡献。
单晶制备方法范文
单晶制备方法范文单晶制备是一种重要的晶体制备方法，用于制备高纯度、大尺寸和高质量的单晶材料。
本文将介绍几种常见的单晶制备方法。
1.熔融法熔融法是制备单晶材料最常用的方法之一、该方法首先将原料粉末加入坩埚中，通过加热坩埚使其熔化。
然后，将熔融体缓慢冷却，使其中的原子或分子有足够的时间重新排列成为有序的晶体结构。
最后，通过剖析、切割或溶解等方法得到单晶。
2.水热法水热法是通过在高温高压的水环境中进行晶体生长的方法。
该方法通常使用混合溶液，将试样和溶剂一起装入高压釜中。
随着温度升高和压力增加，试样溶解，晶体逐渐从溶液中生长。
通过控制温度、压力和溶液成分，可以实现单晶的生长。
3.气相输运法气相输运法是通过在高温气氛中使试样在晶界和界面扩散的方法。
首先，将原料制成粉末，然后将粉末放入烧结体中，在高温下加热。
粉末在高温气氛中扩散，形成晶体生长的条件。
最终得到单晶。
4.化学气相沉积法化学气相沉积法是通过在合适的气氛中，使气态反应物沉积到衬底表面上形成单晶的方法。
该方法通常使用低温和大气压或低气压条件下进行。
通常先将衬底加热到合适的温度，然后通过输送反应气体，使气体中的原子或分子在衬底表面沉积，并逐渐形成单晶。
5.溶液法溶液法是通过在适当的溶剂中将试样溶解并逐渐冷却结晶得到单晶的方法。
溶解试样后，通过逐渐控制溶液的温度和溶剂挥发的速度，使溶液中的试样逐渐结晶为单晶。
溶液法适用于生长一些不易用其他方法制备的化合物单晶。
总结单晶制备方法相对复杂，需要仔细选择适合的方法和条件。
除了以上几种常见的方法外，还有其他一些专用的单晶制备方法，例如激光熔融法、分子束外延法等。
单晶制备方法的选择要考虑材料的物化性质、成本和实际需求等因素。
单晶的制备对于材料科学研究和器件制造都具有重要的意义。
单晶材料及其制备
单晶材料及其制备单晶材料是一种具有一致原子晶格排列形式的材料，即从任何一个角度观察，其内部原子排列方式都是一致。
由于其内部没有显著的晶格突变和晶界，使得单晶材料展现出许多优越的性能。
如单晶硅在微电子行业中的应用，单晶超导体在高温超导领域的应用，以及单晶铜和单晶金在纳米科学技术中的利用等制备单晶材料的方法有很多种，包括Bridgmann法，Czochralski法，气相沉积，液相外延，分子束外延等。
Bridgmann法是一种常用的单晶生长方法，适用于制备高熔点的材料。
其工艺流程通常为先将预制的多晶物料装入石英管中，并将其密封，然后将石英管放入高温炉中，并控制炉的加热，当材料达到其熔点时，再通过调整炉的冷却来使材料逐渐凝固形成单晶。
Czochralski法是制备单晶硅最常用的方法。
首先，将多晶硅放入高频感应炉中熔化，然后将一根种晶（已知晶向的单晶体）浸入熔融的硅中，接着慢慢提出并同时旋转，通过控制提拉速度和转速，可以在种晶上生长出单晶硅。
气相沉积法是通过将原料气体引入反应室，并在适当的条件下，使其在基底表面产生化学反应，从而生成薄膜的方法。
其优点是可以控制膜的成分，厚度和制备薄膜的区域。
液相外延法是一种在溶液中生长单晶的方法，其原理是通过将溶质溶解到溶剂中，然后通过降低温度或增加插入的材料，使溶质在基底表面从溶液中析出，从而形成单晶的过程。
分子束外延法是一种在超高真空条件下，通过将单元元素或化合物材料的原子或分子束射向基底表面，使其在基底上生长出单晶薄膜的方法。
该方法的优点是可以在低温度下生长出高质量的薄膜，且可以控制薄膜的厚度和乃至单层原子的厚度。
随着科学技术的发展，对单晶材料的要求和利用也在不断提高和深化，因此，对单晶材料的制备方法不断进行改进和创新，以适应不断变化和提高的需求。
如现在已经出现的脉冲激光沉积法，超临界流体沉积法等新的单晶制备方法。
不仅提高了单晶材料的制备效率，而且提高了单晶材料的质量和性能。
单晶材料的制备
3.在液氮温度附近冷辊轧，然后在640℃退火10s， 并在水中淬火，得到用于再结晶的铝，此时样品 还有2mm大小晶粒和强烈的织构，再通过一温度梯 度退火，然后加热至640℃，可得到约1m长的晶体。
4.采用交替施加应变和退火的方法，可得到宽 2.5cm的高能单晶铝带，使用的应变缺乏以使新晶 粒成核，退火温度为650℃。
晶体生长的目的之一是制备成分准确，尽可能无杂质、无缺陷(包括 晶体缺陷)的单晶体。
晶体生长是一种技艺，也是一门正在迅速开展的科学。
国际上——结晶学 萌芽于17世纪 丹麦学者 晶面角守恒定律
晶体生长大局部工作是从20世纪初期才开始的 1902年 焰熔法 1905年 水热法 1917年 提拉法 1952年 Pfann 开展了区熔技术
四、烧结生长
烧结这个词通常仅用于非金属中晶粒的长大。 烧结就是加热压实的多晶体。
烧结时晶粒长大的推动力主要是由以下因素引 起的：
(1)剩余应变。 (2)取向效应。 (3)晶粒维度效应。〔即利用晶粒大小的差作为
实例：应变退火法制备铝单晶
背景
用应变退火法仔细制备的单晶缺陷较少。由于 铝的堆垛层错能和孪晶晶界能都高，应变退火 法有助于制备无孪生的晶体。取向差小的铝晶 体一般是用应变退火法制备的。
应变退火法制备铝单晶的工艺
1.先在550℃使纯度为99.6%的铝退火，以消 除应变的影响并提供大小符合要求的晶粒， 再使无应变的晶粒较细的铝变形以产生 1%~2%d 的应变，然后将温度从450℃升至 550 ℃ ，按25/d的速度退火。最后在600℃ 退火1h。〔假设初始的晶粒尺寸在0.1mm时， 效果特别好。〕
1、固—固生长方法
单晶制备方法综述
单晶制备方法综述单晶是指物质中具有高度有序排列的晶体，具有优异的物理、化学和电学性能。
单晶制备是实现高性能材料研制和工业应用的重要一环。
本文将综述几种常见的单晶制备方法。
1.液相生长法：液相生长法是最常见的单晶制备方法之一、它基于溶剂中溶解度随温度变化的规律，利用溶剂中存在过饱和度来实现晶体生长。
在溶液中加入适量的晶种或原料，通过恒温、搅拌等条件控制溶液中的过饱和度，使得晶体在液相中逐渐生长。
液相生长法具有适用范围广、成本低廉、晶体尺寸可控等优点，被广泛应用于多种单晶材料的制备。
2.熔体法：熔体法是通过将材料加热至高温使其熔化，然后再进行快速冷却来制备单晶。
熔体法适用于熔点较高的材料，如金属和铁电材料等。
具体实施时，将原料加热至熔点以上，然后迅速冷却至晶体生长温度，通过控制冷却速率和成核条件等参数，使得材料在熔体状态下形成单晶。
熔体法制备的单晶具有高纯度、低缺陷密度等特点。
3.化学气相沉积法（CVD）：化学气相沉积法是将气体、液体或固体混合物送入反应器中，通过化学反应生成气体中的原子或离子，然后在合适的衬底上生长晶体。
CVD法的主要控制参数包括反应原料、反应条件和衬底选择等，通过优化这些参数可以得到高质量的晶体。
CVD法适用于制备半导体晶体、薄膜和光纤等材料。
4.硅热法：硅热法是指通过将石英管内的硅砂与待制备材料在高温下反应，生成有机金属气体，通过扩散至冷却区域后与基片上的晶种接触形成晶体。
硅热法制备的单晶一般适用于高温超导材料、稀土金属等。
5.水热法：水热法是指在高温高压的水热条件下，利用溶液中溶质的溶解度、晶种和反应物之间的反应动力学及溶质活度等热力学因素来实现晶体生长。
水热法适用于很多无机非金属单晶材料的制备，如氧化物、硅酸盐等。
水热法可以自主调控晶体形貌和尺寸等物理性能。
综上所述，单晶制备方法涵盖了液相生长法、熔体法、化学气相沉积法、硅热法和水热法等多种方法。
不同的方法适用于不同的材料，通过合理选择和控制制备条件，可以得到高质量、尺寸可控的单晶材料，应用于各个领域的研究和应用。
单晶材料及其制备
单晶材料及其制备单晶材料是指具有完整晶体结构的材料，其晶体结构沿特定方向没有任何界面或晶界。
单晶材料的结晶性能和物理性能优于多晶材料，因此在许多领域中有广泛应用，如电子器件、光学器件、航空航天等。
本文将介绍单晶材料的制备方法、一些常见的单晶材料及其应用。
制备单晶材料的最常用方法是晶体生长方法，主要有凝固法、浮区法、溶液法和气相法等。
凝固法是指通过控制材料的冷却速度使其从熔融态逐渐冷却成为固态。
这种方法适用于高熔点的材料，一般利用高温熔融状况下的材料来制备单晶材料。
其中，常用的方法有慢冷法、拉布拉多法、修正巨晶法等。
浮区法是通过在两个石英管之间形成液体浮区，将镁铝尖晶石单晶材料逐渐生长出来。
过程中，石英管内加入反应物，通过加热使其熔化，并在石英管之间产生上下移动的浮区，由于石英管之间温度梯度的存在，浮区中的反应物在降温的过程中逐渐结晶并生长成单晶材料。
溶液法是将所需物质溶解在溶剂中，通过控制温度和溶剂挥发速度，使溶液逐渐达到饱和状态并结晶成单晶材料。
其中，常见的溶液法包括溶液蒸发法、有机金属溶胶-凝胶法和溶剂热法等。
气相法是通过控制气体混合物在合适的条件下在衬底上生长单晶材料。
常见的气相法有气体输运法、金属有机化合物气相沉积法和气相石墨化等。
常见的单晶材料包括硅、镁铝尖晶石、硫化镉、硼化镍、石墨等。
其中，硅是最常见的单晶材料之一，广泛应用于半导体制造、光学器件等领域。
硅具有优异的光电性能和机械性能，具备较高的载流子迁移率和导热性能，被广泛应用于电子器件制造中。
此外，硫化镉是一种重要的半导体材料，具有宽的能带间隙和高的光电转换效率，被广泛应用于太阳能电池和激光器等光电器件。
在航空航天领域，单晶材料也有广泛应用。
例如，单晶高温合金被用于制造航空发动机中的叶片和涡轮叶片，因其具有高强度、耐热性和抗腐蚀性能，能够承受高温和高压工况环境。
此外，单晶超合金也被广泛应用于航空发动机的燃烧室和喷嘴等部件。
总之，单晶材料具有独特的结晶结构和优异的物理性能，在电子器件、光学器件、航空航天等领域有广泛应用。
单晶材料的制备方法介绍
单晶材料的制备方法介绍单晶材料，指的是具有完全单一晶体结构的材料，其晶粒呈现为整体性完整的晶体。
这种材料的制备方法包括单晶增长法、气相转化法和物理气相沉积法等。
下面将对这些方法进行详细的介绍。
（一）单晶增长法单晶增长法是目前制备单晶材料最常用的方法之一、其主要原理是通过液相或气相中的原料溶液或气体在晶体表面上沉积，并利用材料的热和质量迁移，使晶体逐渐增长，最终形成单晶。
1.液相法液相法是一种常见的制备单晶材料的方法。
其主要过程包括晶种的培养、溶液配制、溶解和淬火等步骤。
首先，选择一个适合的晶种，在高温下使晶种与溶液接触，晶种逐渐增大。
然后，配制溶液，将材料溶解于溶剂中，形成适合生长晶体的溶液。
接下来，将晶种放入溶液中，通过控制温度和溶液浓度等参数，晶体逐渐从溶液中生长出来。
最后，取出晶体并进行淬火处理，使其冷却到室温。
2.气相法气相法是一种通过蒸发气体使晶体逐渐生长的方法。
其主要过程包括晶种选择、反应气体制备、晶种遗忘和生长阶段等步骤。
首先，选择一个合适的晶种，将其放入反应器中。
然后，制备反应气体，根据晶体材料的要求选择适当的气体进行气相反应。
接下来，将反应气体通过外部加热的方式在晶体表面进行蒸发，晶体逐渐生长。
最后，取出晶体并进行后续处理。
（二）气相转化法气相转化法是一种通过气体中的化学反应在晶体表面上形成单晶的方法。
其主要过程包括原料选择、反应条件控制、晶体生长和后续处理等步骤。
首先，选择适合的原料，在高温高压下使其在气氛中发生化学反应。
然后，通过控制反应条件，使得反应物在晶体表面发生转化反应，逐渐形成单晶。
接下来，将晶体取出并进行后续处理，例如清洗和退火等。
（三）物理气相沉积法物理气相沉积法是一种利用物理沉积技术制备单晶材料的方法。
其主要过程包括蒸发源制备、蒸发和沉积等步骤。
首先，制备一个蒸发源，将所需材料放入蒸发源中。
然后，通过加热蒸发源，使其产生气态物质。
接下来，将气态物质从蒸发源中输送到晶体表面，通过沉积在晶体表面上，逐渐形成单晶。
单晶材料制备方法介绍
单晶材料制备方法介绍单晶材料是指具有完全一致的晶体结构的材料，即在整个样品中只存在单一的晶体方向。
单晶材料具有优异的物理、化学、电子、光学等性能，被广泛应用于多个领域，如电子器件、光学元件、能源材料等。
单晶材料的制备方法主要包括凝固法、气相法以及液相法。
1.凝固法凝固法是制备大尺寸、高质量单晶材料的主要方法之一、常用的凝固法有慢凝固法、快凝固法、定向凝固法和浮区法等。
其中，慢凝固法通过缓慢控制合金温度降低，使晶体在凝固过程中缓慢生长，从而获得质量较高的单晶材料。
而快凝固法则是通过快速降温，迫使晶体在短时间内形成，适用于那些高温下易于分解的材料。
定向凝固法则通过控制凝固过程中的温度梯度和晶体生长方向，使晶体逐渐生长并满足特定的晶体取向要求。
浮区法是在材料晶体表面加热、熔化的同时，通过拉伸和旋转晶体生长方向，从而制备出单晶材料。
2.气相法气相法是单晶材料制备中的重要方法之一，包括气相转化法、化学气相沉积法和物理气相沉积法。
气相转化法是指将气体中的单质或化合物通过化学反应转化为单晶材料。
化学气相沉积法则通过在气体流中加入各种反应物，通过化学反应沉积形成单晶材料。
物理气相沉积法是在真空或惰性气氛中通过热蒸发或溅射的方式沉积单晶材料，该方法制备的单晶材料通常具有高纯度和良好的微观结构。
3.液相法液相法是指通过溶液中的各种物质反应生成单晶材料。
常用的液相法有溶胶凝胶法、溶液扩散法和气体溶剂法。
溶胶凝胶法是将适当物质溶液加热、干燥，使溶液中的物质逐渐沉淀，并形成固体凝胶。
再通过热处理，使凝胶转变为单晶材料。
溶液扩散法是将适当物质溶解在溶剂中，通过扩散使得溶液中的物质结晶生长成单晶材料。
气体溶剂法则是将气体作为溶剂，通过高温高压的条件，使溶液中的物质转变为单晶材料。
除了以上几种常见的单晶材料制备方法，近年来还出现了一些新的制备技术，如熔融法、生长法等。
这些方法利用高温高压或者特殊气氛下，通过熔融或生长的方式制备单晶材料。
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现代材料制备技术
应变退火法制备铝单晶的几种工艺
（４）采用交替施加应变和退火的方法，很容易 制取宽25cm的高纯单晶铝带，使用的应变不足 以使新晶粒成核，而退火温度为640℃。
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液相-固相平衡之定向凝固法
通过控制过冷度实现定向凝固以获得单晶的方法 是由布里奇曼（Bridgman）首先使用并为斯托克 巴杰（Stockbarger）所发展的，通常也称BS法 或定向凝固法。
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定向凝固法原理
本质上，定向凝固法是 借助在一个温度梯度内 进行结晶，从而在单一 的固-液界面上成核。
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应变退火法制备铝单晶的几种工艺
（１）先在550℃使纯度为99.6％的铝退火，以 消除原有应变的影响和提供要求的晶粒大小，再 使无应变的晶粒较细的铝变形以产生1~2％的应 变，然后将温度从450℃升至550℃，按25℃/天 的速度退火。在一些场合，最后再要在600℃退 火1h。
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1.2 单晶制备方法
（3）气相－固相平衡的晶体生长。 主要包括：
ａ．升华法 ｂ．溅射法
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固相－固平衡-应变退火生长
应变退火法常用来制备铝单晶，也就是先产生临 界应变量，然后再进行退火，使晶粒长大以产生 单晶。若初始的晶粒尺寸在0.1mm时，效果特别 好。退火期间，有时在试样表面优先成核，这就 影响了单晶的生长，通常认为铝晶核是在靠着表 面氧化膜的位错堆积处开始的，在产生临界应变 后腐蚀掉约100um厚的表面层，有助于阻止表面 成核。
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1.2 单晶制备方法
（1）固相－固相平衡的晶体生长。 主要包括：
ａ．应变退火法 ｂ．烧结生长 ｃ．同素异构转变
现代料制备技术
1.2 单晶制备方法
（2）液相－固相平衡的晶体生长（单组分）。 主要包括： ａ．定向凝固法 ｂ．籽晶法 ｃ．引上法 ｄ．区域熔化法。
现代材料制备技术
现代材料制备技术
1.1单晶体的基本性质
均匀性，即同一单晶不同部位的宏观性质相同。 各向异性，即在单晶的不同方向上一般有不同的物理性质。 自限性，即单晶在可能的情况下，有自发地形成一定规则
几何多面体的趋向。 对称性，即单晶在某些特定的方向上其外形及物理性质是
相同的；这些特性为任何其他状态的物质如液态或固相非 晶态不具备或不完全具备的。 最小内能和最大稳定性，即物质的非晶态一般能够自发地 向晶态转变。
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（３）坩埚端部是圆锥形的， 圆锥区通过一毛细管和坩埚 主体连接起来。这种办法具 有方法（１）和（２）两者 的优点．
现代材料制备技术
（４）坩埚端部是圆锥形的．坩埚张开 到一合理的体积成为喇叭状。喇叭区通 过毛细管和坩埚主体连接起来，或者它 和另一喇叭区相连，而此喇叭区再和坩 埚主体通过毛细管连接。显然，用许多 球泡-毛细管组一级级地串联在坩埚主体 上，促使在一个很小的体积内(圆锥形端 部)发生初始成核，而有利于从小球泡内 选择一块单晶作为在毛细管内生长的籽 晶。
要结晶的材料通常放在一个圆柱形的坩埚内，使 该坩埚下降通过一个温度梯度，或者使加热器坩 埚上升。通常把坩埚固定在一个设计得能产生近 似一线性梯度的温度的炉子内，然后冷炉子．
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定向凝固法办法
通常，起初整个坩埚是熔融态的，首先成核的是 几个微晶。使这些微晶之一控制着固－液界面。 所采用的各种办法如下：
应变退火法制备铝单晶的几种工艺
（２）在初始退火之后，较低温度下的所谓回复 退火会减少晶粒数目，并帮助晶粒在后期退火时 更快地长大。在320℃退火4h以得到回复，接着 加热试样至450℃，并在该温度下保温2h，这样 便长出长约15cm、直径约1mm的丝状单晶。
现代材料制备技术
应变退火法制备铝单晶的几种工艺
现代材料制备技术
定向凝固法办法
（１）坩埚的端部是圆锥形 的．因此，一开始只有少量 的熔体过冷。这样只形成一 个晶粒（或者最差的情况也 只有几个）。如果一个晶核 的取向合适的话，它将统一 该生长界面。
现代材料制备技术
（２）坩埚的端部是毛细管 状的，一开始只有很少的熔 体过冷。如果形成几个微晶， 当生长界面通过毛细管时， 有较多的机会使一个微晶一 统界面。
单晶材料的制备
现代材料制备技术
一.概述
随着现代科学的发展，在材料科学研究领域 中单晶体材料占着很重要的地位。由于多晶体含 有晶粒间界，人们利用多晶体来研究材料性能时 在很多情况下得到的不是材料本身的性能而是晶 界的性能。有的性能必须用单晶来进行研究。其 中一个著名的例子是半导体的电导率，这一性质 特别具有杂质敏感性，杂质容易偏析在晶界上。 为了在半导体中测定与电导率有关的性质，几乎 总是需要单晶体。晶界和所伴随的空穴常常引起 光散射，因此在光学研究中通常采用单晶体。在 金属物理领域内，要研究晶界对性能的影响，人 们往往也需要金属单晶。
现代材料制备技术
在定向凝固法中常遇到的困难是沿坩埚的温度梯 度太小。很多熔体在成核前必然明显地过冷。如 果熔体足够过冷，热梯度又相当小，往往在第一 颗固体成核前整个试样均在熔点以下。在这样的 条件下发生成核时，穿过剩余熔体的生长很快， 容易形成多晶。大的热梯度保证整个试样尚未处 在熔点以下之前即开始初始成核，这样，当熔点 等温线穿过试样时，单晶生长是在可控的条件下 进行。
现代材料制备技术
单晶体经常表现出电、磁、光、热等方面的优异性能，用 单晶做成的电子器件、半导体器件等应用于现代科学技术 的许多领域。例如单晶体的频率稳定性比多晶体好得多， 因此单晶的压电晶体（如石英）被用来作为频率控制元件。 如果不是提供了优质半导体单晶，半导体工业的存在和发 展是很难想象的。上世纪60年代以后激光技术的出现，对 单晶体的品种和质量提出了崭新的要求。在电子工业、仪 器仪表工业中大量应用单晶做成器件，例如晶体管主要是 由硅、锗或砷化镓单晶所组成；激光器的关键部分就是红 宝石单晶或者是钇铝石榴石单晶；谐振器的主要部件则是 石英单晶。