《晶体材料制备原理与技术》课后思考题解答

第一章思考题：1、什么是单晶体、多晶体和非晶体？结构上有何区别？答：1）单晶体是由一个晶核各向均匀生长而成，晶体内部的粒子基本上保持其特有的排列规律，如：单晶硅、红宝石、金刚石；2）多晶体是由很多单晶微粒杂乱无规则的聚结而成的，各向异性的特征消失，使整体一般不表现各向异性，如：多数金属和合金等。

3）非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，没有一定规则的外形，物理性质为各向同性，没有固定的熔点，属热力学上的亚稳态，如玻璃、松香、石蜡等。

单晶体在整个晶体中均保持有序的周期性；多晶体则只是在一个单晶微粒中保持有序的周期性，但整体上杂乱无章；非晶体是近程有序（在极小范围内规则排列），而远程无序。

2、分析晶体的宏观物理性质与其结构的关系答：由于晶体是具有格子构造的固体，因此，也就具备着晶体所共有的、由格子构造所决定的基本性质。

①均一性：宏观观察中，晶体在其任一部分上都表现出具有相同的各种特性。

也称为结晶均一性，与非晶体的统计均一性有本质的区别；②自范性：晶体在适当条件下可自发地（而非人为加工）形成封闭的凸几何多面体外形的特性，且几何多面体外形满足欧拉定律：W+V=E+2；③异向性：晶体的几何量度和物理性质因观察方向的不同而表现出差异的特性；④对称性：晶体的相同部分（外形上的和内部结构上的）或性质，能够在不同方向或位置上有规律地重复出现的特性；⑤最小内能性：在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶体、液体或气体相比，其内能（包括质点的动能与位能）最小，故而结构也最稳定；⑥稳定性：在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶体稳定。

晶体的稳定性是最小内能性的必然结果；3、根据晶体的功能并结合其主要应用领域，人工晶体如何分类？答：光功能晶体，半导体晶体，压电晶体，热释电晶体，超硬晶体等4、什么是光功能晶体？举出其中一到两个在高新技术中有广泛应用的晶体。

答：在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性效应等）发生变化的原理，实现对入射光信号的获取、调制、传输、显示、能量或频率转换、受激发射等目的的无机晶体之总称。

如氟化钡，KTP，KDP晶体等。

5、晶体与非晶体融化过程的不同。

答：晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。

而非晶体是近程有序，远程无序，属热力学上的亚稳态，没有固定的熔点。

6、人工晶体的研究趋势答：不仅研究晶态而且还涉及非晶态；不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳米晶；不仅研究通常的晶格而且还涉及超晶格；不仅研究单一功能而且还涉及多功能；不仅研究体性质而且还涉及表面性质；不仅研究无机而且还涉及到有机；晶体材料功能小型化、低维化、集成化与多功能化；晶体材料制备大规模、高质量、低成本7、名词解释：晶面角守恒定律，结晶习性，晶体生长①晶面角守恒定律：同一物质的不同晶体在同一温度和压强下晶面的数目、大小、形状可能有很大的差别，但对应的晶面之间夹角是恒定的；②结晶习性：在一定的外界条件下，某种晶体总是趋向于形成某一种特定形态的现象，称结晶习性。

化学成分、晶体结构、pH值、过饱和度、粘度、共存的杂质以及空间条件等均对结晶习性有显著影响。

可将结晶习性分为：一维延伸型、二维延展型和三维等长型；③晶体生长：物质在一定温度、压力、浓度、介质、pH等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸、满足一定技术要求的晶体的过程称为晶体生长；第二章思考题：1、什么是晶体生长的技术要求和生长方法选择的基本原则？①晶体生长的技术要求：合理的驱动力场分布；驱动力场的稳定、可控；各生长技术参数的良好匹配；精确配料和必要、合理的热处理；力求避免各种形式的污染。

②生长方法选择的基本原则：满足相图的基本要求；有利于快速生长出具有较高实用价值、符合一定技术要求的晶体；有利于提高晶体的完整性，严格控制晶体中的杂质和缺陷；有利于提高晶体的利用率、降低成本。

生长大尺寸的晶体始终是晶体生长工作者追求的重要目标；有利于晶体的后加工和器件化；有利于晶体生长的重复性和产业化。

2、熟悉晶体生长常用工艺方法和其局限性1、熔体法（P37）1.1 提拉法优点：便于精密控制生长条件，可以较快的速度获得优质大单晶；可以使用定向籽晶，选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶；可以方便地采用“回熔”和“缩颈”工艺，这项工艺对于降低晶体中的位错密度，提高晶体完整性都很有用；可以在晶体生长过程中直接观察晶体。

缺点：一般要用坩埚做容器，导致熔体有不同程度的污染；当熔体中有易挥发的物质时，则存在组分控制的困难；不适合生长冷却时存在固态相变的材料。

1.2下降法优点：可以把原料密封在坩埚中，可以减少挥发所带来的影响，带来的好处是除了晶体成分易控制之外，对于某些有害气体也不至于泄露；操作简单，可以生长大尺寸的晶体，可以生长的晶体品种也很多，且易于实现程序化生长；由于每一个坩埚都可以单独成核，因此可以在一个结晶炉中放入多个坩埚。

缺点：不适宜生长在冷却时出现体积增大的晶体（负膨胀系数）；由于晶体在生长过程中直接和坩埚接触，因此容易在晶体中引入较大的内应力和杂质；晶体生长过程中难于直接观察，生长周期也比较长；若在下降法中采用籽晶生长，如何保证在高温区既不溶解掉，又必须使它有部分溶解以进行完全生长，是比较困难的。

1.3 焰熔法优点：生长中不需要坩埚，可以有效节约坩埚材料，且可以避免坩埚带来的污染；氢氧焰燃烧时，温度可以达到2800℃，所以原则上讲高熔点的单晶只要不会发，不怕氧化，都可以用这种方法生长；生长速度快，且可以生长尺寸比较大的晶体；设备简单。

缺点：火焰中的温度梯度大，造成结晶层纵向温度和横向温度梯度大，生长出来的晶体质量欠佳；因为发热源是燃烧的气体，故其温度不可能控制得很稳定；生长出来的晶体位错密度高，内应力也比较大；对于易挥发和易氧化的材料，不适合用该方法；生长时估计有30%的原材料损失掉。

1.4导模法导模法可以直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板等异型晶体，而且尺寸可以控制。

其缺点是生长条件控制比较严格，模具会给晶体带来一定的污染等。

1.5 冷坩埚法有些无机非金属材料熔点很好，能承受该高温的坩埚很少，而且不希望因坩埚而引入污染，冷坩埚法就解决了这一问题。

1.6 熔盐法（助熔剂法）优点：适应性强，几乎对所有的材料，都能找到合适的助熔剂，从中将晶体生长出来，特别适合于新材料的探索；生长温度低于材料的熔点温度，有利于获得高质量的晶体；设备简单。

缺点：晶体生长速度慢，生长周期长；晶体生长过程中不易观察生长现象；许多助熔剂都含有毒性；所生长的晶体尺寸较小；由于采用的助熔剂往往是多种组分的，在这样复杂组分体系中生长，各组分之间的相互干扰和污染难以避免。

1.7浮区法该方法缺点是只能通过固体棒的旋转来进行搅拌，熔体混合不良，掺杂表面的径向变化比提拉法晶体中的径向变化大，生长的晶体热应力比较大，对设备要求也比较高。

2、溶液法（P24）溶液法特点：在远低于熔点温度下生长，避开了可能发生的分解和晶型转变；热源、生长容器、控制系统容易选择；降低了黏度，使高温冷却时不易形成晶体的物质形成晶体；温场分布均匀，宜于生长小应力、大尺寸和均匀性好的晶体；晶体的自范性得以充分体现；多数情况下，生长过程易观察，设备也较简单；生长速度慢、周期长，对设备的稳定性要求高；组分多，影响的因素也较多。

2.1 降温法降温法适合于溶解度和溶解度系数都比较大的物质，不利于生长大单晶。

2.2 恒温蒸发法适合于生长溶解度大而溶解度温度系数又很小的物质，不利于生长大单晶。

2.3 循环流动法设备复杂，管道易堵塞。

2.4温差水热法优点：温差水热法的有点是可以生长由于存在相变或者会形成玻璃体，在熔点时不稳定的结晶相，以及在接近熔点时，蒸汽压高的材料（如ZnO）或者要分解的材料（如VO2）；适合于生长比熔体法生长的晶体有较高的完整性的优质大晶体，或者在理想配比较困难时，要更好地控制成分的材料。

缺点：需要特殊的高压釜和防护措施；需要优质籽晶；整个生长过程不能观察。

3、气相法（P59）气相法的特点：生长条件和薄膜成分精确可控，具有很好的重复性；薄膜的完整性好，纯度高，但生长速度慢；生长过程种可以随时监控薄膜的取向、表面结构和形态；适合生长超晶格的量子阱结构材料；与其他制备工艺有较好的相容性，适应性广，可以制备多种晶态和非晶态薄膜；有一系列难以控制的因素，如温度梯度，过饱和比，携带气流的速度等。

3、讲述提拉法生长技术的主要特点及其操作基本过程4、提拉法的几个改进分别解决了什么问题？5、PVD和CVD的基本原理第三章思考题：1、名词：临界点，同成分点，共晶点，包晶点，固溶度曲线，相区接触法则答：1）同成分点：具有最高/最低熔点的二元连续固溶体相图如上图中的C和M点，在该点上除了两相的浓度相同外，两相的其余性质都不相同，该点代表两相共存状态。

2）临界点：具有液相分层的二元系统相图如上图中的K点所示，这样的点上不仅两相浓度相同，而且两相所有其他性质也都相同，也就是说此时两相合为一相。

3）共晶点E低共熔点E 的理解：冷却时当温度到达T E 时，体系中的液相L E 会按E 点对应的A 、B 比例同时析出A 晶相和B 晶相，E L A B +。

加热时当温度到达T E ，体系中的A 晶相和B 晶相会按E 点对应的A 、B 比例，“共同熔融”成为L E 的液相。

4）包晶点P当温度降到转熔温度T P ，根据水平PD 相线可知此时到达三相平衡状态，即存在L P ，A(B)C S ，(A)D B S 三相，这时将发生转熔过程：(A)A(B)D C P B L S S +，刚才已经析出的S B(A)再次熔融，即液相回吸(A)D B S 晶相，析出A(B)C S 晶相。

反应初期，在固液界面处由(A)D B S 和L P 直接反应生成A(B)C S ，于是(A)D B S 很快就被反应产物A(B)CS 所包裹，因此称为“包晶反应”。

5）固溶度曲线：固溶度曲线是指固溶体中溶质的最大含量随着温度的变化曲线，也就是溶质在溶剂中的极限溶解度随温度的变化曲线。

6）相区接触法则：在二元系相图中，除点接触外相邻相区的相数差永远是1。

即在两个“单相区”之间必定有一个由这两个相组成的“两相区”隔开，而不能以一条线接界。

两个两相区必须以单相区或者三相区（水平线）隔开。

2、什么是组元？独立组元？相？相与组元有什么不同？答：1）系统中每一个可以独立分离出来并能独立存在的化学物质均称为“组元”；2）凡是在系统内可以独立变化而决定着各相成分的组元，称为“独立组元”；3）“相”是指物质系统中具有稳定和相同的化学组成、晶体结构、聚集状态以及相同物理、化学性质的完全均匀一致的所有部分的总和。