晶体材料制备1

晶体材料制备技术
主要知识点:
♣ 晶体材料的制备合成技术 ♣ 提拉法生长技术新进展 ♣ 关于晶体的生长形态

§1 晶体材料的人工合成
--历史发展之必然
金刚石晶体结构
六方硫化锌（纤锌矿）结构
氯化钠晶体结构
钛酸钡晶体结构

电
力
热
光
磁
声
物性的交互作用与相互转换

光功能晶体
人 工 晶 体 材 料
半导体晶体 热释电晶体
压电晶体 其 他
超硬晶体
功 能 材 料
光电子时代的物质基础 “晶体生长工作者送给物理学家的最好礼物”

光功能晶体
---与光现象相关联的无机晶体 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。
光学晶体 声光晶体 激光晶体
电光晶体 磁光晶体 非线性晶体
光折变晶体 闪烁晶体

部分 分光 光功 功能 能晶 晶体 体 部
氟化镁晶体（光学）
氟化钡晶体 （闪烁 ）
KTP晶体 （非线性）
钒酸钇晶体(双折射)
KDP晶体 （电光） 铌酸锶钡晶体（光折变）
掺钕三硼酸钙氧钇 （激光）

问题提出
随着科技进步和社会发展，人们对于功能晶 体需求的数量和品种越来越大，对性能要求也越 来越高，自然界中出产的各种天然晶体已远远不 能满足人们的要求： • 天然晶体作为地球亿万年来逐渐积累的自然资 源，其储量是有限的。 • 由于自然条件的自发性，天然晶体不可避免有 较多的各种缺陷，其纯净度和单晶性也远不能和 人工晶体相比。 • 由于地球在演化过程中条件属于自然条件，不 可能生长出那些只有极端条件下才能生长的晶体。

人工晶体的优势
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具有较高的完整性，包括结构完整性和 组成完整性等； 具有可控的生长规律和生长习性； 在适当的环境和设备条件下，可合成出 具有较高实用价值或满足特定需要的晶 体，包括自然界不存在的晶体品种。
„
„

人工晶体发展趋势
晶体材料功能：小型化、智能化、集成化与多功能化 晶体材料制备：大规模、高质量、低成本
人工晶体的“全方位”发展
体 面 线 点 （体单晶） （薄膜单晶） （单晶纤维、晶须） （纳米晶）

◆ 不仅研究晶态而且还涉及非晶态材料； ◆ 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材料； ◆ 不仅研究单一功能材料而且还涉及多功能材料； ◆ 不仅研究体性质而且还涉及表面性质及其他； ◆ 不仅研究无机而且还涉及有机材料等；

中国站在国际晶体科学的前列！

在人工晶体的生长技术和理论研究中，中国一直站在国际晶体科学的前列，从BGO、KTP、

LGS、LiNbO

3:MG 到BBO、LBO、CBO、GdCOB、

YCOB、KBBF 等晶体，中国都做出了突出的、不可替代的贡献。

“中国实验室成为这种具有重大科学价值的晶体的唯一来源，它表明中国在材料科学领域实力日益增强。”“其他国家在晶体生长方面的研究，目前看来还无法缩小与中国的差距。”《Nature》

§2 晶体材料的制备合成

按照晶体组分解离手段的不同，人工晶体的制备方法基本上可分为:

溶液法熔体法气相法固相法

人工水晶

（产量最大、应用最广的压电晶体）

稀溶液

不饱和溶液饱

和

溶液

过热饱和溶液

特点：

♣驱动力场为近似均匀，晶体均匀性好；♣晶面的生长速率仅仅取决于该晶面的界面结构和遵循的生长动力学规律；

♣驱动力为过饱和度，质量输运为限制生长的主要输运过程；

♣晶体的自范性可得以完美体现。(布拉维法则、欧拉定律)

特点：

♣驱动力场分布不均匀，在某一方向上呈现强制生长驱动力；

♣不同类型晶面上的生长驱动力必然不同；（小面生长）

♣驱动力为过冷度，热量输运是限制生长的主要输运过程；

♣生长速度的各向异性无法充分体现出来。