《材料工程基础》课件——第一章 （5节）单晶材料的制备.pptxVIP

第五节　单晶材料的制备;岩盐晶体 ;　　所谓单晶，即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。;　　晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。 ;紫罗兰;　　准晶：准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是做电镜的人的功劳。1984年底，D. Shechtman等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久，这种无平移周期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。;图用两种“积木”堆积而成整个球面，很好地体现了准晶体的对称 ;“霍普”钻石 ? 宝石的神话;介绍几种实用晶体;Al2O3蓝宝石单晶材料; 蓝宝石是Al2O3单晶体掺杂Ti4+构成，有着很好的热特性，极好的电气特性和介电特性，并且防化学腐蚀，耐高温，导热好，硬度高，透红外，化学稳定性好。 广泛用于耐高温红外窗口材料和III-V族氮化物及多种外延薄膜基片材料，用于蓝、紫、白光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）。;单晶硅;大尺寸的人造水晶;激光晶体：固体激光器是目前使用最多的激光器之一。绝大多数固体激光器的核心（或称工作物质）是晶体材料，称之为激光晶体。;非线性光学晶体：非线性光学效应是某些物质在受到强电磁场作用时产生的非线性极化所引起的。具有非线性效应的晶体称为非线性光学晶体。;电光晶体：利用光在通过某些加有外场（电场、超声场、磁场等）的晶体时，光随外加场变化发生诸如偏转、强度变化、偏振面旋转等而达到控制光传播的目的。因外加电场而使晶体的折射率发生变化的晶体称为电光晶体。;声光晶???：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。当光通过折射率发生周期变化的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声光相互作用。;磁光晶体：当光通过某些组成原子具有一定磁性的磁光晶体时，被磁性晶体反射或透射后，其偏振面状态将发生改变（偏振面发生旋转）。由反射而引起的偏振面旋转效应叫克尔效应。有透射引起的偏振面旋转效应叫法拉第效应。;热释电晶体：在温度变化时，某些晶体由于结构上的非对称性，能在某一结晶学方向上引起正负电荷重心的相对位移，改变其自发极化状态，从而在该方向两边产生数量相等、符号相反的束缚电荷。具有这种性质的晶体称为热释电晶体。;压电晶体：通过压缩或拉伸使晶体极化，导致晶体表面荷电的现象称为压电效应。具有这种性质的晶体则称为压电晶体。;半导体晶体：是一类具有特殊导电性能的功能材料，电阻率处于导体电阻率（10－5欧?厘米以下）和绝缘体电阻率（ 1010欧?厘米以上）之间的晶体材料。半导体的电阻率对其杂质含量、环境温度以及光照等外界条件有非常高的灵敏度－与其特殊的电子能带结构有关。;光折变晶体：具有光致折射率改变效应的晶体－电光材料在光辐照下，折射率随光强的空间分布而变化。;薄膜晶体：相对于块状大晶体而言，呈薄膜状的单晶薄膜，一般厚度在1微米左右或1微米以下。; 单晶的应用如此广泛，然而很不幸，自然界中单晶很少，也很珍贵（如钻石－由碳构成的金刚石单晶；红宝石－掺有微量Cr2O3的Al2O3单晶）； 科学研究中，虽然很多材料的应用形态为粉末、陶瓷及样品状，但做为基础研究，常常需要制成单晶样品，这样可以避免晶粒表面、晶界的干扰，更好地理解材料性能的微观机理。 ——所以，很有必要合成单晶。;在西方，关于晶体生长的大部分工作从20世纪初期才开始 焰熔法? 1902年 水热法? 1905 提拉法? 1917年 区熔技术? 1952年;晶体生长的方法;晶体生长的方法;从熔体中生长晶体是制备大单晶和特定形状的单晶最常用的和最重要的一种方法，电子学、光学等现代技术应用中所需要的单晶材料，大部分是用熔体生长方法制备的，如单晶硅，GaAs（氮化镓），LiNbO3（铌酸锂），Nd：YAG（掺钕的镱铝石榴石），Al2O3（白宝石）等以及某些碱土金属和碱土金属的卤族化合物等，许多晶体品种早已开始进行不同规模的工业生产。 与其他方法相比，熔体生长通常具有生长快、晶体的纯度和完整性高等优点。;熔融法生长晶体有多种不同的方法和手段，如：提