材料合成与制备第2章课件.ppt

,第二章 单晶的合成与生长,合成单晶（又称人工晶体）是很多现代高新技术产品如光学仪器、电子产品、计算机等的基础材料，对存储、计算、通讯、传感、激光和太阳能利用等现代技术的发展起着决定性作用。,第一节 单晶生长的方法,单晶生长的方法很多，选择何种方法，主要由所用的原料及晶体的性质决定。,Growth of the Single-Crystals,2021/7/13,1,第二章 单晶的合成与生长 合成单晶（又称人工晶体）是,概括起来，主要有以下几种方法：,1. 溶液法。 这是一种在常压以及较低温度的条件下进行晶体生长的方法。其基本原理是将原料溶解于溶剂中，然后采取措施使溶液处于过饱和状态，从而使晶体生长。,2. 水热法。 这是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶于水的物质溶解或反应生成物溶解，并达到一定的过饱和度，以进行结晶和生长的方法。,3. 高温溶液法（助熔剂法）。 这是一种重要的单晶生长方法。通过选择适合的助熔剂，使高熔点的物质在较低温度下熔融，形成高温溶液，再采取一定措施使高温溶液过冷或过饱和，从而使晶体生长。,2021/7/13,2,概括起来，主要有以下几种方法：1. 溶液法。2. 水热法。3,4. 熔体法。 这是制备大单晶和特定形状单晶的最常用、最重要的一种方法。 熔体生长过程只涉及固液相变过程，在受控制的条件下，使熔体定向凝固，原子或分子从无序转变为有序，从而使多晶物质转变为单晶。,从熔体中生长晶体有两种类型： 一是晶体与熔体成分相同。这是一种单元体系，生长过程中，晶体与熔体的成分均保持恒定，熔点不变，容易得到高质量的晶体，且可以有较高的生长速率。 二是生长的晶体与熔体的成分不同。这是一种二元或多元体系，生长过程中，晶体和熔体的成分均不断变化，熔点也随之变化，熔点与凝固点不再是一个确定的数值，很难得到均匀的单晶。,2021/7/13,3,4. 熔体法。 从熔体中生长晶体有两种类型,第二节 单晶生长的技术要点及工艺,一、溶液法生长技术,溶液生长的范畴包括水溶液、有机溶剂和其他溶剂的溶液、熔盐（高温溶液）以及水热条件下的溶液等，这里讨论的主要是水溶液中生长晶体的问题。,1. 基本条件,(1) 溶解度,物质的溶解度特征对溶液中生长晶体的方法有重要影响。对于溶解度较大、且具有大的溶解度温度系数的物质，可采用降温法生长；对于溶解度温度系数较小或具有负的溶解度温度系数的物质，则应采用蒸发法生长。,2021/7/13,4,第二节 单晶生长的技术要点及工艺一、溶液法生长技术,100,200,300,0,20,40,60,1,2,3,4,浓 度,（g / 100g H2O）,温度（）,1. 酒石酸钾钠,2. 酒石酸钾,3. 硫酸甘氨酸,4. 硫酸锂,一些水溶性晶体的溶解度曲线,2021/7/13,5,10020030002040601234浓 度 （g / 1,(2) 过饱和度,过饱和度有以下几种表示方法：浓度驱动力 c： c c c *；过饱和比 s ：s ,c,c *,过饱和度或相对过饱和度 ：, ,c,c *, s 1,c 为溶液的实际浓度，c*为同一温度下的平衡饱和浓度。,溶液从饱和状态到过饱和状态之间存在一个不能自发结晶的过饱和区域，称 “亚稳过饱和区”。,t*,t,c,c*,2021/7/13,6,(2) 过饱和度过饱和度有以下几种表示方法：cc *过饱和,不稳定区,亚,稳,区,稳定区,B,温度,浓 度,c,c*,t*,t,t,c,稳定区：即不饱和区，不可能发生结晶作用。,亚稳（过饱和）区：处于该区的溶液不会自发地发生结晶作用，但如有籽晶存在时，则晶体就会在籽晶上生长。,不稳（过饱和）区：处于该区的溶液会自发地发生成核、结晶作用。,亚稳区最重要，从溶液中生长晶体都是在该区内进行。,c = cc*,ttt*,2021/7/13,7,不稳定区亚稳区稳定区B温度浓 度cc*t*ttc稳定区：,在过饱和度的驱动下，溶液体系会出现核的生长，即成核。,在第一章已讲过，成核有两种情况，一种为均匀成核，另一种为非均匀成核。 在单晶生长中，需要限制核的形成。通常是引入籽晶。 在生长体系中，引入籽晶，为成核提供有利的界面。与其它部位相比，籽晶表面成核能位垒较低，是成核和生长的有利部位。,2021/7/13,8,在过饱和度的驱动下，溶液体系会出现核的生长，,2. 生长技术,溶液法生长晶体的关键是控制溶液的过饱和度。在晶体生长过程中，维持过饱和度的途径有：, 根据溶解度曲线，改变温度； 移去溶剂（蒸发、电解），改变溶液成分； 通过化学反应控制过饱和度。因反应速度比晶体生长速度快，需采取措施加以控制，如通过凝胶扩散，使反应缓慢进行等； 用亚稳相来控制过饱和度，即利用某些物质的稳定相与亚稳相的溶解度差别，控制一定温度，使亚稳相不断溶解，稳定相不断生长。（注意物质的“稳定相、亚稳相”与溶液的“稳定区、亚稳区”的差别）,2021/7/13,9,2. 生长技术 溶液法生长晶体的关键是控制溶液的,水浴育晶装置,（1）降温法生长,起始温度：5060；降温区间：1520；降温速度：根据具体情况严格 控制，精度越高越好（目 前已达 0.001左右）。,溶解度温度系数最好为 1.5g / 1000g 溶液 ,生长装置有：水浴育晶装置；直接加热的转动育晶器；双浴槽育晶装置。,2021/7/13,10,水浴育晶装置（1）降温法生长起始温度：5060；溶解度温,蒸发法育晶装置,（2）蒸发法,冷凝器使蒸汽凝结，积聚于上部小杯中，通过虹吸管移出育晶器外。,晶体生长过程中，取水速度应小于冷凝速度，使大部分冷凝水回流到液面上，否则液面易产生自发结晶。,温度计,控制器,底部加热器,水,适合于在较高生长温度（ 60）。,2021/7/13,11,蒸发法育晶装置（2）蒸发法冷凝器使蒸汽凝结，晶体生长过程中，,二、水热法晶体生长技术,水热法是晶体生长的重要方法，在很多晶体的生长中得到应用。已经生长的晶体包括：以压电水晶、红蓝宝石为代表的氧化物；以石榴石、铁氧体为代表的复合氧化物；以冰洲石为代表的碳酸盐；以及部分硅酸盐、硫化物、磷酸盐、锗酸盐等单晶。其中优质压电晶体 AlPO4 和 GaPO4 以及重要光学晶体 KTiOPO4 等为近年用水热法生长的新晶体典型代表。,与溶液法一样，水热法晶体生长的驱动力也是溶液的过饱和度，因此，水热法生长晶体的方法与溶液法相似，主要包括：温差法、降温法（或升温法）以及等温法等。,2021/7/13,12,二、水热法晶体生长技术 水热法是晶体生长的重要方,水热生长晶体的装置高压釜,这是一种温差法生长晶体的典型装置。培养晶体的原料放在高压釜的下部，籽晶悬挂在釜的上部。釜内温度下部相对较高。釜内充填以一定容量和浓度的矿化剂溶液作为溶剂介质。当釜内溶液因上下部之间存在温差而产生对流时，高温区的饱和溶液便输运到低温区，形成过饱和状态，使晶体生长。,培养料,T1,T2,晶体,T1 T1,2021/7/13,13,水热生长晶体的装置高压釜这是一种温差法生长晶体的典型装置,1. 必要条件, 晶体原料在高温高压下的某种矿化剂水溶液中，具有一定的溶解度（如 1.55），并形成稳定的单一晶相； 有足够大的溶解度温度系数，以便能在适当的温差下形成足够的过饱和度而又不产生过分的自发成核； 有适合晶体生长所需的一定切型和规格的籽晶，并使原料的总面积与籽晶的总面积之比达到足够大； 溶液密度的温度系数要足够大，使溶液在适当的温差条件下具有引起晶体生长的溶液对流和溶质传输作用； 备有耐高温高压抗腐蚀的容器。,2021/7/13,14,1. 必要条件 晶体原料在高温高压下的某种矿化剂水溶液中,2. 技术要点（1）结晶温度与温差,温度决定着结晶的活化能、溶质的浓度、溶液的对流以及过饱和状态，因此，选择适当的结晶温度和控制合适的温差是快速生长优质晶体的决定性因素之一。,在其他条件恒定的情况下，晶体生长的速率一般随结晶温度的提高而加快。研究表明，很多晶体生长速率的对数与绝对温度的倒数呈线性关系。有以下经验公式：,d lg v,d T,C,R T 2,v 为生长速率（mm/ d）；C 为常数；R为理想气体常量；T为绝对温度（K）。,2021/7/13,15,2. 技术要点 温度决定着结晶的活化能、溶质,温差是指其他条件不变的情况下，生长区与溶解区之间的温度差。温差的大小决定着溶液对流状态、溶质的传输和生长区溶质的过饱和度。一般来说，温差越大，生长区溶液的过饱和度越大，生长速率越快。 只要选择适当的温度、压力，并调整温差，便可获得理想的晶体生长速率。,2021/7/13,16,温差是指其他条件不变的情况下，生长区与溶解区之间的温度差。温,（2）压力,压力是作为容器内的溶剂及其浓度、初始充填度、温度、温差的函数而存在的。加大压力就意味着其他参量的改变以及溶解度和质量传输的增强，因此可提高晶面的生长速率。压力可通过增加充填度来实现。增加充填度一方面可提高晶体生长速率，另一方面可克服低压高温下生长区溶质供应不足的情况，有利于改善晶体质量。,2021/7/13,17,（2）压力压力是作为容器内的溶剂及其浓度、初始充填度、温度、,（3）缓冲器,缓冲器是各种具有单孔或多孔的圆盘或伞状盘，它的作用是调节生长系统的溶液对流或质量传输状态。,在溶解区与生长区之间插入一个缓冲器，可使高压釜内获得分别近似等温的溶解区与生长区，有利于建立适当的温差，使生长区达到比较均匀的质量传输状态，从而提高晶体生长速率，并使生长区上下部晶体速率接近。,（4）溶剂（矿化剂溶液）的化学成分及其浓度,水热生长体系中引入矿化剂有利于提高晶体物质的溶解度，提高晶体的生长速率。,2021/7/13,18,（3）缓冲器 缓冲器是各种具有单孔或多孔的圆盘,水热晶体生长中，常用的矿化剂有以下五类：, 碱金属及铵的卤化物； 碱金属的氢氧化物； 弱酸（H2CO3，H3BO3，H3PO4，H2S）与碱金属形成的盐类； 强酸的盐类；酸类（一般为无机酸）。其中，碱金属的卤化物及氢氧化物最有效，应用最广。,这些矿化剂对结晶速率的影响都是通过结晶物质的溶解度与温度压力的关系来体现的。,矿化剂浓度的增加一般可提高晶体的溶解度和生长速率，但若矿化剂浓度过高，则会引起溶液的粘度和密度增加，影响溶液的对流，不利于晶体生长。,2021/7/13,19,水热晶体生长中，常用的矿化剂有以下五类： 碱金属及铵的卤,（5）培养料与籽晶,培养料与籽晶一般均为天然晶体。对培养料要求主要是纯度高，要求在 99.9以上。籽晶是从天然晶体中切取，要求无宏观弊病和孪生，位错密度低，以确保晶体的生长质量。,培养料的溶解总面积与籽晶生长的总面积之比，对晶体生长有影响。在相同生长参量下，釜内籽晶悬挂得少时，其生长速率比籽晶悬挂得多时要大，即生长速率与籽晶面积成反比。,2021/7/13,20,（5）培养料与籽晶培养料与籽晶一般均为天然晶体。,3. 研究装置,水热晶体生长是在密闭的容器中进行，其反应状态及其过程不易观察和了解。为此，一些学者提了一些新颖而实用的研究方案和装置。Shternberg 采用定量监控溶质传输的重量分析装置来研究晶体生长过程中材料转移的动力学情况。这种装置巧妙地将简单的平衡原理应用在复杂的晶体生长研究上，对我们开拓思路具有很好的启发作用。,2021/7/13,21,3. 研究装置 水热晶体生长是在密闭的容器中,高压釜,炉子,加热器,防护套筒,热电偶,刀口,环,横杆,平衡砝码,称重砝码,垂杆,油阻尼器,衡重式高压釜装置,水平固定的高压釜其重心悬挂在垂杆的支点上，釜体可以在炉子中自由摆动。当釜内的材料质量从一端移到另一端时，支点即偏离垂轴。通过添加砝码使釜体恢复到水平位置，从重量的变化可以知道釜内是否有晶体生长及其生长速率的大小。,研究晶体生长动力学用的高压釜装置,2021/7/13,22,高压釜炉子加热器防护套筒热电偶刀口环横杆平衡砝码称重砝码垂杆,三、高温溶液法（助熔剂法）晶体生长技术,1. 助熔剂及其选择,助熔剂有两种类型：一类是金属，主要用于半导体单晶的生长；另一类为氧化物和卤化物等化合物，主要用于氧化物和离子材料的生长，其包括四大类：, 简单离子性盐类：NaCl，LiF等，其溶解能力低，使用少； 极性化合物：Bi2O3、PbO、PbF2等，其在熔融状态下的导电性、溶解能力很强，常与溶质形成复杂的离子团（络合离子），具有很强的离子性，应用广泛； 网络溶液：以硼化物为代表，其熔点低，挥发性低，特别适用于籽晶生长，应用广泛； 复杂反应溶液：钨酸盐、钼酸盐、卤化物等，其溶液与溶质有较强的键合能力，在晶体生长过程中常有化学反应发生，因而应用不广泛。,2021/7/13,23,三、高温溶液法（助熔剂法）晶体生长技术1. 助熔剂及其选择,在进行助熔剂选择时，必须考虑以下几方面的物理化学性质：, 对晶体材料有足够大的溶解度，一般应为1050，且在生长温度范围内有适度的溶解度温度系数。该系数过大时，生长速率不易控制，常引起自发成核。该系数过小时，则生长速率很小。一般在10的范围内即可。 在尽可能大的温度压力等条件范围内与溶质的作用应是可逆的，不形成稳定的其它化合物，晶体是唯一稳定相。 助熔剂在晶体中的固溶度应尽可能小。 应具有尽可能小的粘滞性，以利于溶质和能量的输运。 应具有尽可能低的熔点和尽可能高的沸点，以便有较宽的生长温度范围可供选择。 应具有很小的挥发性（除助熔剂挥发法外）和毒性。 对坩埚无腐蚀性。 应易溶于对晶体无腐蚀作用的溶液如水、酸、碱溶液等。 在熔融状态时，其比重应与晶体材料相近，否则上下浓度不均一。,2021/7/13,24,在进行助熔剂选择时，必须考虑以下几方面的物理化学性质： 对,A,D,B,E,C,F,nC,nD,TA,TC,TE,TB,TEUT,溶质液相,亚稳的过饱和溶液,液相（不饱和溶液）,溶质凝固溶剂,从助熔剂溶液中产生过饱和的方法,ABF缓冷法；AD蒸发法；CE温度梯度输运法。,2. 生长方法的选择,晶体生长的驱动力是溶液的过饱和度，因此晶体生长的基本条件是使溶液产生适当的过饱和度。采用缓慢冷却、溶剂蒸发、温度梯度等均可获得过饱和度。,温度,浓度,2021/7/13,25,ADBECFnCnDTATCTETBTEUT溶质液相亚稳的,控制热电偶,热电偶,热电偶,典型缓冷法晶体生长装置,坩埚底部垫上一块陶瓷板，使坩埚底部温度比上部低几度十几度，有利于底部成核生长。,3. 工艺特征,（1）缓冷法,将温度升至熔点以上十几度100，使物料充分反应、均化后，再缓慢降温（速率一般为 0.15 / h。,2021/7/13,26,控制热电偶热电偶热电偶典型缓冷法晶体生长装置坩埚底部垫上一块,T2,助熔剂,挡热板,T1,T1 T2,T2,冷凝管,熔液,助熔剂,T1,蒸发法生长晶体的助熔剂回收装置,（2）溶剂挥发法,该法设备简单，无需降温仪器，但要求助熔剂有足够高的挥发性。,助熔剂蒸气多有毒和腐蚀性，危害大，需注意防护。,2021/7/13,27,T2助熔剂挡热板T1T1 T2T2冷凝管熔液助熔剂T1蒸,用空气或水冷却,提拉,观察口,热电偶,(a) 自发成核,(b) 侵入溶液的籽晶生长,(c) 顶部籽晶提拉,以下几种是大容积温度梯度输运法晶体生长装置。,（3）温差法,有两种温度梯度类型，一为在整个溶液中建立温度梯度；另一为采用溶剂浮区移动。,T1,T2,2021/7/13,28,用空气或水冷却提拉观察口热电偶(a) 自发成核(b) 侵入溶,把一薄层（约 1 mm）的助熔剂放置在籽晶和多晶之间，以高梯度温场加热，多晶在助熔剂作用下发生部分溶解。在薄层熔区中产生浓度梯度，使物质向低,多晶料,溶剂区,籽晶,多晶料,加热片,籽晶,溶剂区,熔区随环形加热圈沿试样相对移动,熔区随加热片沿试样相对移动,移 动,薄层溶剂浮区法：,浓度冷晶面扩散，从而形成过饱和，使晶体生长。,2021/7/13,29,把一薄层（约 1 mm）的助熔剂放置在籽晶和多晶,电子天平,触轮,阻尼机构,硬铝板,至排风扇,氧化铝管,陶瓷塞,加热元件,铂丝,绝热材料,加助熔剂的熔体,空气人口,热电偶,过饱和温度是助熔剂法生长晶体的重要参数。对过饱和温度的测定大多是用将熔体迅速淬火的方法来进行。这种方法一次只能测出溶解度曲线上的一个点。现在有人利用高灵敏度天平来从事测定过饱和温度和进行晶体生长动力学的研究。这是一项极有开拓性和创新性的工作。,4. 研究装置,2021/7/13,30,电子天平触轮阻尼硬铝板至排风扇氧化铝管陶瓷塞加热元件铂丝绝热,问题与思考,试比较溶液法、水热法、,2021/7/13,31,问题与思考 试比较溶液法、水热法、2021/7/1331,四、熔体法晶体生长技术,熔体生长过程只涉及固液相变过程，这是熔体在受控制的条件下的定向凝固过程。,晶体生长的必要条件是：生长界面处于过冷状态。,有两种类型： 晶体与熔体成分相同，即单元体系； 晶体与熔体成分不同，即二元或多元体系。,固液相之间的自由能的差值 G 是结晶过程的驱动力。 G 与过冷度T 成正比，加大 T 便增大结晶驱动力。对于自发成核系统，在结晶的起始阶段必须提供很大的过冷度。,1. 生长体系及生长条件,2021/7/13,32,四、熔体法晶体生长技术 熔体生长过程只涉及固,提拉法示意图,籽晶,晶体,提拉杆,2. 生长方法,（1）提拉法,本法是熔体法中最常用的方法之一，能够顺利生长某些易挥发的化合物（如GaP和含Pb的化合物）和特殊形状的晶体（如八面型、长硅管 2.5m 、漏斗形等复杂形状的蓝宝石晶体、带状硅和氧化物晶体等）。,带籽晶的提拉杆在籽晶与熔体接触后缓慢旋转上升，在界面处形成温差，产生过冷，使晶体生长。,2021/7/13,33,提拉法示意图籽晶晶体提拉杆2. 生长方法（1）提拉法,在提拉法中，近年引入了三种技术：, 晶体直径的自动控制技术（ADC技术）。这使生长过程实现自动化控制，提高了晶体质量和成品率。, 液相封盖技术和高压单晶炉生长技术（LEC技术）。这使某些具有较高蒸汽压或高离解压的材料的生长变成现实。, 导模法生长技术（EFG技术）。这使晶体的形状和尺寸变成可进行人为精确控制，晶体质量和均匀性也得到改善。,导模形状,导模法生长示意图,2021/7/13,34,在提拉法中，近年引入了三种技术： 晶体直径的,晶体,熔体,模具,晶体,熔体,模具,导模法中常用的两种模具,晶体形状的控制导模法,目前通过导模法已经生长出片状、带状、管状、纤维状晶体。,2021/7/13,35,晶体熔体模具晶体熔体模具导模法中常用的两种模具晶体形状的控制,泡生法示意图,籽晶,晶体,提拉杆,（2）泡生法,受冷籽晶与熔体接触，在界面形成温度梯度，而使晶体生长。为使晶体不断长大，需逐渐降温，同时旋转晶体，也可以缓慢（或分阶段）上提晶体。,本法多用于含某种过量组分的体系。,2021/7/13,36,泡生法示意图籽晶晶体提拉杆（2）泡生法 受冷籽,垂直式,炉丝,水平式,坩埚移动法示意图,（3）坩埚移动法,让熔体在坩埚中冷却而凝固。凝固过程是由坩埚的一端向另一端扩展，可通过移动固液界面来完成，方式包括：移动坩埚，或移动加热炉。,本法主要用于生长碱金属、碱土金属的卤化物晶体。其优点是能制造出大直径晶体。,2021/7/13,37,垂直式 炉丝水平式坩埚移动法示意图（3）坩埚移动法,高温计,氦气,真空泵,热交换器,加热元件,真空炉壳,热交换法示意图,（4）热交换法,通过热交换器控制坩埚底部的温度梯度。籽晶放在坩埚底部中间，原料加热熔化时，由于坩埚底部热交换器的冷却，籽晶不熔化。随着热交换器冷却气流的加大，籽晶逐渐长大，最终遍及整个坩埚。,2021/7/13,38,高温计氦气真空泵热交换器加热元件真空炉壳热交换法示意图（4）,晶体,熔区,多晶,加热器,水平区熔法示意图,（5）水平区熔法,通过局部加热，使原料的狭小区域在其他部分均处于固态时发生熔融，形成熔区。使坩埚缓慢通过高温区，熔区会从一端向另一端移动，晶体也随之生长，扫过整个坩埚。,2021/7/13,39,晶体熔区多晶加热器水平区熔法示意图（5）水平区熔法,多晶,晶体,熔体,射频感应圈,浮区法示意图,聚光灯 1,聚光灯 2,碘钨灯,双球式光聚焦加热示意图,加热温度可达21002800,（6）浮区法,原料先制成棒状，然后局部加热形成区熔。移动原料棒或热源，使生长界面由一端向另一端移动，形成晶体。,2021/7/13,40,多晶晶体熔体射频浮区法示意图聚光灯 1聚光灯 2碘钨灯双球式,The single-crystal growth methods, Czochralski growth,V1=V2(d2/d1)2,V2,V1,2021/7/13,41,The single-crystal growth meth,The single-crystal growth methods, float-zoning,V2=V1(d1/d2)2,V1,V2,2021/7/13,42,The single-crystal growth meth,热源,熔体,晶体,籽晶,多晶材料,提拉杆,（激光）,基座法示意图,（7）基座法,与浮区法相似，但其多晶原料棒比晶体的直径要大得多。是一种无坩埚技术。通过激光等热源加热，使原料棒上端熔化，籽晶与熔体接触，并向上旋转提拉，使晶体生长。它是制备单晶纤维的常用方法之一。,2021/7/13,43,热源熔体晶体籽晶多晶材料提拉杆（激光）基座法示意图（7）基座,（8）焰熔法（火焰法）,H2,O2,H2,O2,下降机构,籽晶,晶体,炉体,燃烧室,料斗,振动装置,高温计,以辐射、等离子体、电弧加热。,生长棒状晶体,生长管状晶体,工业上生长宝石的主要方法。,原料为粉料,燃烧室,2021/7/13,44,（8）焰熔法（火焰法）H2O2H2O2下降机构籽晶晶体炉体燃,H2,O2,H2,O2,以辐射、等离子体、电弧加热。,生长盘状晶体,生长片状晶体,燃烧室,燃烧室,2021/7/13,45,H2O2H2O2以辐射、等离子体、电弧加热。生长盘状晶体生长,实例：单晶硅的生长,多晶硅原料,单晶生长炉,2021/7/13,46,实例：单晶硅的生长多晶硅原料单晶生长炉2021/7/1346,单晶硅,单晶硅基片,2021/7/13,47,单晶硅单晶硅基片2021/7/1347,Small section of a SCS micro actuator array.,单晶硅：微电子学发展的基础,500m,2021/7/13,48,Small section of a SCS micro a,五、人工晶体的性能与应用（Properties and Applications of Synthetic Crystals）,1. 晶体的压电与铁电性质（Piezoelectricity and Ferroelectricity of Synthetic Crystal）,Ps,Ec,Pr,O,E,电滞回线,（1）铁电性,晶体在一定温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向随外电场方向的改变而改变。这种性质称铁电性。,2021/7/13,49,五、人工晶体的性能与应用（Properties 1. 晶,铁电陶瓷的电滞回线,2021/7/13,50,铁电陶瓷的电滞回线2021/7/1350,（2）压电性,沿某些晶体施加一定方向的作用力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，或者因外电场的作用而产生形变，这种现象称为“压电效应”。 具有压电效应的物质（电介质）称为压电体。,2021/7/13,51,（2）压电性 沿某些晶体施加一定方向的作用力时，随着形变,具有铁电性的晶体均具有压电性，但并不是所有的压电体都具有铁电性，如石英晶体具有压电性质，但无铁电性。压电效应是描述晶体中电学和机械性质之间相互耦合特征的物理性质，其分为两类： 正压电效应：由外界机械作用而引起晶体电学状态改变； 逆压电效应：由外加电场作用导致晶体机械状态改变。,2021/7/13,52,具有铁电性的晶体均具有压电性，但并不是所有的压电体都具有铁电,F1F3分别为沿 x、y、z 轴的正应力（或应力分量）， F4F6分别为绕 x、y、z轴的切向应力， 13分别是 x、y、z 表面由于压电效应而产生的电荷面密度。其压电方程为：,2021/7/13,53,X0切型石英晶体切片的力 电分布xzF3( 1)F,压电效应的一个突出的应用是机电换能器。 具有正压电效应的晶体具有将机械作用转变成电信号的能力，因此提供了对机械振动、压力、声波、旋转和扭曲的精确计算，在机电转换元件中有广泛的应用，通俗的例子为：话筒、电唱头、声纳等。 具有逆压电效应的晶体可将电信号转变成机械作用，因此可应用于：扬声器和超声发生器等，这是水下探测、无损伤和医疗超声透视中的主要器件。,2021/7/13,54,压电效应的一个突出的应用是机电换能器。2021/7/135,2. 晶体中光波的双折射（Birefringence）和旋光性（Optical Activity）,晶体的各向异性集中反映在晶体的双折射现象上：即晶体中光波的折射率随光波的偏振方向改变。,晶体的双折射使光波在其中传播的波矢方向与光线（能量流）方向不一致，两者间具有离散角。 对于单轴晶或双轴晶，如果通光方向沿具有双折射而又无离散的方向，则在该方向的两个特征偏振模就有不同的波速，即产生一定的相位延迟。,2021/7/13,55,2. 晶体中光波的双折射（Birefringence）和旋,偏振光与旋光性,将普通光（或单色光）通过尼科尔棱镜或人造的偏晶片，则只有振动平面与晶轴相平行的光才能够通过，这种在一个平面上振动的光叫作平面偏振光，简称偏振光或偏光。 如果物质使偏振面旋转一定的角度，则称这种物质为旋光性物质，这种性质称为旋光性，旋转的角度称为旋光度 。,2021/7/13,56,偏振光与旋光性 将普通光（或单色光）通过尼科尔棱镜或人造的偏,偏振光,光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。,如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜 (起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动。这种只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。,2021/7/13,57,偏振光 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前,偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏镜) 取决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。如果在两个棱镜之间放一个管，里面装入旋光性物质，则将引起偏振光振动面旋转。,旋光性,2021/7/13,58,偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜 (检偏镜) 取决于两个,旋光效应常被称为空间色散，其与晶体具有光性螺旋结构基元有关。这种结构产生了光波偏振方向的旋转，即旋光效应。,晶体的双折射与旋光性特征使其可广泛应用于 各种光学元件中，如光棱镜、光偏振器、旋光器等。,2021/7/13,59,旋光效应常被称为空间色散，其与晶体具有光性螺,3. 外场作用下的晶体光学性质,晶体对电、磁、声、热等外场作用的响应即为晶体的交互效应。,（1）晶体的电光（Electro-Optic）效应,在外加电场作用下，晶体的折射率发生改变。这一性质使晶体可广泛应用于光电子元件的制备中，如光学位相延迟器、电控相位补偿器、电光调制器、位相调制器等。,2021/7/13,60,3. 外场作用下的晶体光学性质晶体对电、磁、声、热等外场作,（2）晶体的声光（Acousto-Optic）效应,晶体受到弹性应力作用产生弹性变形时，会引起晶体折射率的变化，从而影响光波的传播特性，这一效应称弹光效应。声波是一种弹性波，在晶体内传播的光波被外加在晶体上的超声波所产生的折射率光栅衍射或色散的现象就称声光效应。 这一性质使晶体可用于制备声光元件，如声光衍射器、导光波的声光模数转换器等。,2021/7/13,61,（2）晶体的声光（Acousto-Optic）效应晶体受到弹,（3）晶体的磁光（Magneto-Optic）效应,在外加磁场作用下，晶体光学性质产生改变的现象统称磁光效应。包括磁场改变折射率和磁场改变旋光性。,这一性质使晶体在某些主要元件中得到应用，如磁旋光器、激光反向隔离器、光调解器、磁光存储器等。,2021/7/13,62,（3）晶体的磁光（Magneto-Optic）效应,四、晶体的非线性光学（Nonlinear Optic）性质,非线性光学现象有三类：多个光波相互耦合引起的倍频、和频、差频、四波混频等频率变化现象；折射率发生改变而引起光束的自聚焦、光束自陷、光学双稳态和感生光栅效应现象；共振介质在窄激光脉冲作用下产生的瞬态相干现象。,根据晶体的非线性光学性质，可制备各种非线性光学元件。,2021/7/13,63,四、晶体的非线性光学（Nonlinear Optic）性质非,五、晶体的激光性质,晶体的发光光谱是晶体激光性质的基础。目前较好的激光晶体有：红宝石、掺钕钇铝石榴石、掺钕铱镓石榴石、掺铬铝酸镧、氟化钇锂等。,具有激光性质的晶体，可望应用于激光器的制备中。目前较成熟的有：红宝石激光器、色心激光器等。另外，晶体纤维激光器和晶体波导激光器是激光晶体研究的一个新动向。,2021/7/13,64,五、晶体的激光性质 晶体的发光光谱是晶体激光性,六、晶体的热释电性质（Pyroelectricity）,热释电效应就是在温度改变时，晶体表面产生正比于温度变化的热释电电荷。热释电晶体都是压电晶体。其主要应用于热或红外线辐射探测器等。,2021/7/13,65,六、晶体的热释电性质（Pyroelectricity）热释电,问题与思考,一、人工晶体主要有哪些生长方法？各方法有何特点？二、人工晶体有哪些主要性质和用途？,2021/7/13,66,问题与思考一、人工晶体主要有哪些生长方法？各方法有何特点？2,问题？,问题？,