08级晶体生长理论考试试题.docx
08级争论生晶体生长理论考试试题论述题(共100分,每题25分)一、试述晶体生长的平衡形态理论。二、试论述晶体界面模型的优缺点。三、试从单原子(单分子)动身推导临界核原子团的大小和形核功。四、晶体生长理论的根本科学问题有那些?你认为那些问题有待进一步深入争论?08级争论生晶体生长理论考试试题论述题(共100分,每题25分)一、试述晶体生长的平衡形态理论。二、试论述晶体界面模型的优缺点。三、试从单原子(单分子)动身推导临界核原子团的大小和形核功。四、晶体生长理论的根本科学问题有那些?你认为那些问题有待进一步深入争论?第一章引论§1.1晶体学进展简史人类对晶体的生疏是从具有规章外形的矿物岩石开头的.早在史前.人类为了生存,H1.石头做成各种石器,作为劳开工具利防卫武器,在采集石头的同时,也就觉察了各件外形境则的矿物岩石.例如.在我国周1店的中国猿人遗址中就有用水描等矿物岩石做成的工具.人们把这些有WiiS外形的矿物岩石叫做品体,这是人类生诚晶体的开头。曲静时间的推移,人们觉察右观市外形的晶体种类越来越多.其中不少是对人类有用的苗物晶体.经过长期的现在和比较,后来人们觉察这些矿物品体最具有代表性的特点,是各种晶体都有它特有的外形.晶体结晶学作为一门科学萌芽于17世纪人们对矿物品体外形的规章性争论。1669年,意大利科学家斯丹诺(NiCo1.aUSSICn0对水晶、金刚石,黄铁矿等各种晶体进展了大量的争论,觉察了品面向守忸定律.当时,斯丹诺指出:总体是从外外表长大的,即的物质包围在1.1.经结晶的外衣品而上.因此,各个晶面都按原来的方向平行地向外进展,在生长过程中,各个晶面的大小虽然都在变化,倒它们既然平行地向外进展,其间交角就不应当粒变。换句话说,对于同物质的不同晶体,晶面的大小、外形和个数都可能不同,但相应的晶面之间的夹角都是固定不变的。例如石英晶体(即水晶)可以有各肿不同的外形如图1,1所示|,但其中a和b面夹角总是。47小和C面夹角总是120。00.C和a面夹角总是113。08'.国1.1石奂体的外方品面向守恒定律的觉察,使人们生疏到可以从晶体外形来鉴别各种不同的矿物和其它晶体,为此,法国学者得利RomeDe1.”IsM(17367790)利用他的学生克兰诺(CarangeOO制造的测用仪,对大量矿沏曷体进展了晶面角测定,得出了面角恒等普涧规律,利用晶面角守恒定律进展品体鉴定的方法很牢靠,即使外形很相近的两仲品体也不会发生混询.例如,方解石有一个品用为101。5父而外形同它很相近的智利硝石,相应的晶面角是102"4IS,其间之差不到!>.用肉眼是区分不出来的.可是用测角仪却很简洁觉察它们的差异.品风光用守恒定律的觉察促使人们留意到晶体内部构造问题即晶体为什么会有规章外形、它的内在本质到底是什么.一次偈然的大中成为生说晶体内部构造问题的启发.17世纪,斯丹诺的教师丹麦学者巴尔托林ErasmusBan。IinS(IG251690年)1有次在对晶体进展争论的时候,不慎将一大块的冰洲石晶体摔到地上,他慢恼格外,白干冰洲石晶体是很难弄到的自然晶体,尤其是大块的,当他以格外惋惜的心情扑到地上去捡拾冰洲石砰块的时候,他惊异地觉察全筋的碎块都与大块的冰洲石晶体一样,具有规章的完全一样的斜方六面体外形.这一意外的觉察,使巴尔托林欣喜假设狂,他不但不再为失手打碎冰洲石晶体而懊枪i,»至还特意把一块冰洲石。撷碎,看看是否也会得到外形一样的碎块结果他觉察了晶体的解理性,即晶体总是沿肯定的品而碎裂.I圃满的是.他没右再进一步思考这样连续碎裂下去最终将如何,以致使人们对晶体内郃构造的生疏推迟了100多年.俯汨提的是巴尔托林也在1669年还觉察,当光束通过冰洲石晶体时会分解成两束.它们沿着略微不同的方向前进.离开晶体后,两束光的传播方向与原光束的传播方向平行(如图1.2所示),这就叫做晶体的双折射观望.虽然之后不久荷兰科学家惠史斯(HUigCnS)具体争论石英、方解石等品体的双折射现象,认为方解石是由菱形物质堆切而成的,但在相当一段时间内对晶体内部构造问题的生硫没有大的突破.尽管如此,而角恒等定律、解理现假、双折射现象的觉察促使人们留量到晶体内都构造同2,从而里定了结品学、特别是几何结品学的根底,1.2冰洲石双折*3U1.1784年,法国科学家阿羽衣(RenCJUiIHai.1743-1826)认JX争论了晶体的耕刊!性,提出了著名的品胞学说,他认为母种晶体都有一个外形肯定的最小的加成细恤,叫做品胞,大块晶体就是山干干”个晶胞堆砌在一起而成的.例如图1.3所示的是食盐晶体中(7和N/两种离子的规章排列的图形.图1.3(b)是食盐品体的一个品胞图,图1.3(八)是由大(»)鼻息JR子”(b)M格构遗13食筵体中C7和两片育子的好得亮收的晶胞枳存成的大块晶体他的这现解对晶体内部构造的探讨起到了启蒙的作用,可以说这是人类对晶体的生硫由表及里的第一步猜.测.据此他提出益体具有对称性的推理.晶体的对称性不但及现在晶体的外观形猊.而且在物理性侦方面也有所反映.1805年德国学者斯(ChriStianSamUdWCiSS)就以试脸证明白晶体中存在莉不同的对称轴,于1815年提出了晶体分类,建议将晶体分为6个晶泵后来被证明7大晶系(等轴晶系,四方晶系,六方品系,三方品系,制方品系,单制品系,三斜品系)。1818年他提出了一种标识晶体空间位置的方法,被称为1氏符号,并觉察了晶带定律.19世纪初,几何结晶学得到了快速进展,这是由丁解析儿何的进展应用于结晶学领域并且与准确而大量测读晶面用工作亲热相大,1880年饭.国学者米勃IWiniamHa1.1.owesMi1.ICr(IM)I-IX纲)”领先把解析几何的用到结晶学领域中.1837年提出表示品面空间位置的方法一一米氏符号,始终沿用至今。不久,人们生疏到全部的物体都是由原子组成的.法国科学家布拉维A.Bravais(1X11-1S631Hh此洱到启发于1855年提出f空间点阵学说.并用数学方法导出品体空间格子有十四种类型.称之为布拉维格子,依据其对徐要素分屈于7个晶系,空间点阵学说认为;在晶体内郃,分子、原子或因子的排列是有规章的,何成肯定形式的空间点阵,而所谓品胞,就是其中一个小块的体枳.晶体的空间格子是代表翳体全部构造的缩影.这种空间格子称之为品胞,但品苑的外形可以有多样,每个晶胞都应当能帔代发晶体的何造特征.1867年俄国学者加道林Acc,cBHAMeAbMoBHqTaHOAHHU8281892)用数学方法推导出晶体外形对称形式有32种对称性。虽然很多学者对自然界矿物结晶学争论枳存了人量的实际科学资料,但这些争论人多局限于实际观若的描述弓记载.对形成机理的分析却较少,至19世纪中叶以后,几何结品学才进入分析阶段,理论的总结与科学的推理才得到应有的正视.现代结晶学家俄国学者版多洛夫(ECeju>poB,18531919)在结晶学各个颖域中都有卓越的奉航.在几何结晶学和晶体构造理沦方面,他创立了平行而学说,推导出晶体构造对称23()个空间群(1889年),并觉察J'结晶学极限定律,1889年费多洛夫制造了双圈反射测角仪,极大地简化了储体测角工作.为争论描体光学性能还制造费多洛夫旋转台.在他的晚年又完版f一部巨著结品学,这是一部晶体混定表。19世纪末,百大储体构造的理论预备渐渐成熟.空间点阵学说己为很多知名学者所成认,但仍缺乏足峥的试验依据.1912年街国学者劳埃(M.Von1.aUo川试验所证明X射线通过晶体后发生衍射现收,从而证明白晶体确实具彳f规章的格子构造.可以说1912年是结晶学进展划时代的一年C自此以后,物理学家与钻晶学家对晶体几何结晶学开展了大中的争论。英国学者布拉格父子(W.HBragHUW1.Buigg),贝纳尔(J.D.Berna1.)、伍I州W.A.Woosier)和原苏联学者日丹诺夫(T.C.JKmhob)等人相缚承受X射线争论晶体的内部内造,俄国学者吴I1.1.弗(7.8.8丫24»,1863-1925)和英国学拧丫.H.布仙格及W.1.布技格各向独立的推导出测定晶体构造中而网间跖的公式.称之为吴里弗一布拉格公式.在争论晶体内部构造的根底上消灭了结晶学的分支,即结品化学.M箱晶体材料的进展,结晶化学越来越显示出它在科学与技术领域中的重要性吴里弗W.H.布,潞、W.C.力前.格、尼格里(P.Nigg1.i),勃林(1.PanIing)、戈尔曲密特(V.M.Go1.dsmidt)以及费尔斯曼(A.E.epcMaH.1883-1945)等人对结晶化学的进展都做出了卓越的奉献.吴里弗对于晶体生长理沦及晶体物理性质等方面进展了卓有成效的争论,在人工培育晶体方面进展了有有用价假的探讨,他设if了水溶液法生.长品体的恒温器.至今仍为人们所运用.原苏联学者舒布尼科夫(A.B.IUyeiuiXB)不仅对晶体结品学作门艮多争论,而且对晶体对称件、品体生长.结晶光学以及压电性方面都做出了突出的密献.舒布尼柯夫是将晶体结晶学拓宽应用于工业技术上的光用者,他创立了原苏联科学院结晶化学争论所,原苏联晶体化学家别洛夫(H.B.IiCAoB)对物质质点,最严密积存原理做出精港的争论成果.对离子品体构造争论仃后.蒙的作用.出版了胃离子晶体和金国相构造书是别洛夫的巨大奉献.晶体形态学是一种极为严谐的精细科学,在理论上,它是以物理学、化学、数学等为根底的.早期晶体形态学争论的对望是自然犷物晶体,直至19世纪末对晶体形态的争论虽然能修做到由表及里,由宏观至微观的观看,但仍只限于时晶体静止形态的描述,对于晶体各面朕显准大小差异的嫁Ih和同一种晶体处于不同的生长条件下可以消灭千姿百态的结招形态现象.还是处于只知其然、不知其所以然的阶段,晶体形态的变化涉及到生长物理化学问遨,有关晶体生长物化条件的争论是从人工品体问世之后才真正开头的,所以结晶化学的发展从17世纪中期到19世纪末方显得日臻成熟.从1669年斯丹诺觉察品面角守恒定律开头,历经1784年阿羽衣的品胞学说和1885年布拉维的空间点阵学说,到1889年费多洛夫的空间群理论.200多年的进展,晶体构造的儿何理论根本上完成。但是,的若现代科学的进展,晶体构造的几何理论也在连续进展。例如,关于色群的论己经在空间群根底I.导出1651种苏布尼可夫群.近年来在准晶体研究中,进一步觉察5次、IO次、2()次外旋转对称性,这又给晶体构造几何理论十出r史的课题,与此同时,晶体学的争论手段也得到快速进展,自1912年,律国科学家劳厄(Maxvan1.aUC)第一次做晶体射线衍射试验,半个多世纪以来,X射线衍射方法至今始终成为争论品体做观构造的公爪要工具.X射战构造分析方法也己经有了格外快速的进展,并且枳存了大成晶体构造的资料和阅历.现在.晶体构造分析方法中又有中子衍射、电子折射、光谱法等.目前,用用先进的电子显面镜己羟能鲂看到某些晶体中的原子,各的分析方法相互补充,使人们对晶体构造的/解史加深入而准确.§1.2 人工晶体争论与进展长期以来.自然矿物晶体是大块址晶的唯来源.由于形成条件限蒯,大而完整的堆晶矿物M1.当稀有。某些罕见宝石单品,如钻石、红宝石、蓝宝石、绿宝石等,大都成了稀奇的保儡品、员重的装饰品和博物馆中的展览品.觉察一些尔品具有贵重的物理性质及其应用价值是最近一个多世纪的事.随着生产和科学技术的进展,人们对单品的需求口益增加,例如加工工业需要金刚石.Mr密仪表和钟表工业需要红宝石作轴承.光学工业需要大块冰洲石制造儡光情,超声和乐电技术需要压电水晶等,但白然单品矿物无论在品种、敢砍和质心上都不能满足H益增长的僭求。于是人们想方设法用人工方法合成单晶,促进人工储体的快速进展.该项工作是由19世纪初期开头的,用熔熔法生长晶体始于1902年,水热法生长消灭了1905年,提拉法始1917年,区烙法进展于1952年.目前人的已制造和设计出包括提拉法、下降法、水溶液法、助溶剂法、水热法、CVD法、导模法、冷用堪法及分广束外延法在内的三四十种方法,人1.生长晶体材料从传统的块状晶体进展到具有量子阱效应和超品格构造的薄腴晶体。随着现代科学技术的进展,不仅时的晶体材料的要求越来越多,对晶体材料的纯段、均匀性、组织构造等方面的要求也越来越苛刻,还进展了光子晶体并正在研究智能晶体,目前人工晶体无论隹品种、质量上还是在数Jit方面已远远超过了自然晶体.1.2.1 从自然晶体到人工合成晶体I9世纪中叶到20世纪初,地质学家在探究矿物在自然界中成因时觉察,很多矿物是在水相和高温岛压条件下形成的,于是就设法在试验室条件下合成这些晶体以证明他们的理论.这些争论积行了大信有价值的资料,为水热法合成水晶打卜了根底。此后由于压电晶体的技术应用和经济价值,该方法得到广泛进展,成为长盛不衰的生产水晶的主要方法.20世纪初,维尔纳叶制造了焰焰法来生长红宝石.并很快投入工业生产。此后至二十世纪30年月,对品体的各种生长方式进展了争论,很多重曼的晶体生长方法大都任这一时期争论成功.现代晶体生长方法和技术在二战期间有很大进展,由十电子学、光学和科学仪器对各种单品的施求.使品体生长技术进展到一个高水平.以满足对单晶尺寸、防址和数珏不断增长的要求.如压电水晶大批收的水热合成、水溶性压电晶体的生长、绝缘材料工母的合成都在这期间进展起来.十世纪50年月最突出的进展是,成功地将增体提拉法和区熔法用来制备并提纯出镭和硅单品,为半导体单品的争论应用,以及檄电子学的进开放拓了宽的前城.目前半导体的品己成了继人造宝石和人工水晶之后生产规模也大的商品晶体,另一个突破是1955年尚压合成金刚石获得成功,目前工业上用的金刚石大多由人工合成而成。1960年在红宝石晶体上甘次实现了光的受激放射,激光的消灭和应用推动了人工晶体的进展.此后,很多自然界没有的激光晶体、非雄性光学品体,以及装饰宝石晶体先后被合成,其中有他己得到广泛应用并投入批量生产.我国现代人工晶体争论起步较晚,:十世纪五十年月后期有较大进展“目前,主要依考自己的技术.已成功合成r几乎全部重要的人工晶体.很多晶体的尺寸和历Jit到达r较高水平.亨警国际市场。其中偏硼酸钏(BBO)和三硼酸锂(1.BO)由我国首先研制成功;用下降法大规模生长钻酸W(BG(%用助焙剂法批批稳定生长磷酸钛气押(KTP)的技术山我国首先开发成功C羟过近半个世纪的迸展,我国人工晶体在国际上己占有一席之地12.1.2.2 从电子材料到光电子材料人工晶体是一类理要的功能材料,它能实现光、电、声、磁、热、力等不同能盘形式的交互作用和转换,在现代科学技术中应用广泛,电子材料基于19201940年月的固体根底科学争论及早期的固体材科和器件争论,如自然压电水晶,硒整流潺等.1948年:半导体效应的觉察及随后半导体晶体管的制造使电子工业发生了革命,从晶体管到集成1.1.路的飞速进展.从根本上转变了电子工业的血貌,半导体材料成了电子材料的上体.其中最重要的是作为条成电路衬底材料的让电品.硅弟品工业是目前FT产业的支柱,以硅为材料的器件产值约占半导体器件总产值的95%,在可预见的将来,珪材料仍将主宰计尊机和消费类电子产业,且随着IC集成度的提高.芯片面积增大,要求晶片直径也越来越大.快设设计舞机的应用朋动了IC半导体硅单品的进展,那么移动的兴起带动了射频(RF)半导体的进展.RF半导体主要指用于制作高频电了器件(模拟数字转换器、振荡器、低噪声放火器、放射器、承受器等)的化合物半导体,如GaAs.InP及其多元固溶体AIGaAs,CiaInP等.还有适于作多种功率满件的宽禁带高温半导体SiC等.水品是经久不衰的电子材料。自1880年觉察其压电效应以来,作为抱负的压电材料,始终是电子工业的支柱,人工合成水品始1905年,:战前后由于通信技术制作谐振器和浓波器的尚耍,人工合成水晶得以快速进履.1970年月,防着石英电子表的问世,人工水晶掀起其次次高潮,1980年月无绳和传呼机兴起,人工水晶又消灭第三次高湖1990年月移动的迅猛进对声外表波逑波粹(SAW)的常求剧增,人工水晶争论再概高潮.各种电了产品的涌现,对人工水晶检Ht持续增长,也不断提岛了对其质置和尺寸的要求.手机的E速进展也给其它EK电晶体带来进展机遇“如市场对高嫉SAw器件的需求,使得大尺寸笆酸锂电品供不应求,1可时也剌激了布里用于SAW涔件的型压电晶体材料的争论和开发,涌现了如1.aJGaso1.aJGakA1.SiOa等的系列晶体,虽然单晶仍是今H电子材样的主用,20世纪卜半叶以来,主要作为电子材料的人工晶体,开头逐步向光电子材料和光子材料进展.RfirfIT技术的进展,光子继电子之后也成为信国的主要载体.靠电了T光了共同完成信息的猎取、传输、储存、显示、处理的材料称为光电子材料,它是Iifi光电子技术的兴起而进展起来的,化合物半导体单品是角很要的光电子材料,发光二极管和激光二极管(1.ED.1.D)是其最重要的应用,化合物半导体由于其能带结构上的特点,可以通过变动如分来代祭带隙,即所iff一带隙工程1.ED和1.D具有体枳小,耗电少,瘩命长及牢旅性高等特点,广泛用于全色显示、高密度信息存储、交通信号灯和刹车灯、家电、仪器、仪表指示等,市场容信巨大。首批商用1.ED始尸1962年,经过30多年进展,材料体系逐步改进,发光效率逐步提高,将别是红光1.ED的发光效率差不多每十年提高一个数价级.进入:十世纪90年月,蓝光材料才取得突破性进展,ZnSt1GaAs首先发出蓝光,GaN后来居上,基于InGaN体系的蓝和绿1.ED也开头实现产业化.不断提高发光效率和功率,降低本钱.研制可用手照明的白色1.ED是当今的热点.和1.ED一样,1.D的波长也由化合物半导体的带隙打算并可运用击隙工程,通过转变因溶体的组成和品格常数进展设计和调整.目前ID的波长已施盖了从紫外到近红外的波段.1.D问世以来,除波长不断犷展外,构造也在不断进展,二十世纪70年月的1.D是双异质结激光器,80年月主流是量子讲激光器.%)年月上要则是垂直腔而放射激光涔、St子点激光器和址子级联激光器.在光通信中,波长为155微米的InGaAsMnP激光器是光通信的光源:波长为980纳米的InGaA、,GaAS激光器被用洪泉油掺饵光纤放大器:1.D使光盘存铺技术仃用化,第;代光盘存储技术的形成也以1.D波长的缩短(从0.8到0.66微米和0.5微米)为标志;用1.D来泵浦激光晶体(史冏体激光器发生革命性变化,诞生J'猿造、稳定、高效、长寿命、半维性好的全网化激光器,使固体激光器技术向前推动了一大步。用先进外延技术在触晶衬底上生长和制备各种具有器件构造的多层单品薄膜是化合物半导体光电了材料的特点.可见电晶薄膜也是光电了材料的根底.光子材料是指利用光了和光相互作用来实现信息的产生、传输、存储、显示、探测处理的材料。与电子材料相比,光子作为信息投体响应速度快,信息容盘大.但光通信技术的实现首先有赖于觉察、研制和生产牢靠性和经济性都好的光子材料光纤,其次是解决光通信中两个关键技术,搀饵光纤放火器(EDFA)和密集波分复用技术(DWDM).使光通信网络在全球快速犷展,EDFA和DWDM的结合是光纤通信近期进展的重要方向,该系统需要大地光网络元器件,而这些光学元件的制作都离不开光电子材料和光子材料,其中大局部是人工晶体.非战性光学晶体也是由要的光子材料,利用激光与晶体的非战性相互作用,扩展激光的有限光谱他围.是非线性光学招体最重要和成熟的应川.在光纤通信系统中用得最多、作为光调制器和光波导的非线性光学材料是银酸地1.iNboJ晶体,由丁光网络渐渐向全光方向发展,光袋成技术日趋成熟.与徒单晶大fit用于然成电路的芯片相像.将来的展成光路也需要大量囱桢H晶片作为光子器件衬底(光芯片)。休川人工晶体在将来的光子材料中仍将起若贼要作用。1.2.3 人工晶体进展展望21世纪飞速进展的科学技术,特别是生物技术、信息技术、纳米科技和环境科学,在社会经济进展中起着越来越重要的作用.形势下探讨人工轴体的进展动向,有利于把握其方向和机遇,1.2.3.1 单晶生长向更大、更完整、更难驾驭的方向进展在世氾.体块华协的生长仍是晶体生长的根底,但对尺寸和防政要求越来越高.硅单品即是一个突出例子。随苦IC集成度的提高,管芯面积增大,要求单品圆片宜物黜来越大.硅单晶尺寸已进展到12英寸(1英寸=2.54厘米),并逐步向18英寸过渡,与此同时对硅单品的完整性提出了更高要求,这是由F硅材料中缺陷的平均密度和【C成品率是一个例指数关系.激光惯性球缩核聚变儒要300亳米大口径品体倍频器件,也推动我国四梢流淌法生长KDP大品体技术的诞生"1.iNboI是应用格外广泛的多功能晶体,光通信用波导需要高光学筋盘的近化学计限比(1.i,0:NbQ,=1:1)单品体,这种大单晶需要实行特别的生长技术,如自动加料双层珀烟提拉法条生长二SiC单晶是宽禁带高温半导体材料,也是第三代半导体的关批材料.因受Si和C体系相平衡的限制,SiC单晶主要承受物理气相传输法生长,掺杂和微规缺陷的掌握是生长SiC单篇的技术关扬.目前只Q极少数国家能生产23英寸的SiC单晶.并且视同战略物资产格掌握。科技进屣对单晶的尺寸、完整性提出越来越高的要求.晶体生长有尺寸效应,大尺寸和高质疑往往相互制约,一般来说,大晶体跳陷要比小晶体多,因此而故址的大单晶生长是晶体生长的一项高难度的技术,1.2.3.2 薄膜晶体的制备向材料和器件一体化方向进展体块用晶生长周期长,加工困:碓,很多晶体如金刚石,H-VI化合物,川族氯化物等均难以获得均匀完整的大氽品.因此促进了薄腰乱体的进展.各种功能薄膜如雨后春石般涌现,如磁性薄膜、超导薄膜、铁电薄膜、液晶、薄膜晶体管和金刚石薄膜等,薄膜晶体是人工晶体的重要进展方向.在同防或异鲂衬底上单品外延则是生长薄胶晶体的主要手段,很多理要品体因无法获得体块单品,往往需要在异域单晶衬底上生长薄腹晶体,因此两者品格班配情况对外延层的质St影响很大.例如,外延GaN薄校时,常用的蓝宝石衬底因品格失配而造成外延层的位指密度高达10»ffi*2。如改用SiC则失配大为削减,外延层用*明显提高.最近金刚石纳米单晶股可以在Si片台阶上成核生长得到舱证为今后在Si村底上获得外延金刚石单晶膜指明白方向.在衬底单晶上外延生长各种器件构造的外殛层,使材料器件一体化,是用先进外延技术生长厚腹晶体的大优点.在异质外延生长技术中,外延层和染晶衬底的以正确协作是关犍.1.2.3.3 人工周期微构造与光子晶体半导体超品格的周期为纳米量级,可与穆波罗总波长相比较,因此产生一系列的量子效应.半导体超品格也可称为纳米超晶格.与此相像.在介电材用中,羽要的物理过程是般典波,如光波和超声波的传播与激发过程:在具有调制构造介电晶体中,与微米M娘的调制周期相应的例矢圻将参与羟典波过程.并产生重要的光学和声学效应,因而将这类人工微构造材料称为微米超晶格或介电超晶格”】.微米超晶格可在乐电、铁电品体生长过程中利用生长条坡制备.即聚片多的储体.也可利用电圾化技术制制周期或准周期极化)。此外,还可利用光折变晶体的光折变效应制备,微米超晶格可使非线性光学晶体实现准相位四限(QPM),这就意味着可利用晶体中无法实现相位匹配的岫大的非我性光学系数,如银酸锂晶体中的d,通过QPM使倍频效应大大增.同样也可以产生具有高转换效率的拒台的其它光参加过程,这类微米超晶格也称为光学超晶格,无论是半导体的纳米超晶格,还是介电晶体(内微米超品格都是在晶体的晶格上形成的人工周期或准周期做构造.半导体中存在能带和带隙,我流子运动可控,光子也是信息的主要我体,是否可有一种能像掌握电子的半导体一样,常握光子的介质品体呢?光在介电材料中传输.在凹凸介电材料的交界处反射,光纤即利用这种全反射原理传输光,在这种模式下,界面相对于光波来说必需光滑,这就限制了这类光学元件不能做得太小,而I1.光路的弯角不能太大。1987年亚布洛诺维挺(E.Yab1.Cnoitch)首先提出了光了晶体概念山,引入了另种完全不同的控光机到。光子晶体是一种介电常数周期性变化排列的材料,也就是具有折射率调制构造的材料.在光子晶体中,介电常数不同的材料代昔了半导体中的原子,也会形成种周期性一外场如介电常数的若异足峡火的话,在电介质的界面上也会产生布拉格放射(此时构造周期与光子波长相当卜同样会有类似半导体的能量的禁帝消灭.称为光子带取(PBG).在完整的三雒光子晶体中,光不能向任一方向传播,假设消灭点缺陷(微腔),光就可以从线陷处射出:假设消灭城故陷.光就会沿线映陷行进即可做到光波方向的掌握(微波导),由于有光子禁带,光波拐驾时几乎没有能"损失,利用光子品体这一特性,可在更小尺度(做米,亚微米)上来掌握光传播.无损失传递信号,所以光子体也可称为光半导体.由丁材料制备滞后,光子晶体的试落后于光子晶体的理论争论,目前光子品体的制备是进展光子晶体的关键。光子品体实际上也是一类亚微米网:级的人工周期激构造,它由两种介电总数反差大的材料交性排列,并具有肯定对称性.秀丽的欧泊宝石可近IU看成自然的光了晶体.而有用的光子晶体则是名符其实的人工品体,多数光子晶体均用无机材料制作,报近科学家用高分子材料通过双光了聚合也研制出了光子晶体.光子晶体的制务既可承受微电子技术的自上而下的光刻法,也可承受由下而上的自组装法.由于制备技术的进展,光了晶体及器件已在些领域取得成功,如光子晶体二极检、光开关、光子晶体谐振腔和光子晶体光纤等。估t光子晶体将逐步应用于大多数传统的光子涔件领域.并使其尺寸大为墙小.明显光子晶体的消灭和逐步走向成熟.将引起光电子学和光子学领域的一场革命,1.2.3.4 微米晶和纳米晶微米晶和纳米品过去常称为超微细粉体,都是多品,也是人工晶体普遍存在的形式.由于小尺寸效应而具有很多独特性能纳米科技的兴旭进一步引起人们对微米品和纳米品的关注,成为个热点.微/纳米晶作为分散相可与其他材料组成各种复合材料,也可形成聚合体(聚晶),可进展多种组装,其独特性能和应用备受关注。对微米品来说,除尺寸小之外,其物理性质和体块单晶并无二致.近年来,一种环保和安康的材料电气石(Iouma1.ine)受到有电气行成分他单,品种繁多,由于电气分微品的小尺寸优劣和热库电功能的奇异结合.使之应用广泛已开发出众多系列产品.以近,透亮YAG微晶网烧争论取得了长足进展,利用纳米A1.f)y和丫9*承受真空烧结技术制成的激光陶瓷,晶粒平均尺寸为10微米,完整性好,品界只有J纳米,大大降低了光散时引起的损耗,NdiYAG激光陶宛的光谱特性和Nd:YAG激光品体几乎完全一样,由于NdrYAG微晶陶费制作工艺相对简洁,而且易于获得大尺寸离掺强量激光工作物用,将对占据激光品体首席达40年之久的Nd:YAG激光晶体提出强有力的挑战.对于超微细多晶粉体来说.微米储和纳米晶很难区分.纳米材料被定义为族林至少在一堆尺度上小F100纳米,旦各种性能退异于体块单晶的材料,如程性纳米晶的超顺磁性,令屈纳米晶的光学行为,半导体纳米品的出子效应等.对纳米品的争论也集中在了解这些性质的起因和如何利用纳米品的特性,把纳米晶组装成更检单的构造,做成有应J目m景的器件。过祓金MFc.Co.Ni及其合金.每一粮纳米品拉都是单畴破体,利用其超顺松性可作为记向输送药物我体母球的核心。这些纳米晶还UJ自组装成二维、三雄:的有序阵列,显示了集合的纳米颗粒之间的相互作用,有助于探究的梃纪录介质(小用分了束外延(MBE)技术在衬底上生长半导体纳米岛并做成的衣于点激光器已获成功.见近H1.Io纳米CdSe纳米品密排成的多层股形成纳米品量子点(NQDS)也成功实现了激射,这说明半导体纳米晶量了点也可独立产生激光,NQDS还可与光纤技术相赤,NQDS的成功为自下而上也装各种光学器件,包括光学放大器和激光器打下了根底,纳米晶的晶格是完整的,由于尺寸限制,其重发周期又有眼,所以它的性质不同于晶格斶期近于无限的体块晶体,有关纳米晶的形成和生长特点,以及纳米品各种物理特性的成因,有待进一步深入争论.1.2.3.5 智能晶体晶体生长是生长嘱元(原子、分子、离子基团等)在化学势承动3由其他聚拢态向品相转变的过程,它包括输运过程和界面过程,界面过程是生长基元在晶体外表进入品格位置的过程.而这-过程在物理学、化学、材料科学和生物学中具有普通性.晶体界面上的分子识别具有类似于生物学中解与底物、抗体和抗原的夕一性,它来源于生长基元和晶体生长界面“活性中心”的互补性,这也是为什么自然界很多晶莹透亮的自然矿物晶体在成分简总的地表中,羟过长时间生长仍施出污施而不染”的缥由。任人工品体生长中也常利用分子识别进展改性,如降fK对称性,掌握成核,利用溶剂影响等,所以分了识别是多学科穿插技术,通过分子识别争论.有利丁非生物界优生命)和生物界沟通,也有利于推动材料领域中生物活性材料和智能材料的进展.智能材料一般是指时环境可感知并能作响应的材料,这稗材料具有传感和执行功能,要求材料具有生物所蜴予的高级功能.如预知与预报力盘、自修亚力量、生疏与鉴别力fit刺澈响应与环境应变力状等,所以智能材料是取高级的功能材料,各种功能晶体是功能材料的武要祖成局部.人工描体的功能已大大扩展与器件和其他材料的结合越来越严密,并逐步向智催化方向进展.结合生物工程和做电子技术的生物芯片,可以快速进屣基因识别并诊断出特别基因.智能晶体正在逐步向我们走来.纳米科技的进展将会加速这一进程。纳米技术是一种从原子苕手由小到大合成和组建纳米材料.并利用纳米材料来实现将育功能和智能作用的高技术它的实现将使人类进入智能化的类生物体系生产时代画,就像一个土豆知道如何从四周混土、水和空气中把原子加以安排来制造自身一样.因此将来运用纳米技术自下而上组装智能晶体.甚至是有生命的晶体应当也不是“天方夜印”。人工品体的合成(生长)既是一门工艺,乂足一门科学。由于晶体需要在不同状态和条件下生成.加上应用对人工晶体的顺址要求格外苛刻,因而造成了人工合成晶体方法和技术的妥样性以及生长条件和设符的简睢性,假设说生长设饴是晶体生长的“硬件那么晶体生长工艺就是它的“软件”,作为-门科学,人工晶体包括材料制备、晶体生长机理、晶体材料的探究和品体表征等诸方面,表达了材料科学'分散态物珅和固体化学等多学科穿插的特点。§1.3 晶体生长理论争论现状与进展人工晶体是一类羽要的材料.人工晶体争论包括晶体构造、晶体生长、晶体性能及其表征、晶体材料应用等方面晶体生长争论是人工品体争论的根底。本世纪以来,品体生长争论有很大的进步.它已从一种纯工艺性争论逐步进展形成晶体制备技术争论和晶体生长理论争论两个主要方向e两者相互渗透、相互促进.晶体制备技术争论为晶体生长理论争论供给了丰富的争论对您:而晶体生长理论争论又力图从本质上提醒晶体生长的根本规律.进而指导品体制备技术争论。近几十年来,随着根底学科(如物理学,化学)和制备技术的不断进步,品体生长理论争论无论是争论手段、争论对象,还是争论层次都得到了很快的进展,已经成为一门独立的分支学科。它从豉初的晶体构造和生长形态争论、经典的热力学分析进展到在原子分子层次上争论生长界面和附加区域冰体构造,质,热输运和界面反响同遐,形成了很多理论或理论模型.固然,由于1.体生长技术和方法的多样性和牛.长过程的简单性,目前晶体生长珅论争论与品体生长实践仍石相当的乐感.人们对晶体生长过程的理解有待于进一步的深化,可以预言,将来晶体生长理论争论必将有更大的进展。晶体生长理论争论的目的只能是通过对晶体生长过程的深入理解,实现对晶体制备技术争论的招和预占.谢氏于晶体制符技术争论的晶体生长理论争论不行能具有很强的生命力.晶体生长理论争论对叙是总体生长这一简单的客观过程,争论内容相当庞杂|:到.可以把晶体生长理论争论的根本科学可题归纳为如卜两个方面;工体构造、晶体快陷、体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系品体生长理论争论本质上就是完整理解不同1.体其内部构造、缺陷、生长条件和晶体形态四者之间的关系.搞清整这四者之间的关系,就可以在制备试验中推测具有特定晶体构造的晶体在不同生长条件下的生长形态,通过转变牛.长条件来掌押品体内部缺陷的生成,改善和棍我品体的质及和性能.(2)体生长界面动力学同愚上述四者之间的关系争论只是对晶体生长过程的一种定性的描述,为了对此过程作更为准确的(换至定录或半定衣)的描述,必需在原子分了层次上对生长界面的构造、界面附近熔体(溶液)构造、界面的热、质输运和界面反峋进展争论,这就是晶体生长界面动力学争论的主要内容。1.3.1 晶体生长的根本过程从宏观角度看:晶体生长过程是晶体一环境相(蒸气、溶液、埒体)界面对环境相中不断推移的过程,也就是白包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序品相的转变H从微观角度来看,晶体生长过程可以疔作个“基元”过程,所谓“基元”是指结晶过程中最根本的构造取元,从广义上说,“基元''可以是原子、分子也可以是具有肯定几向构型的原子(分子)聚拢体.所谓的“基元'过程包括以下上要步骤:(I)基元的形成;在肯定的生长条件卜,,环境相中物质相互作用,动态地形成不同构造形式的基元,这些基元不停地运动并相互转化.陵时产生或消逝.(2)刘元在生长界面的吸附:由于时流,热力学无WiiS运动或原子间吸引力,艇元运动到界而上并被吸附.(3)菸元在界面的运动;菸元由于热力学的驱动,在界面上迂移运动。(4)菸元在界面上结晶或脱阳:在界面上依附的博元,经过肯定的运动,可能在界面某一适当的位置结晶并长入网相.或者脱时而重回到环境相中.晶体内郃构造、环境和状态及生长条件都将直接影峋晶体生长的“基元”过程环境相及生长条件的影响集中表达于基元的形成过程之中:而不同构造的生长西元在不同品面族上的吸附.运动、结晶或脱附过程主要与晶体内郃构造相关联.不同构造的曷体N仃不网的生长形态.对于同一品体,不同的生长条件可能产生不同构造的生长基元,破终形成不同形态的晶体“同种品体可能有多种构造的物相,即同质异相体.这也是由于生长条件不同,“基元”过程不同而导我的结果,品体内法缺陷的形成乂与基元”过程受到干扰有关.因此,建立“基元”过程这-概念,就可在介观或者微观层面上描述晶体内部何造、株陷'生长条件和生长形态四者之间的关系(见图1.4),UI以认为,个品体生长理论假设很好地说明“柒元”过程,就能合理解样品体内部构造、缺陷、生长条件及生长形态四若之间的关系.也就是一个渐渐向真.理迫近的理论.1.4元.过程与体构造、生长条件、生长秘、体H及Mt多相体之M的关系1.3.2 晶体生长理论争论进展历史及其局限性自从1669年丹麦学者斯箔诺(NSieno)开头晶体生长理论的启蒙工作以来四,晶体生长理论争论获得很大的进t形成J'包括晶体成核理沦、输运理论、界面稳定性理论、界面构造理论和界面动力学理论的体系.这些理论在某些晶体生长实践中得到了应用,起了肯定的指导作用.本文主要对晶体平衡形态理论.界面生长理沦、PBC理论作简要的介绍,对各自的同限性进展争论。1.3.2.1 晶体平衡形态理论品体具力特定的生长习性即晶体生长外形表现为肯定几何外形的凸多曲体,为解择这些现象,晶体生长理论争论者从晶体内部构造和热力学分析动身,先后提出了BraVaiS法则、GibbSWu1.ff晶体生长定律、Frank运动学理论.(1) BraVaiS法则甲在i866年,A.Braais首先从品体的而网密