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晶体材料的自述
环境与能源工程学院
16053311
郭健聪
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摘要
晶体材料是由结晶物质构成的固体材料。其所含的原子、离子、分子或粒子集团等具有周期性的规则排列。人工晶体是一类重要的功能材料，它能实现光、电、声、磁、热、力等不同能量形式的交互作用和转换，在现代科学技术中应用十分广泛。目前人工晶体在品种、质量、数量方面已远远超过了天然晶体。本文运用文献分析法，概述了晶体材料从天然晶体到人工晶体，从电子材料到光电子材料的发展历程，并着重探讨今后的发展动向。
一、人们认识晶体材料、使用晶体材料的过程
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（1）人们对晶体的认识过程
自然界的晶体（矿物）以其美丽、规则的外形，早就引起了人们的注意。人类利用有些天然矿物晶体具有瑰丽多彩的颜色等特性来制作饰物。天然宝石实际上就是符合工艺美术要求的稀少的矿物单晶体。在此基础上，人们对晶体的几何多面体外形进行系统研究，发现了一些规律，出现了不少关于晶体几何多面体外形的定律、定理，如欧拉定律、面角守恒定律、晶体对称定律、晶体学点群等。可见，当时对晶体的定义不但狭隘，而且局限在对晶体外在特征的认识上。这些有关晶体的知识可以概括为经典晶体学。
后来发现有些固态物质或者不是透明的、或者不具有规则几何多面体外形，也具有晶体的性质。这就使人们意识到当时对晶体的认识还有待于深化。1912年X-射线衍射现象的发现及其在晶体结构分析上的应用使人们对晶体或晶态物质的认识实现了从现象到本质的飞跃，成为经典晶体学与现代晶体学的分界线。
现代晶体学把晶体定义为：
结构基元在三维空间按长程有序排列而成的固态物质;
部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体;
具有格子构造的固体.
（2）人工晶体材料的出现
随着生产和科学技术的发展，人们对单晶的需求日益增加。例如加工工业需要大量的金刚石，精密仪表和钟表工业需要大量红宝石作轴承，光学工业需要大块冰洲石制造偏光镜，超声和压电技术需要大量的压电水晶等等。但天然单晶矿物无论在品种、数量和质量上都不能满足日益增长的需要。于是人们就想方设法用人工的办法合成单晶，这样就促进了人工晶体的迅速发展。1902年用人工的方法生长红宝石和蓝宝石，并在工业上作为材料使用，可以认为是人工晶体材料的先导。上世纪50年代最突出的进展是将熔体提拉法和区熔法用来制备和提纯硅和锗获得成功，为半导体单晶的研发和应用以及微电子学的发展开辟了广阔的前景。
（3）晶体生长的基本原理
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若在晶核形成的过程中无外来杂质或基底等因素影响时，则在体系空间各点出现新相的几率都相同，这种成核过程称为均匀成核。当晶相开始成核时，体系的能量变化主要取决于以下两个因素：第一是由过冷熔体或过饱和溶液中出现稳定的晶态固体而带来的能量降低，第二是固－液界面出现所带来的能量升高。
若在晶核形成的过程中有外来杂质或基底等因素影响时，则在体系空间各点出现晶态颗粒的几率不相同，这种成核过程称为非均匀成核。
临界晶核形成功：ΔGc′＝ ΔGc · (2+cosθ)(1-cosθ)2 /4= ΔGc · f (θ)
其中θ＝0～180°，f (θ)＝0～1即ΔGc′＝ 0～ΔGc
十九世纪末，Gibbs就提出了形成晶体平衡形态的热力学条件，即晶体生长的最小表面能原理：在恒压等容的条件下，如果晶体的总表面自由能最小，则其相应的形态为晶体的平衡形态，用下式表示：∑Aγ=Minimum
亦即比表面自由能越大的晶面生长越快，越容易消失，比表面自由能越小的晶面生长越慢，越容易保留下来。
事实上，同一块晶体晶面的生长速度与其比表面自由能间存在正比关系，即有
r1/γ1 = r2/γ2 = r3/γ3 = …=ri/γi = constant
此称为 Gibbs-Wolf 晶体生长定律
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二、晶体生长的一般方法
（1）熔体法晶体生长
浓度高于饱和浓度的现象称为过饱和，溶液过饱和的程度称为过饱和度，过饱和度是溶液法晶体生长的驱动力
熔体法晶体生长是将结晶物质的原料加热熔化形成熔体后，改变温度条件使体系局部过冷而生长的方法。这种方法的优点是，体系单纯，原理简单，生长也较快，所以只要能够用熔体法生长，一般不再选其他方法。
需要说明的是，有些物质由于自身性质的原因不能或难以用熔体法来生长，比如不到熔点温度便