功能材料
电子、激光、能源、信息、航天 等高新技术的基石
附加值高
晶体材料占主要地位
人工晶体
晶体生长属于材料科学并为其发展前沿 一些高新技术的发展，无一不和晶体材料密切相关。
2020/11/21

学、计算机、通信、勘测、探测、传感等设备仪器 研制生产的物质基础及核心原材料
✓取截距系数的倒数比1/p：1/q：1/r = h：k：l（为最
小整数比）；
✓去掉比号、以小括号括起来，写为(h k l)。
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举例：
如图晶面HKL，在X、Y、Z轴上的截距分别为2a、3b、6c ，截 距系数为2、3、6 ，其倒数比1/2：1/3：1/6 ，化整得3：2： 1 ，去掉比号并以小括号括起来，(321)即为所求米勒指数
这类晶体广泛应用于激光频率转换、四波 混频、光束转向、图象放大、光信息处理、 光存储、光纤通讯、水下通讯、激光对抗 及核聚变等研究领域。
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大尺寸KDP晶体
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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。
体构造进行研究。 ● 严格的晶体定义：晶体是内部质点在三维空间
呈周期性重复排列的固体
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非晶 单晶
非晶：原子（分子）无规律，或短程有规律， 长程无规律
大块金属玻璃特性：高性能结构材料， 耐磨、耐腐蚀。功能材料，磁学、电学
单晶：一个晶核，没有晶界
特性：具有优越的性能、均 匀 性、各向 异性、固定熔点、规则外形、对 称 性
常用的声光晶体有：TeO2、PbMoO4等。
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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。
利用法拉第效应可以做成激光 快速开关、调制器、循环器及 隔离器；利用磁光效应还可制 成高存储密度的计算机存储器、 磁光偏转器等。
晶体生长基础
Fundamentals of Crystal Growth
张辉
2020/11/21
硅材料国家重点实验室
Tel: *** Email: *** FTP：10.18.2.168
个人简介
材料科学与工程学院，教授 研究方向：纳米晶生长及新能源、微量探测应用
Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7656
• 《晶体生长的物理基础》，闵乃本著， 科学技术出版社 （1982）
• 《人工晶体——生长技术、性能与应用》，张玉龙 唐磊 主编， 化学工业出版社 （2005）
• 《Crystal Growth Technology》，John Wiley，Hans J.Scheel and Tsuguo Fukuda, 2003.
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人工晶体的分类
1、激光晶体： 绝大多少固体激光器的工作物质都是晶体材料 2、非线性光学晶体； 3、电光晶体； 4、声光晶体 5、磁光晶体； 6、 热释电晶体：红外报警、夜视仪 7、压电晶体； 8、闪烁晶体； 9、半导体晶体 10、薄膜晶体； 11、X射线分光晶体 12、光学晶体
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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
一类是在基质晶体中掺入激活离子。激 活离子作为“发光中心”，它决定激光 发射的波长，基质晶体则是激活离子的 “载体”并为其提供合适的晶格场。 常用的激活离子：过渡金属Cr3+、三价 稀土离子Nd3+等 红宝石Al2O3:Cr3＋、钛宝石Al2O3:Ti3＋、 YVO4:Nd3+等 另一类是化学计量激光晶体。这种晶 体的激活离子就是晶体本身的组分之一。 适用于制作高效率、低阈值、小功率的 微型激光器。如：NdP5O4、LiNdP4O12、 NdAl(BO3)4等
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References for Crystal Growth
1. Nature 2. Science 3. ACS 4. Wiley 5. RSC 6. AIP 7. Elsevier
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Ch1 晶体生长简介 Introduction to Crystal growth
常用的热释电晶体有：碲镉汞 (CdHgTe)、钽酸锂 (LiTaO3) 等。
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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。
压电晶体主要用于制作滤波器、谐振器、光偏转器、声 表面波换能器、各种测压元件等。 声纳、雷达
常用的压电晶体有：SiO2、NH4H2PO4、KH2PO4、 铌酸锂、钽酸锂等。
声光晶体：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。
用声光晶体制成的声光偏 转器可用于激光束扫描系 统，如高速激光印刷系统、 激光雷达、光计算机等； 声光调制器可用于光通讯、 光信息处理；声光Q开关用 于声光调Q激光器、声光锁 模器件等。
➢晶体、晶体生长 ➢人工晶体晶体生长科学 ➢晶体生长理论发展历史 ➢晶体生长技术发展历史 ➢晶体生长现状及发展动力
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*** 晶体、晶体生长
天然晶体
非洲之星
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Hope Blue
猛犸梯田
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牵牛花池 三棱镜温泉
人工晶体
Si
ZnO
GaN
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SiC
天然晶体和人 工晶体的区别？
天然晶体和人工晶体的区别
✓有意识的特定用途晶体的研发和生长
✓特定的生长方法
✓生长周期
✓晶体大小
✓晶体形状
✓价值
什么是晶体？
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晶体
对晶体的认识始于外部形态的观察。 ● 晶体的传统定义：外形具有规则几何多面体形状的固体。 ● 传统定义没有揭示晶体的本质特点。 ● 对晶体本质的揭示始于1912年应用X射线对晶
2020/11/21 Homepage：***
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主要内容
• 晶体生长简介 • 晶体生长方法介绍 • 晶体生长热力学基础 • 成核理论 • 输运理论 • 界面稳定性 • 界面运动学与动力学 • 纳米材料的生长（新）
• …………..
• 《晶体生长基础》，姚连增著， 中国科学技术大学出版社 （1995）
距OX0、OY0、OZ0；
✓作OX0/a：OY0/b：OZ0/c = u：v：w（最小整数比）； ✓去掉比号，加中括号，[u v w]即为晶向符号
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现代文明和生活的三大支柱
新工业革命的支柱、基础
信息
能源
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材料
晶体、人工晶体
新材料技术与晶体
新材料的发展是新技术发展的重要标志
大尺寸钨酸铅晶体 高能物理探测器
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磷酸钛氧钾
(KTP ）
钛酸钡单晶系列
压电和铁电领域内的一种优 秀的无铅环保型单晶材料
硼酸铯锂（CLBO） 非线性光学器件、紫外
倍频晶体
非线性光学晶 体、红外倍频 器
人工晶体的地位和作用
• 电子材料
绝大部分是人工晶体 硅单晶——集成电路的基础，电子工业的“粮食” GaAlN、AlGaAsP——RF材料 水晶——压电、光学材料（水热法合成人工水晶3000t/年）
当今微电子、光电子工业的核心材料
常用的半导体晶体有：除锗单晶、硅单晶外，第二代 半导体材料III－V族化合物，如GaAs、GaP等单晶、三 元或多元化合物的半导体晶体材料。
2020/11/21
1947, Bardeen et al.
光在晶体中的传播特性主要与光 的折射率有关，外场的变化将影 响与折射率有关的量。这些晶体 的利用促进了光通讯、光开关、 大屏幕显示、光存储、光雷达、 光计算机等新技术的发展。
目前使用得较多的电光晶体有： KD2PO4、KTaO3、BaTiO3、 LiTaO3、LiNbO3等。
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铌酸锂晶体
• 光电子材料
化合物半导体——光电子材料主体 （GaN LED）
• 光子材料
YVO4、KTP、BBO、LBO、LNO
• 紫外、深紫外非线性光学晶体
LBO、Nd：YAG、CLBO
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晶体在生活中作用分布
电子材料 绝大部分是人工晶体
20000t single crystals were produced in year 1999 and their approximated distribution in the different fields of applications
常用的磁光晶体有：EuX (X=O，S，Se，Te等)、偏 铁酸钇 (YFeO3)、钇铁石榴 石 (Y3Fe5O12)、钆镓石榴石 (Gd3Ga5O15)等。
2020/11/21
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。 利用晶体的热释电效应，可以制成红外热释电探测 器、红外热释电摄像管等。广泛应用于大气温度测 量、红外探测、红外报警仪、夜视仪、入侵报警、 红外预警卫星等各个领域。