晶体材料制备原理与技术

1、 晶体材料制备原理与技术晶体材料制备原理与技术n晶体的概念、性能、应用与制备合成技术晶体的概念、性能、应用与制备合成技术n平衡、相律、相图及其应用平衡、相律、相图及其应用n边界层概念与溶质分凝理论边界层概念与溶质分凝理论n界面稳定性与组分过冷理论界面稳定性与组分过冷理论n结晶相变与经典成核理论结晶相变与经典成核理论n界面的微观结构与晶体的生长形态界面的微观结构与晶体的生长形态 从从“规则外形规则外形”到到“空间点阵空间点阵” 晶体的宏观物理特性晶体的宏观物理特性 晶体材料的分类、性能与应用晶体材料的分类、性能与应用 晶体材料研究的发展趋势晶体材料研究的发展趋势 强调几个概念强调几个概念 主要知

2、识点主要知识点: : 高新技术是指对人类社会的生产、高新技术是指对人类社会的生产、生活方式和思维方式产生巨大影响的重生活方式和思维方式产生巨大影响的重大技术。我国的高新技术是指大技术。我国的高新技术是指计计划划中选择的对中国未来经济和社会发展中选择的对中国未来经济和社会发展有重大影响的生物技术、航天技术、信有重大影响的生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、能源息技术、激光技术、自动化技术、能源技术、新材料和海洋新技术等技术、新材料和海洋新技术等 8 8 个高个高技术领域内的新技术。目前，计技术领域内的新技术。目前，计划共有划共有8 8个个领域、领域、个主题个主题。 高高 新新 技

3、技 术术 一部人类史就是一部对材料的认一部人类史就是一部对材料的认识、研究和使用的发展史。识、研究和使用的发展史。绚丽的天然矿物晶体绚丽的天然矿物晶体 16691669年年 斯丹诺（丹麦）斯丹诺（丹麦） 晶面角守恒定律晶面角守恒定律 巴尔托林巴尔托林 解理性解理性 17841784年年 阿羽衣（法国）阿羽衣（法国） 晶胞学说晶胞学说 18551855年年 布喇菲（法国）布喇菲（法国） 空间点阵学说空间点阵学说 18671867年年 加多林（俄国）加多林（俄国） 3232种对称群种对称群 18901890年年 费多罗夫（俄国）费多罗夫（俄国） 230230种空间群种空间群 18951895年年

4、伦琴（德国）伦琴（德国） X X 射线射线 19121912年年 劳厄（德国）劳厄（德国） 劳厄方程劳厄方程 19131913年年 布拉格父子（法国）布拉格父子（法国） 布拉格方程布拉格方程 1 1 从从 “规则外形规则外形” 到到 “空间点阵空间点阵”7-1-2晶体的内部结构人类测试的第一个晶人类测试的第一个晶体结构：体结构：NaClNaCl结构结构ClCl- -NaNa+ +Bragg W H, Bragg W H, (1862-1942(1862-1942 )Bragg W L, Bragg W L, (1890-1971)(1890-1971) 人类终于完成了从人类终于完成了从“规则外

5、规则外形形” ” 到到 “ “空间点阵空间点阵”的认识飞的认识飞跃。跃。 晶体：晶体： 结构基元（原子、分子、离子及各种基元团结构基元（原子、分子、离子及各种基元团等）在三维空间周期性规则排列构成的固体材料。等）在三维空间周期性规则排列构成的固体材料。结构基元：结构基元： 阵点代表的化学内容，周期性规则排列的基阵点代表的化学内容，周期性规则排列的基本单位。必须满足：化学组成相同、空间结构相本单位。必须满足：化学组成相同、空间结构相同、排列取向相同和周围环境相同。同、排列取向相同和周围环境相同。 晶体结构晶体结构 = “= “空间点阵空间点阵” ” + “+ “结构基结构基元元”。 宏观物理特性

6、宏观物理特性 ( ( F F 表示化学组成和各种性质等物理量度）表示化学组成和各种性质等物理量度） n 均一性均一性 宏观观察中，晶体在其任一部分上都宏观观察中，晶体在其任一部分上都表表现出现出具具有相同的各种特性。也称为结晶均有相同的各种特性。也称为结晶均一性，与非晶体的统计均一性有本质的区一性，与非晶体的统计均一性有本质的区别。别。 F XF XX 由于晶体是具有格子构造的固体，因此，由于晶体是具有格子构造的固体，因此，也就具备着晶体所共有的、由格子构造所决也就具备着晶体所共有的、由格子构造所决定的基本性质。定的基本性质。 l 自范性自范性 晶体在适当条件下可自发地晶体在适当条件下可自发地

7、（而非（而非人为加工）人为加工）形成封闭的凸形成封闭的凸几何多面体外形的特性，且几何几何多面体外形的特性，且几何多面体外形满足欧拉定律：多面体外形满足欧拉定律： 2WVE（ ：晶面数，：晶面数， ：顶点数，：顶点数， ：晶棱数）：晶棱数）WVEl异向性异向性 晶体的几何量度和物理性质因观察方向的不同而晶体的几何量度和物理性质因观察方向的不同而表现出差异的特性。表现出差异的特性。（不是任何晶体、任何方向上（不是任何晶体、任何方向上都具有各向异性）都具有各向异性）l 对称性对称性 晶体的相同部分（外形上的和内部结构上的）晶体的相同部分（外形上的和内部结构上的）或性质，能够在不同方向或位置上有规律地

8、重复出或性质，能够在不同方向或位置上有规律地重复出现的特性。对称性是晶体极其重要的性质，也是晶现的特性。对称性是晶体极其重要的性质，也是晶体分类的基础。体分类的基础。12F nF n12nF nF nF nl 最小内能性最小内能性 在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非在相同热力学条件下，晶体与同种物质的非晶体、液体或气体相比，其内能（包括质点的动晶体、液体或气体相比，其内能（包括质点的动能与位能）最小，故而结构也最稳定。能与位能）最小，故而结构也最稳定。 l 稳定性稳定性 在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化在相同的热力学条件下，晶体比具有相同化学成分的非晶体稳定。晶体的稳定性是最小内能学

9、成分的非晶体稳定。晶体的稳定性是最小内能性的必然结果。性的必然结果。7-1-3单晶体和多晶体 由一个晶核各向均匀生长而成由一个晶核各向均匀生长而成, ,晶体内部的粒子基本上保持其特晶体内部的粒子基本上保持其特有的排列规律。有的排列规律。如：单晶硅、红宝石、金刚石如：单晶硅、红宝石、金刚石晶体晶体多多晶晶体体 由很多单晶微粒杂乱无规则的聚由很多单晶微粒杂乱无规则的聚结而成的。各向异性的特征消失，结而成的。各向异性的特征消失，使整体一般不表现各向异性。使整体一般不表现各向异性。如：多数金属和合金等。如：多数金属和合金等。单晶体单晶体 论语论语魏灵公魏灵公里有里有 “工欲善工欲善其事，必先利其器其事

10、，必先利其器”的说法，它告诉的说法，它告诉我们一个道理，如果要想取得更高的我们一个道理，如果要想取得更高的功效，更好的性能，必须选择合适的功效，更好的性能，必须选择合适的工具、器件或材料。工具、器件或材料。 2 2 晶体材料的性能与应用晶体材料的性能与应用晶体材料晶体材料 -光电子时代的物质基础光电子时代的物质基础 “ “晶体生长工作者送给物理学家的最好礼物晶体生长工作者送给物理学家的最好礼物” 英特尔英特尔(Intel)(Intel)名誉董事长戈登名誉董事长戈登摩尔经过摩尔经过长期观察发现并提出了著名的长期观察发现并提出了著名的“摩尔定律摩尔定律”，指，指的是集成电路上可容纳的晶体管数目约每

11、隔的是集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔1818个个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。时至今日，月便会增加一倍，性能也将提升一倍。时至今日，该该“定律定律”所指出的趋势一直不同寻常地准确。所指出的趋势一直不同寻常地准确。这些数字背后所隐含的，是制造工艺的进步，而这些数字背后所隐含的，是制造工艺的进步，而要达到这么高的精度，没有更高性能的新晶体是要达到这么高的精度，没有更高性能的新晶体是不能想象的。不能想象的。光光 功功 能能 晶晶 体体-与光现象相关联的无机晶体与光现象相关联的无机晶体光学晶体光学晶体 电光晶体电光晶体声光晶体声光晶体 磁光晶体磁光晶体激光晶体激光晶体 非线性晶体非线性晶体光折

12、变晶体光折变晶体 闪烁晶体闪烁晶体 在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性用材料本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性效应等）发生变化的原理，实现对入射光信号的获取、效应等）发生变化的原理，实现对入射光信号的获取、调制、传输、显示、能量或频率转换、受激发射等目的调制、传输、显示、能量或频率转换、受激发射等目的的无机晶体之总称。的无机晶体之总称。 KDP KDP晶体晶体 （电光）（电光）氟化钡晶体氟化钡晶体 （闪烁（闪烁 ） KTP KTP晶体晶体 （非线性）（非线性）氟化镁晶体（光学）氟化镁晶

13、体（光学）铌酸锶钡晶体铌酸锶钡晶体（光折变）（光折变）掺钕三硼酸钙氧钇掺钕三硼酸钙氧钇 （激光）（激光） 部部 分分 光光 功功 能能 晶晶 体体钒酸钇晶体钒酸钇晶体( (双折射双折射) )激光：激光：高亮度、高相干性、高亮度、高相干性、 高方向性、高单色性高方向性、高单色性 可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为激可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为激光输出。激光晶体由发光中心和基质晶体两部分光输出。激光晶体由发光中心和基质晶体两部分组成。大部分发光中心由激活离子构成；若激活组成。大部分发光中心由激活离子构成；若激活离子成为基质晶体组分的一部分时，则构成自激离子成为基质晶体组分的一部分时，

14、则构成自激活激光晶体。活激光晶体。 稀土激光晶体是指以稀土元素为激活离子、敏稀土激光晶体是指以稀土元素为激活离子、敏化离子或基质成分的激光晶体化离子或基质成分的激光晶体 激光晶体是激光技术发展的关键激光晶体是激光技术发展的关键激激 光光 晶晶 体体全反射膜全反射膜部分透射部分透射 反射膜反射膜 工作物质工作物质激励光源激励光源激光束激光束固体激光器结构示意图固体激光器结构示意图 红宝石晶体中的粒子数反转红宝石晶体中的粒子数反转同方向同方向同频率同频率同位相同位相同偏振同偏振 红宝石晶体红宝石晶体晶体晶体3512:Y AlONd36:CrLiSrAlF晶体晶体-多年来，可调谐激光晶体材料领域中最

15、重要多年来，可调谐激光晶体材料领域中最重要的突破性进展的突破性进展特性：特性： 输出波长：输出波长：760760920 nm920 nm 分凝系数：分凝系数： 斜率效率：斜率效率：3636 上能级寿命：上能级寿命：6767 发射截面发射截面 ：4.924.92 很小的折射率温度系数；几乎很小的折射率温度系数；几乎为零的透镜效应；为零的透镜效应；5s01 0k20210cm 当激光通过介质时，物质内部极化率的非线性当激光通过介质时，物质内部极化率的非线性响应会对光波产生反作用，可能产生入射光波在和响应会对光波产生反作用，可能产生入射光波在和频、差频处的谐波从而产生的新光学现象。这种与频、差频处的

16、谐波从而产生的新光学现象。这种与强光有关、不同于线性光学现象的效应称作非线性强光有关、不同于线性光学现象的效应称作非线性效应，具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学效应，具有非线性光学效应的晶体称为非线性光学晶体。晶体。 非线性光学包括：非线性光学包括：n激光频率转换（倍频、和频、差频激光频率转换（倍频、和频、差频或光学参量放大或光学参量放大等等）n光学信号处理（电光、声光和光折变等）光学信号处理（电光、声光和光折变等）非线性光学晶体非线性光学晶体 123PEE EE E E电极化强度矢量，电极化强度矢量， 电场强度，电场强度， 极化张量极化张量PE 123:反射、折射反射、折射倍频、和（差）

17、频、线性电光效应、倍频、和（差）频、线性电光效应、光参量放大光参量放大三倍频、二次电光效应、双光子吸收三倍频、二次电光效应、双光子吸收条件：条件：l结构上必须是无对称中心的晶体；结构上必须是无对称中心的晶体；l考虑角度调整相位匹配的影响等；考虑角度调整相位匹配的影响等； 在无对称中心的在无对称中心的2121种点群中，只有除种点群中，只有除432432、422422、622622、2323和和 以外的以外的1616种点群种点群具有非零的二阶非线性光学系数。具有非零的二阶非线性光学系数。 要求：要求： 非线性光学系数要大；对转换的频率能实现相位匹配；非线性光学系数要大；对转换的频率能实现相位匹配；

18、宽的透光波段和高的透明度；抗损伤的能力强；易获得大尺宽的透光波段和高的透明度；抗损伤的能力强；易获得大尺寸和高质量的晶体；物化性能稳定、不易潮解、便于加工。寸和高质量的晶体；物化性能稳定、不易潮解、便于加工。43m 常用的激光频率转换（变频）晶体常用的激光频率转换（变频）晶体n红外波段：红外波段： (800nm)n可见至红外波段：可见至红外波段：（400800nm) 磷酸盐：磷酸盐： 碘酸盐：碘酸盐： 铌酸盐：铌酸盐：n紫外波段：紫外波段：(400nm) 2233,AgGaSAgGaSeTl AsSe24424,4 ,KH PONH H POKTiOPO3LiIO3325153,LiNbOKN

19、bOBa NaNbOLiTaO2435,BaB OLiB OL精氨酸盐精氨酸盐()LAP232KBe BO FKBBF2,ZnGeP激光腔内倍频示意图激光腔内倍频示意图倍频倍频晶体晶体激光器激光器电光电光晶体晶体反射镜反射镜1 1反射镜反射镜2 2反射镜反射镜3 3格兰格兰棱镜棱镜3:NdYAG0.532 m 目前非线性晶体中综合性能最好的晶体之目前非线性晶体中综合性能最好的晶体之一一, ,同时还具有优良的电光性能。是中小功率同时还具有优良的电光性能。是中小功率固体绿光激光器的最好倍频材料。固体绿光激光器的最好倍频材料。磷酸氧钛钾磷酸氧钛钾 (KTP)(KTP) 迄今为止的激光损伤阈值最高的非

20、线性迄今为止的激光损伤阈值最高的非线性光学晶体材料，光学晶体材料，广泛应用于高功率密度全固广泛应用于高功率密度全固态倍频、三倍频、和频、光参量器件。态倍频、三倍频、和频、光参量器件。三硼酸锂三硼酸锂 (LBO)(LBO)232KBe BO FKBBF中国发明中国发明。是目前唯一可是目前唯一可以直接倍频产生以直接倍频产生200nm200nm以下以下相干光的新型深紫外非线性相干光的新型深紫外非线性光学晶体。光学晶体。生长难点：生长难点： 如何使晶体长厚如何使晶体长厚 如何提高晶体完整性如何提高晶体完整性“中国实验室成为这种具有重大科学价值的晶体的唯一中国实验室成为这种具有重大科学价值的晶体的唯一来

21、源，它表明中国在材料科学领域实力日益增强。来源，它表明中国在材料科学领域实力日益增强。” “其他国家在晶体生长方面的研究，目前看来还无法缩其他国家在晶体生长方面的研究，目前看来还无法缩小与中国的差距。小与中国的差距。” Nature KBBFKBBF棱镜耦合器件棱镜耦合器件 n目前，利用非线性光学晶体变频仍是目前，利用非线性光学晶体变频仍是获得紫外激光的唯一途径；获得紫外激光的唯一途径；n直到现在，直到现在，BBOBBO、LBO LBO 晶体晶体仍为紫外仍为紫外波段最优良的非线性光学晶体；波段最优良的非线性光学晶体；n从当前对非线性光学晶体的研究来看，从当前对非线性光学晶体的研究来看，仍然多集

22、中在硼酸盐体系。仍然多集中在硼酸盐体系。 光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上波光波上, ,完成这一过程的器件称为调制器。完成这一过程的器件称为调制器。 调制器能使载波光波的参数随外加信号变化调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化，这些参数包括光波的而变化，这些参数包括光波的振幅振幅、位相位相、频频率率、偏振偏振、波长波长等。承载信息的调制光波在光等。承载信息的调制光波在光纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测纤中传输，再由光探测器系统解调，然后检测出所需要的信息。出所需要的信息。光学信号处理光学信号处理电光晶体电光晶体 在外加电场的作用

23、下，由于晶体内部发生电极化在外加电场的作用下，由于晶体内部发生电极化作用而使折射率发生变化。作用而使折射率发生变化。电光系数大、居里温度高；电光系数大、居里温度高；折射率大、介电损耗小；折射率大、介电损耗小；电阻率大、半波电压低；电阻率大、半波电压低；光损伤阈值高、温度稳定性和化学稳定性好；光损伤阈值高、温度稳定性和化学稳定性好；易于制备质量和尺寸符合使用要求的晶体。易于制备质量和尺寸符合使用要求的晶体。性能要求：性能要求：电光调制晶体电光调制晶体LN(LN(铌酸锂铌酸锂) )晶体晶体 常用的电光晶体：常用的电光晶体： KDPKDP、DKDPDKDP、ADPADP、LNLN、LTLT、BNNB

24、NN、SBNSBN声光晶体声光晶体吸声材料吸声材料1 1级衍射光级衍射光0 0级衍射光级衍射光换能器换能器振荡器振荡器入射激光入射激光超声波行波超声波行波声光调制器：声光调制器： 利用声光效应，使光利用声光效应，使光通过声光晶体后，其方通过声光晶体后，其方向、强度和频率等按某向、强度和频率等按某种规律进行调制。种规律进行调制。声光调制晶体声光调制晶体钼酸铅（钼酸铅（PbMoO PbMoO ）晶体）晶体4 4闪烁晶体闪烁晶体 在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能转变在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能转变为光能而发出荧光的晶体。射线愈强，发出的荧光为光能而发出荧光的晶体。射线愈强，发出的荧光

25、愈强，通常应用的闪烁晶体材料都是用人工方法培愈强，通常应用的闪烁晶体材料都是用人工方法培育出来的，种类也很多。育出来的，种类也很多。 材材 料料NaI(TI)NaI(TI)CsI(TI)CsI(TI) CeF CeF3 3BGOBGOCdWOCdWO4 4PbWOPbWO4 4GSO:CeGSO:Ce发射波长发射波长衰减常数衰减常数发光效率发光效率 辐射长度辐射长度4104102302301001003.673.67560 560 1250125045454.514.51340,30340,300 030, 930, 96.6,2.6.6,2.0 06.166.164804800.300.30

26、12121.121.125405405 540404304300.010.010.310.310.90.944044056/60056/60021211.381.38nmnscm几种主要闪烁体的性能几种主要闪烁体的性能 锗锗 酸酸 铋铋 晶晶 体体 分辨率最高分辨率最高 光衰量最低光衰量最低 均匀性最好均匀性最好掺铈硅酸钆掺铈硅酸钆(GSO:Ce)(GSO:Ce)晶体晶体氟化铅晶体氟化铅晶体半半 导导 体体 晶晶 体体-微电子工业的基石微电子工业的基石 分为元素半导体晶体和化合物半导体晶体。元素分为元素半导体晶体和化合物半导体晶体。元素半导体晶体主要有硅、锗、硒等晶体，以硅、锗应用半导体晶体主

27、要有硅、锗、硒等晶体，以硅、锗应用最广。二元系化合物半导体有最广。二元系化合物半导体有-族（如砷化镓、族（如砷化镓、磷化镓、锑化铟等晶体）、磷化镓、锑化铟等晶体）、-族（如硫化镉、硒族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等晶体）、化镉、碲化锌、硫化锌等晶体）、 -族（如硫化族（如硫化铅、硒化铅等晶体）铅、硒化铅等晶体） 、-族（如碳化硅）化合物。族（如碳化硅）化合物。从应用的广泛性和重要性来看从应用的广泛性和重要性来看, , 半导体晶体在所有晶半导体晶体在所有晶体中占有头等重要的地位。体中占有头等重要的地位。五大特性五大特性 电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻电阻率特性，导电特性，光电特性

28、，负的电阻率温度特性，整流特性。率温度特性，整流特性。半半 导导 体体 材材 料料ZnOZnO单晶单晶( (水热法水热法) )碳化硅晶体碳化硅晶体( (升华法升华法) )砷化镓单晶（提拉法）砷化镓单晶（提拉法）金刚石膜金刚石膜 (CVD(CVD法法) )禁带宽度禁带宽度 饱和电子速度饱和电子速度载流子迁移率载流子迁移率击穿场强击穿场强 热导率热导率热膨胀系数热膨胀系数 介电常数介电常数特性特性(ev)Si710 cms2cmv s M VcmWcm K610CGaAs金刚石金刚石5.451.111.432.71.02.02200160013504808500400100.50.65.711.9

29、12.5nV1.12.65.9201.50.46常见半导体材料性质比较常见半导体材料性质比较金刚石：更高功率、更高频率、更高温度金刚石：更高功率、更高频率、更高温度硅单晶：纯度最高、完整性最好、直径最大、用途最广、消耗量最大硅单晶：纯度最高、完整性最好、直径最大、用途最广、消耗量最大和研究最为深入和研究最为深入 1. 1. 单晶硅产品直径向单晶硅产品直径向300 mm 300 mm 过渡，大直径化趋势明显过渡，大直径化趋势明显; ; 2. 2. 单晶硅产品质量高均匀性和完整性、低微缺陷和微应力；单晶硅产品质量高均匀性和完整性、低微缺陷和微应力； 3. 3. 硅材料工业发展日趋国际化、集团化，生

30、产高度集中硅材料工业发展日趋国际化、集团化，生产高度集中; ; 4. 4. 硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向; ; 5. 5. 硅片制造技术进一步提升硅片制造技术进一步提升; ;世界单晶硅材料将呈现以下发展趋势：世界单晶硅材料将呈现以下发展趋势：一次能源的探明剩余储量比较一次能源的探明剩余储量比较200020502100215022002250太阳能太阳能石油石油天然气天然气煤煤铀铀约约4545年年约约1515年年约约6161年年约约3030年年约约230230年年约约8181年年约约7171年年约约5050年年无穷大无穷大年年世界世界中国中国 在新材料

31、领域内，能源材料常是指在新材料领域内，能源材料常是指在开发、利用新能源和提高传统能源利在开发、利用新能源和提高传统能源利用率的技术中起关键作用的材料，包括用率的技术中起关键作用的材料，包括各种能量转换材料、储能材料以及能量各种能量转换材料、储能材料以及能量输运材料等。输运材料等。 能能 源源 材材 料料常规能源的局限性、有限性和不可再生性常规能源的局限性、有限性和不可再生性最具发展前景的朝阳工业之一最具发展前景的朝阳工业之一 低碳经济是指在可持续发展理念指导下，低碳经济是指在可持续发展理念指导下，以低能耗、低污染、低排放为基础，达到经济社以低能耗、低污染、低排放为基础，达到经济社会发展与生态环

32、境保护双赢的一种经济发展形态。会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。低碳不是概念，而是一种生活习惯。低碳不是概念，而是一种生活习惯。光伏技术具有技术先进性、资源无限光伏技术具有技术先进性、资源无限性和绿色环保性等特征。性和绿色环保性等特征。光伏电池组件的成本光伏电池组件的成本/ /价格（价格（1990199020102010年）年） 1990 1990 1995 1995 2000 2000 2010 2010预计效率预计效率 （）单晶硅单晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00 22多晶硅多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501

33、.20/2.00 20聚光电池聚光电池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25 30非晶硅非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67 14薄膜硅薄膜硅 -2.00/3.331.20/2.000.75/1.25 15CdTe -1.50/2.501.20/2.000.75/1.25 15年份年份成本成本/ /价格价格（美元）（美元）光伏电池光伏电池 加州科学院建筑的设计在诸多细节上体现了加州科学院建筑的设计在诸多细节上体现了有效使用能源、减少有效使用能源、减少碳排放和维护自然环境碳排放和维护自然环境的环保理念。围绕屋顶的是一个带

34、有的环保理念。围绕屋顶的是一个带有6000060000多多个光伏电池的装饰性玻璃檐篷，每年能产生约个光伏电池的装饰性玻璃檐篷，每年能产生约213000213000千瓦小时的能千瓦小时的能量，满足整个博物馆电力需求的量，满足整个博物馆电力需求的10 10 ，对太阳能的利用每年减少，对太阳能的利用每年减少182.25182.25吨的温室气体排放。被称为世界上最绿色的博物馆。吨的温室气体排放。被称为世界上最绿色的博物馆。* * 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。现阶段以光直接把光能转化成电能的装置。现阶段以光电效应工作的薄膜式太阳

35、能电池为主流。电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流。* * 目前阶段，它的成本还很高，大规模使用仍目前阶段，它的成本还很高，大规模使用仍然受到经济上的限制。然受到经济上的限制。* * 太阳能电池按结晶状态可分为结晶薄膜式和太阳能电池按结晶状态可分为结晶薄膜式和非结晶薄膜式两大类，而前者又分为单结晶非结晶薄膜式两大类，而前者又分为单结晶型和多结晶型型和多结晶型。* * 由于单晶硅成本价格较高，大幅度降低由于单晶硅成本价格较高，大幅度降低其成本很困难。大力发展多晶硅薄膜和非其成本很困难。大力发展多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。品。* * 铜铟

36、硒薄膜电池（简称铜铟硒薄膜电池（简称CISCIS）适合光电转）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，使这类电池的发展可能要受到限制。来源，使这类电池的发展可能要受到限制。 压压 电电 晶晶 体体 某些电介质在沿一定方向上受到外力某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同

37、时在它的两个相对表面上出现正象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为恢复到不带电的状态，这种现象称为正正压电效应压电效应。相反，当在电介质的极化方。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应。 （1 1）正压电效应）正压电效应 （2 2）逆压电效应）逆压电效应非铁电性压电晶体有：非铁电性压电晶体有： SiOSiO2 2 ZnO LiI

38、OZnO LiIO3 3 LaLa3 3GaGa5 5SiOSiO14 14 LiLi2 2B B4 4O O7 7 等等-力生电、电生力的晶体力生电、电生力的晶体硅酸镓镧晶体硅酸镓镧晶体 近化学计量比铌酸锂晶体近化学计量比铌酸锂晶体 石英晶体石英晶体 酒石酸钾钠晶体酒石酸钾钠晶体二氧化硅家族成员及其特点二氧化硅家族成员及其特点水水 晶晶 簇簇紫紫 水水 晶晶黄水晶黄水晶玛玛 瑙瑙 会会 “变变 彩彩” 的的 蛋蛋 白白 石石 直径（直径（nmnm） 138 138 241 300 138 138 241 300 333333 颜色颜色 无变彩无变彩 紫色紫色 一级红至一级红至 红色红色 无变

39、彩无变彩 效效 应应效效 应应一级紫一级紫小球直径与变彩效应小球直径与变彩效应2SiO热热 释释 电电 晶晶 体体辐射温度测量辐射温度测量红外光谱测量红外光谱测量安全警戒安全警戒红外摄像红外摄像非接触式温度测量非接触式温度测量工业过程自动监控工业过程自动监控激光参数测量激光参数测量-热生电的晶体热生电的晶体热释电红外传感器热释电红外传感器 -黑夜里的千里眼黑夜里的千里眼 以非接触形式检测出人体辐射以非接触形式检测出人体辐射的红外线的红外线, ,并将其转变为电压信号并将其转变为电压信号; ; 能鉴别出运动的生物与其它非能鉴别出运动的生物与其它非生物生物 钽酸锂（钽酸锂（LiTaOLiTaO ）晶

40、体）晶体3 3 现在有现在有实用价值实用价值的热释电晶体几乎都是铁电晶体。的热释电晶体几乎都是铁电晶体。如：硫酸甘氨酸如：硫酸甘氨酸(TGS)(TGS)、铌酸锶钡、铌酸锶钡(SBN)(SBN)、硫酸锂等。、硫酸锂等。铌酸锂（铌酸锂（LiNbOLiNbO ）晶体）晶体3 3电介质晶体：电介质晶体： 在外电场作用下，晶体内部在外电场作用下，晶体内部质点沿电场方向呈现相对位移质点沿电场方向呈现相对位移而产生诱导电偶极矩，称之为而产生诱导电偶极矩，称之为介电极化。故电介质晶体的特介电极化。故电介质晶体的特征是以感应极化而不是以电子征是以感应极化而不是以电子或离子传导的方式来传递电的或离子传导的方式来传

41、递电的作用和影响。作用和影响。铁电晶体铁电晶体热电晶体热电晶体压电晶体压电晶体电介质晶体电介质晶体电介质晶体的分类电介质晶体的分类超超 硬硬 晶晶 体体-已知的最硬晶体已知的最硬晶体金刚石：目前已知的最硬工业材料，不仅具有硬度高、金刚石：目前已知的最硬工业材料，不仅具有硬度高、耐磨、热稳定性能好等特性，而且以优秀的抗压强度、耐磨、热稳定性能好等特性，而且以优秀的抗压强度、散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力、透光、低散热速率、传声速率、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能，成为工业应用领域不可替代的新材热胀率等物理性能，成为工业应用领域不可替代的新材料、现代工业和科学技术的瑰宝。料、

42、现代工业和科学技术的瑰宝。 立方氮化硼：硬度仅次于金刚石，不但立方氮化硼：硬度仅次于金刚石，不但具有金刚石的许多优良特性，而且有更具有金刚石的许多优良特性，而且有更高的热稳定性和化学惰性，以及良好的高的热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外性和较宽的禁带宽度等优异性能。透红外性和较宽的禁带宽度等优异性能。目前，在自然界还没有找到这种物质的目前，在自然界还没有找到这种物质的存在，是人工合成的一种超硬材料。存在，是人工合成的一种超硬材料。 钢钻钉碗唤门前，钢钻钉碗唤门前， 小巧铜襻密搭连。小巧铜襻密搭连。 修补完成无漏泄，修补完成无漏泄， 藉资糊口巷中穿。藉资糊口巷中穿。“破碗重圆破碗重圆”的补碗匠

43、的补碗匠 中华第一钻中华第一钻名称：常林钻石名称：常林钻石发现地：山东省发现地：山东省临沂临沂 市市临临沭县沭县常林村常林村发现时间发现时间:1977:1977年年1212月月2121日日重量：重量：158.768158.768克拉克拉特点：特点： 颜色呈淡黄色，颜色呈淡黄色，质地纯洁，透明如水，晶质地纯洁，透明如水，晶莹剔透。晶体形态为八面莹剔透。晶体形态为八面体和菱形十二面体的聚形体和菱形十二面体的聚形非洲之星非洲之星号号（530.2530.2克拉）克拉） 非洲之星非洲之星号号（317.4317.4克拉）克拉）英王王冠英王王冠英王权杖英王权杖 充满传奇色彩的充满传奇色彩的“希望希望”钻石钻

44、石 其其 他他 晶晶 体体-宝石、玉文化宝石、玉文化 宝石通常是透明的，光线进入切割后的宝石内部，经过一宝石通常是透明的，光线进入切割后的宝石内部，经过一系列的反射折射，可以看到宝石的闪光，如红宝石、蓝宝石、系列的反射折射，可以看到宝石的闪光，如红宝石、蓝宝石、祖母绿等。玉分硬玉（以翡翠为代表）和软玉（以和田玉为代祖母绿等。玉分硬玉（以翡翠为代表）和软玉（以和田玉为代表）。表）。 钻石之美在于它的坚硬、清澈、明亮，彩色宝石之美在于钻石之美在于它的坚硬、清澈、明亮，彩色宝石之美在于它的艳丽多姿，而玉石之美在于它的细腻、温润、含蓄和幽雅。它的艳丽多姿，而玉石之美在于它的细腻、温润、含蓄和幽雅。 许

45、慎许慎说文解字说文解字称：称：“玉，石之美者玉，石之美者”。有五德：仁、义、。有五德：仁、义、智、勇、洁。智、勇、洁。 玉是天然美石在本质上具有自然属性，将玉玉是天然美石在本质上具有自然属性，将玉“人格化人格化”，用玉的质地喻人喻事，则用玉的质地喻人喻事，则“玉是一种精神玉是一种精神”。玉代表德，德物玉代表德，德物化为玉，化为玉，物质财富和精神财富的总和使玉文化成为中国与东方物质财富和精神财富的总和使玉文化成为中国与东方文化重要内容文化重要内容。 中国印中国印. .舞动的北京舞动的北京金镶玉金镶玉- -奥运奖牌奥运奖牌 “完璧归赵完璧归赵”的题外话的题外话“和氏璧和氏璧”属软属软玉玉硬玉硬玉软

46、玉软玉代表代表化学组成化学组成硬度硬度比重比重光泽光泽翡翠翡翠和田玉和田玉油脂光泽至油脂光泽至 玻璃光泽玻璃光泽温润、凝重温润、凝重26NaAl Si O6.56.57 76 66.56.53.253.253.43.42.92.93.13.126CaMg Si O何种形状谓之何种形状谓之“璧璧”尔雅尔雅 . 释器释器 “肉肉”：边：边 ； “ “好好” ” ：孔孔 肉倍好，谓之璧；肉倍好，谓之璧； 好倍肉，谓之瑗；好倍肉，谓之瑗； 肉好若一，谓之环；肉好若一，谓之环； 二十世纪是科学技术大爆发的世纪，不仅涌现二十世纪是科学技术大爆发的世纪，不仅涌现出了很多新的学科、新的理论，而且，随着理论科出

47、了很多新的学科、新的理论，而且，随着理论科学的巨大的突破，各种实用工艺和技术也有了突飞学的巨大的突破，各种实用工艺和技术也有了突飞猛进的发展。人工晶体以及人工晶体生长技术就是猛进的发展。人工晶体以及人工晶体生长技术就是在这种背景下得到了迅速的飞跃，并且日益成为现在这种背景下得到了迅速的飞跃，并且日益成为现代科技进步、社会可持续发展的物质基础。代科技进步、社会可持续发展的物质基础。 各种各样的功能晶体改变了我们的生活、方便各种各样的功能晶体改变了我们的生活、方便了我们的生活，也解放了我们。随着新材料的不断了我们的生活，也解放了我们。随着新材料的不断发现和使用，这种趋势会伴随人类社会的发展不断发现

48、和使用，这种趋势会伴随人类社会的发展不断进行下去。进行下去。n不仅研究晶态而且还涉及非晶态；不仅研究晶态而且还涉及非晶态；n不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳米晶；米晶；n不仅研究通常的晶格而且还涉及超晶格；不仅研究通常的晶格而且还涉及超晶格；n不仅研究单一功能而且还涉及多功能；不仅研究单一功能而且还涉及多功能；n不仅研究体性质而且还涉及表面性质；不仅研究体性质而且还涉及表面性质；n不仅研究无机而且还涉及到有机；不仅研究无机而且还涉及到有机；3 3 晶体材料研究的发展趋势晶体材料研究的发展趋势人工晶体的人工晶体的“全方位全方位”发展发展 体体（体单晶）（体

49、单晶） 面面（薄膜单晶）（薄膜单晶） 线线（单晶纤维、晶须）（单晶纤维、晶须） 点点（纳米晶）（纳米晶）晶体材料功能：晶体材料功能：小型化、低维化、集成化与多功能化小型化、低维化、集成化与多功能化晶体材料制备：晶体材料制备：大规模、高质量、低成本大规模、高质量、低成本1. 1. 晶体生长晶体生长 4 4 几个概念的补充几个概念的补充 物质在一定温度、压力、浓度、介质、物质在一定温度、压力、浓度、介质、pHpH等条件等条件下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸、下由气相、液相、固相转化，形成特定线度尺寸、满足一定技术要求的晶体的过程称为晶体生长。满足一定技术要求的晶体的过程称为晶体生长。 其

50、原理基于物种晶相化学势与该物种在相关物相其原理基于物种晶相化学势与该物种在相关物相中化学势间准平衡关系的合理维持。如在溶液中的中化学势间准平衡关系的合理维持。如在溶液中的晶体生长要求在平衡溶解度附近溶质有一定合适的晶体生长要求在平衡溶解度附近溶质有一定合适的过饱和度。过饱和度。 晶体生长方法是多样的，如提拉法生长激光晶体、晶体生长方法是多样的，如提拉法生长激光晶体、水热法生长人工水晶等。水热法生长人工水晶等。2. 2. 非晶体非晶体 液体原子被液体原子被“速冻速冻” 具有近程有序，而远程无序结构特点的固体物具有近程有序，而远程无序结构特点的固体物质，属热力学上的亚稳态。如玻璃。质，属热力学上的

51、亚稳态。如玻璃。冷却过程中物质内能、体积随温度的变化冷却过程中物质内能、体积随温度的变化熔体熔体过冷熔体过冷熔体玻璃态玻璃态晶态晶态gTmT 为玻璃形成温度，大小为玻璃形成温度，大小与冷却速度有关，冷却速度与冷却速度有关，冷却速度越快，越快， 也就越高，故当也就越高，故当组成一定时，其形成温度组成一定时，其形成温度 应是一个随冷却速度而变化应是一个随冷却速度而变化的温度范围，即无固定熔点。的温度范围，即无固定熔点。gTgTgTABCDKMTV Q结晶结晶晶体和非晶体在性质上的差异晶体和非晶体在性质上的差异是两者内部结构不同而造成的。是两者内部结构不同而造成的。石英晶体石英晶体( (晶体晶体)

52、)石英玻璃（非晶体）石英玻璃（非晶体）3. 3. 准晶体准晶体 对晶体学的强烈冲击对晶体学的强烈冲击 在经典的晶体学理论已经相当完善的近在经典的晶体学理论已经相当完善的近100100年年后，准晶体的发现，给传统经典的晶体对称理论带后，准晶体的发现，给传统经典的晶体对称理论带来了猛烈冲击，为物质微观结构的研究增添了新的来了猛烈冲击，为物质微观结构的研究增添了新的内容，为新材料的发展开拓了新的领域，因此迅速内容，为新材料的发展开拓了新的领域，因此迅速发展起一门晶体学的分支学科发展起一门晶体学的分支学科-准晶体学。准晶体学。 准晶是准晶是准周期晶体准周期晶体的简称，即具有准周期平移格子构造的的简称，即具有准周期平移格子构造的固体。固体。 19841984年，肖特曼在年，肖特曼在Al - Mn Al - Mn 合金中发现了合金中发现了5 5次对称性的明次对称性的明锐衍射斑点并进行了理论证明后，定义这种具有锐衍射斑点并进行了理论证明后，定义这种具有5 5次对称（准次对称（准点阵）及其他取向有序而平移无序