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1、第一章第一章思考题 思考题 1 什么是单晶体 多晶体和非晶体 结构上有何区别 什么是单晶体 多晶体和非晶体 结构上有何区别 答 1 单晶体是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 特有的排列规律 如 单晶硅 红宝石 金刚石 2 多晶体是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 使整体一般不表现各向异性 如 多数金属和合金等 3 非晶体是指组成物质的分子 或原子 离子 不呈空间有规则周期性排列的 固体 没有一定规则的外形 物理性质为各向同性 没有固定的熔点 属热力学 上的亚稳态 如玻璃 松香 石蜡等 单晶体在整个晶体中均保持有序的周期性 多晶体则只是在一个单晶微粒
2、中 保持有序的周期性 但整体上杂乱无章 非晶体是近程有序 在极小范围内规则 排列 而远程无序 2 分析晶体的宏观物理性质与其结构的关系 分析晶体的宏观物理性质与其结构的关系 答 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 构造所决定的基本性质 均一性 宏观观察中 晶体在其任一部分上都表现出具有相同的各种特性 也 称为结晶均一性 与非晶体的统计均一性有本质的区别 自范性 晶体在适当条件下可自发地 而非人为加工 形成封闭的凸几何多面 体外形的特性 且几何多面体外形满足欧拉定律 W V E 2 异向性 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 对称性 晶体的
3、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重复出现的特性 最小内能性 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 包括质点的动能与位能 最小 故而结构也最稳定 稳定性 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性的必然结果 3 根据晶体的功能并结合其主要应用领域 人工晶体如何分类 根据晶体的功能并结合其主要应用领域 人工晶体如何分类 答 光功能晶体 半导体晶体 压电晶体 热释电晶体 超硬晶体等 4 什么是光功能晶体 举出其中一到两个在高新技术中有广泛应用 什么是光功能晶体 举出其中一到两个在高新技
4、术中有广泛应用 的晶体 的晶体 答 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 受激发射等目的的无机晶体之总称 如氟化钡 KTP KDP 晶体等 5 晶体与非晶体融化过程的不同 晶体与非晶体融化过程的不同 答 晶体有固定的熔点 在熔化过程中 温度始终保持不变 而非晶体是近程有 序 远程无序 属热力学上的亚稳态 没有固定的熔点 6 人工晶体的研究趋势 人工晶体的研究趋势 答 不仅研究晶态而且还涉及非晶态 不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳 米晶 不仅研究通常的晶
5、格而且还涉及超晶格 不仅研究单一功能而且还涉及多 功能 不仅研究体性质而且还涉及表面性质 不仅研究无机而且还涉及到有机 晶体材料功能小型化 低维化 集成化与多功能化 晶体材料制备大规模 高质 量 低成本 7 名词解释 晶面角守恒定律 结晶习性 晶体生长 名词解释 晶面角守恒定律 结晶习性 晶体生长 晶面角守恒定律 同一物质的不同晶体在同一温度和压强下晶面的数目 大小 形状可能有很大的差别 但对应的晶面之间夹角是恒定的 结晶习性 在一定的外界条件下 某种晶体总是趋向于形成某一种特定形态的 现象 称结晶习性 化学成分 晶体结构 pH 值 过饱和度 粘度 共存的杂 质以及空间条件等均对结晶习性有显著
6、影响 可将结晶习性分为 一维延伸型 二维延展型和三维等长型 晶体生长 物质在一定温度 压力 浓度 介质 pH 等条件下由气相 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 第二章第二章思考题 思考题 1 什么是晶体生长的技术要求和生长方法选择的基本原则 什么是晶体生长的技术要求和生长方法选择的基本原则 晶体晶体生长的技术要求 生长的技术要求 合理的驱动力场分布 驱动力场的稳定 可控 各生长 技术参数的良好匹配 精确配料和必要 合理的热处理 力求避免各种形式的污 染 生长生长方法选择的基本原则 方法选择的基本原则 满足相图的基本要求 有利于快速生长出具有较高 实用价
7、值 符合一定技术要求的晶体 有利于提高晶体的完整性 严格控制晶体 中的杂质和缺陷 有利于提高晶体的利用率 降低成本 生长大尺寸的晶体始终 是晶体生长工作者追求的重要目标 有利于晶体的后加工和器件化 有利于晶体 生长的重复性和产业化 2 熟悉晶体生长常用工艺方法和其局限性 熟悉晶体生长常用工艺方法和其局限性 1 熔体法熔体法 P37 1 1 提拉法提拉法 优点 便于精密控制生长条件 可以较快的速度获得优质大单晶 可以使用 定向籽晶 选择不同取向的籽晶可以得到不同取向的单晶 可以方便地采用 回 熔 和 缩颈 工艺 这项工艺对于降低晶体中的位错密度 提高晶体完整性都 很有用 可以在晶体生长过程中直接
8、观察晶体 缺点 一般要用坩埚做容器 导致熔体有不同程度的污染污染 当熔体中有易挥 发的物质时 则存在组分控制的困难组分控制的困难 不适合生长冷却时存在固态相变的材料 1 2 下降法下降法 优点 可以把原料密封在坩埚中 可以减少挥发所带来的影响 带来的好处 是除了晶体成分易控制之外 对于某些有害气体也不至于泄露 操作简单 可以 生长大尺寸的晶体 可以生长的晶体品种也很多 且易于实现程序化生长 由于 每一个坩埚都可以单独成核 因此可以在一个结晶炉中放入多个坩埚 缺点 不适宜生长在冷却时出现体积增大的晶体 负膨胀系数 由于晶体 在生长过程中直接和坩埚接触 因此容易在晶体中引入较大的内应力和杂质 晶
9、体生长过程中难于直接观察 生长周期也比较长 若在下降法中采用籽晶生长 如何保证在高温区既不溶解掉 又必须使它有部分溶解以进行完全生长 是比较 困难的 1 3 焰熔法焰熔法 优点 生长中不需要坩埚 可以有效节约坩埚材料 且可以避免坩埚带来的 污染 氢氧焰燃烧时 温度可以达到 2800 所以原则上讲高熔点的单晶只要不 会发 不怕氧化 都可以用这种方法生长 生长速度快 且可以生长尺寸比较大 的晶体 设备简单 缺点 火焰中的温度梯度大 造成结晶层纵向温度和横向温度梯度大 生长 出来的晶体质量欠佳 因为发热源是燃烧的气体 故其温度不可能控制得很稳定 生长出来的晶体位错密度高 内应力也比较大 对于易挥发和
10、易氧化的材料 不 适合用该方法 生长时估计有 30 的原材料损失掉 1 4 导模法导模法 导模法可以直接从熔体中拉制出丝 管 杆 片 板等异型晶体 而且尺寸 可以控制 其缺点是生长条件控制比较严格 模具会给晶体带来一定的污染等 1 5 冷坩埚法冷坩埚法 有些无机非金属材料熔点很好 能承受该高温的坩埚很少 而且不希望因坩 埚而引入污染 冷坩埚法就解决了这一问题 1 6 熔盐法熔盐法 助熔剂 助熔剂法 法 优点 适应性强 几乎对所有的材料 都能找到合适的助熔剂 从中将晶体 生长出来 特别适合于新材料的探索 生长温度低于材料的熔点温度 有利于获 得高质量的晶体 设备简单 缺点 晶体生长速度慢 生长周
11、期长 晶体生长过程中不易观察生长现象 许多助熔剂都含有毒性 所生长的晶体尺寸较小 由于采用的助熔剂往往是多种 组分的 在这样复杂组分体系中生长 各组分之间的相互干扰和污染难以避免 1 7 浮浮区法区法 该方法缺点是只能通过固体棒的旋转来进行搅拌 熔体混合不良 掺杂表面 的径向变化比提拉法晶体中的径向变化大 生长的晶体热应力比较大 对设备要 求也比较高 2 溶液法 溶液法 P24 溶液法溶液法特点 特点 在远低于熔点温度下生长 避开了可能发生的分解和晶型转变 热源 生长容器 控制系统容易选择 降低了黏度 使高温冷却时不易形成晶体 的物质形成晶体 温场分布均匀 宜于生长小应力 大尺寸和均匀性好的晶
12、体 晶体的自范性得以充分体现 多数情况下 生长过程易观察 设备也较简单 生 长速度慢 周期长 对设备的稳定性要求高 组分多 影响的因素也较多 2 1 降温法降温法 降温法适合于溶解度和溶解度系数都比较大的物质 不利于生长大单晶 2 2 恒温蒸发恒温蒸发法法 适合于生长溶解度大而溶解度温度系数又很小的物质 不利于生长大单晶 2 3 循环循环流动流动法法 设备复杂 管道易堵塞 2 4 温差温差水热法水热法 优点 温差水热法的有点是可以生长由于存在相变或者会形成玻璃体 在熔 点时不稳定的结晶相 以及在接近熔点时 蒸汽压高的材料 如 ZnO 或者要分 解的材料 如 VO2 适合于生长比熔体法生长的晶体
13、有较高的完整性的优质大 晶体 或者在理想配比较困难时 要更好地控制成分的材料 缺点 需要特殊的高压釜和防护措施 需要优质籽晶 整个生长过程不能观 察 3 气相法气相法 P59 气相法的特点 生长条件和薄膜成分精确可控 具有很好的重复性 薄膜的 完整性好 纯度高 但生长速度慢 生长过程种可以随时监控薄膜的取向 表面 结构和形态 适合生长超晶格的量子阱结构材料 与其他制备工艺有较好的相容 性 适应性广 可以制备多种晶态和非晶态薄膜 有一系列难以控制的因素 如 温度梯度 过饱和比 携带气流的速度等 3 讲述提拉法生长技术的主要特点及其操作基本过程 讲述提拉法生长技术的主要特点及其操作基本过程 4 提
14、拉法的几个改进分别解决了什么问题 提拉法的几个改进分别解决了什么问题 5 PVD 和和 CVD 的基本原理的基本原理 第三章第三章思考题 思考题 1 名词 临界点 同成分点 共晶点 包晶点 固溶度曲线 相区 名词 临界点 同成分点 共晶点 包晶点 固溶度曲线 相区 接触法则接触法则 答 1 同成分 同成分点 点 具有最高 最低熔点的二元连续固溶体相图 如上图中的 C 和 M 点 在该点上除了两相的浓度相同外 两相的其余性质 都不相同 该点代表两相共存状态 2 临界点 临界点 具有液相分层的二元系统相图 如上图中的 K 点所示 这样的点上不仅两相浓度相同 而且两相所有其他 性质也都相同 也就是说
15、此时两相合为一相 3 共晶点 共晶点 E 低共熔点 E 的理解 冷却时当温度到达 TE时 体系中的液相 LE会按 E 点 对应的 A B 比例同时析出 A 晶相和 B 晶相 E LA B 加热时当温度到达 TE 体系中的 A 晶相和 B 晶相会按 E 点对应的 A B 比例 共同熔融 成为 LE 的液相 4 包晶点包晶点 P 当温度降到转熔温度 TP 根据水平 PD 相线可知此时到达三相平衡状态 即 存在 LP A B C S A D B S三相 这时将发生转熔过程 A A B DC PB LSS 刚才已经析 出的 SB A 再次熔融 即液相回吸 A D B S晶相 析出 A B C S晶相
16、反应初期 在固液界 面处由 A D B S和 LP直接反应生成 A B C S 于是 A D B S很快就被反应产物 A B C S所包裹 因 此称为 包晶反应 5 固溶度曲线固溶度曲线 固溶度曲线是指固溶体中溶质的最大含量随着温度的变化曲线 也就是溶质 在溶剂中的极限溶解度随温度的变化曲线 6 相区接触法则相区接触法则 在二元系相图中 除点接触外相邻相区的相数差永远是 1 即 在两个 单相区 之间必定有一个由这两个相组成的 两相区 隔开 而不能以 一条线接界 两个两相区必须以单相区或者三相区 水平线 隔开 2 什么是组元 独立组元 相 相与组元有什么不同 什么是组元 独立组元 相 相与组元有什么不同 答 1 系统中每一个可以独立分离出来并能独立存在的化学物质均称为 组元 2 凡是在系统内可以独立变化而决定着各相成分的组元 称为 独立组元 3 相 是指物质系统中具有稳定和相同的化学组成 晶体结构 聚集状态以及 相同物理 化学性质的完全均匀一致的所有部分的总和 相可以是单质 也可以 是由几种物质组成的均匀液相或化合物 区别 一个相中可以包含几种物质 组元 一种物质可以形成几个相 3 什么
