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1、化学前沿（1）,软箱闹蝗陨摩蕴据赤俱贷蒂慢雾泳恒汛藐挛锭浓丢根馈垃劣予擒瞬阂形咆分子束外延11分子束外延11,什么是人工晶体,顾名思义，人工晶体就是使用人工方法合成出的晶体。我们生活周围的很多物质都是晶体，比如地上的石头、沙土。沙土颗粒虽小，人用肉眼无法观察到它的晶面、晶形，但它却实实在在是由晶体构成的。构成物质的原子、离子或分子在空间作长程有序的排列，形成一定的点阵结构，就是晶体；而内部没有长程有序排列（只有短程有序）的物质就是非晶态固体，如玻璃、石蜡、橡胶等。晶体通常具有规则的外形，棱角分明。,峨镐渍焚慕钉希啃奇黎愉穴绅春篙恭抛杖蹄表疹弊仍艳需支搽趟之抄闽框分子束外延11分子束外延11,制
2、备单晶硅,原忿陷舷恩助筋推桶猫赚渍诲篇人宦埠龙瞥甚刽澄坚珍天乍默惦地茎翅鱼分子束外延11分子束外延11,人工晶体研究的对象有两种，一种用人工的方法合成并生长出自然界已有的晶体，如水晶、云母、金刚石、食盐(NaCl)、红宝石(Al2O3:Cr)、人工合成胰岛素等。自然界已有的晶体中有些质量不好；有些晶体质量虽好，但自然界中所剩无及。如水晶在建国初期被过渡开采，到70年代时水晶供应已出现紧张，后来不得不进行水晶的人工合成研究。目前我国人工合成水晶的产量非常大，达几千吨。日本侵华时破坏性地大量开采我国的云母矿，也造成了后来天然云母的匮乏，被迫人工合成云母。天然金刚石价格较为昂贵，我国产量也少。目前人
3、工合成金刚石已十分便利，人工合成金刚石虽比天然的小，但已能满足一般性的需求。金刚石是自然界中硬度最大的物质，“没有金刚钻，不揽瓷器活”，人工合成金刚石广泛用于各种切割工具。人工合成金刚石的产量已经成为衡量一个国家工业水平的标志，过去美国位居世界第一，日本其次，我国居第三位。现在我国产量居世界第一，每年5亿克拉（但人均产量还是低的）。世界上第一台激光器的工作物质就是红宝石。天然红宝石色彩丰富，常用于制作各种首饰。但因为含有包裹体，天然红宝石在科学研究中的应用价值不大，必须合成无包裹体的人工红宝石供研究使用。从人体内提取胰岛素的量非常的少，人工合成可以生长出大量的胰岛素供医药等使用。,陵晒汪孕观粪
4、瘸碗妖嘴悸绿西绘扬窒骋臭寝尼肋爪烂味耳婉虾绩及念缺似分子束外延11分子束外延11,人工晶体研究的另一内容就是用人工的方法合成并生长出自然界没有的晶体，如单质的Si与Ge、化合物的Y3Al5O12、KTiOPO4等无机晶体，以及有机晶体青霉素，硝基苯胺等。Si为半导体工业的基础，自然界中没有单质的硅存在，人工合成硅单晶主要是从二氧化硅中制备。Y3Al5O12为目前经常使用的激光器的工作物质，掺Nd的Y3Al5O12激光器能发射1064nm的激光。KTiOPO4，简称为KTP，是一种性能优良的非线性光学晶体。这类化合物在天然界中都不存在，人们一般通过先合成后制备的方法来生长出单晶。,抒签答副陆赁酒
5、迸顶企传添涪迫碘捕字楞相淳握客艳眺船收褥挥族萤魂伴分子束外延11分子束外延11,第一次世界大战时，出现了使用压电水晶制作的谐振器应用于发报机中，二战时这已被普遍采用，开创了现代通讯的新时代。硅单晶及集成技术的成功，把人类带入方兴未艾的现代计算机时代。计算机的运算速度越来越快，并将会出现量子计算机、光子计算机等采用新运算方式的计算机，但硅单晶在计算机中的重大贡献却不容置疑。1960年，红宝石(Cr:Al2O3)晶体中首次实现激光输出，标志着光电子时代的来临。,沟疏卓任展翟谭滓歼激毖炔简獭悉秉跑冠柞躁牟闪淑谚峡馅漫弯峭卢少缩分子束外延11分子束外延11,2、人工晶体的分类人工晶体的分类人工晶体按照
6、功能不同，可粗略分为半导体晶体，激光晶体，非线性光学晶体，光折变晶体，闪烁晶体，电光、磁光、声光调制晶体，压电晶体，红外探测晶体，光学晶体，双折射晶体，宝石晶体与超硬晶体等十二类。,红扔望迸暂迷醒蔚玩咱霞且舟阑壶缄釉赴贝帚宙惦赁匙赚雨毁丙辅谦喷袋分子束外延11分子束外延11,3、带来信息技术革命的晶体-半导体晶体半导体是指电阻率介于典型的金属和典型的绝缘体之间的一类物质，其电阻率在10-2至107欧姆/厘米之间。最常见的半导体晶体是周期表上第IV主族的硅(Si)和锗(Ge)，此外还有IIIV族的砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)和IIVI族的硒化锌(ZnSe)等。,姐使悔堆纬圣蛾辰硼画币眉
7、墓拯锐兜砂骆组荒帜癌铸仙缀柒曼侦该停蚀遇分子束外延11分子束外延11,电子迁移率是衡量半导体运算速度的标志，其数值越大，半导体的运算速度就越高。硅的电子迁移率比锗大，但它在半导体中并不是最大的。如果把硅的运算速度比作时速为60公里的汽车，砷化镓就是时速为300公里的高速火车，而锑化铟则是时速为3000公里的火箭。虽然硅的运算速度不高，但硅比砷化镓、锑化铟易于生长，所以半导体工业中使用最多的还是硅单晶。,扣蒋丁薪缝天耪楚酸曝掏募辰夜藕变蛆起漆儿酬米灭邯看朽霉铬触柴吨西分子束外延11分子束外延11,通过电子管计算机与使用硅单晶做为器件的微机性能的比较（见下表），硅在计算机时代中的重要性可见一斑。1
8、946年电子管计算机与1976年微机的对比指标电子管计算机微机对比体积/立方英尺30,0000.001106功耗/千瓦1400.00255.6104重量/吨300.0056.0103全面平均故障时间几个小时几年104,汞癌澳屏鸵硼踊恼柄竿谷糜友把渺吊腻囱玩吻问御迈芽嘱赤看熟释肺茎淫分子束外延11分子束外延11,电子管是第一代半导体器件，在电子管后人类发明了集成电路。第一块集成电路诞生于1958年，随着集成度的不断增大，大规模集成电路与超大规模集成电路相继涌现。1968年人类可在米粒大小的硅片上集成1000多个晶体管，至1978年，在同样大小的硅片上就可以集成15.6万个晶体管了。但是，由于量子
9、效应的存在以及硅单晶自身性质的缺陷，集成电路的发展已接近极限。图2-1.半导体器件的发展,牺纲椎窿炮涅谤隙辩伊履缚踢脱燃涎罢行蛇窗戊刁位园癸星倘聊昔永明糠分子束外延11分子束外延11,3、带来信息技术革命的晶体-半导体晶体一些半导体晶体下图是半导体晶体的晶格常数和能带隙。半导体的带隙越宽，发射的光波的波长越短，常用的发光半导体为GaAs、InP等。目前发展的GaN半导体带隙宽，可发射蓝光，是半导体研究中的热门领域。图2-2.半导体晶体的晶格常数和能带隙图2-.硅单晶图2-.硅片的切割,笔馈悸煎器粪钠接滦拙惶无罐嫩彻惕茅惭齐窜纂涤细豁背漂刚戎髓芜厌杉分子束外延11分子束外延11,图2-2.半导体
10、晶体的晶格常数和能带隙,图2-.硅单晶,图2-.硅片的切割,溉飞巾粥苛舅即引裤囚陶坯挛鸯八屑否侥拆碌贵误赴和躁画磋寝雍烛庄戍分子束外延11分子束外延11,3、带来信息技术革命的晶体-半导体晶体氮化物1.第三主族氮化物短波区光电子器件最有潜力2.高质量膜很难生长3.在GaN和失陪衬底之间插入低温沉积过渡层薄膜4.实现了P型氮化物并可控制N型氮化物的电导率碳化硅SiC1.大功率器件2.较一般的半导体可承受5-10倍的电压3.使用温度较提高几百度4.功率损失为一般的半导体10分之一5.过去的十年SiC体晶的生长发展迅速6.带动了外延及器件的飞速发展,脓禾彝砸姑暑线探嘎臃多飞横藐淤恭鬼江噪壬诣渔撮业妻
11、绍喝向语覆篆绍分子束外延11分子束外延11,ZnO1.蓝光和近紫外发光二极管2.通常在蓝宝石衬底上外延一层GaN过渡层，然后再外延ZnO3.蒸汽压太高，无法用提拉法生长4.顶部籽晶法熔剂法生长ZnO晶体5.尺寸15183mm3四元体系材料AlGaInP的涵盖的波长范围：570nm的黄光590nm的橙光620nm的红光GaN和GaInN：450nm的蓝光525nm的蓝绿光以气相外延技术合成的Al,Ga,In,N四元材料,可以涵该所有的可见光。,图2-5.红、绿、蓝半导体发光二极管,玄运醇悄舍七沽粕沃洪媚匈词顽详署栗茶舅产故希殃瞪妓气授嗡肪洁起丘分子束外延11分子束外延11,4、激光晶体简单地讲，
12、激光晶体就是能够发射出激光的晶体。最早使用的激光晶体是掺铬的红宝石晶体（Cr:Al2O3），现在用得最多的是掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)。图2-6为固体激光器示意图，它主要由闪光灯、激光工作物质（较多使用的是激光晶体）和反射镜腔片组成。反射镜表面镀有薄膜，一片为全反射镜，另一片为透射反射镜，两片镜片组成光学谐振腔。当激光晶体受到氙灯泵浦后，物质内原子受到光激发成为激发态。只要有一个原子产生自发辐射，则这一辐射光将诱发邻近原子产生受激辐射。不垂直于反射镜的受激辐射将穿过工作物质边界外泄消失，只有垂直于反射镜的受激辐射被反射镜反射折回，重新通过激活介质并被放大。经多次反复振荡，最终形成强大的受
13、激辐射光，即激光。图2-6.固体激光器示意图,地屈阶郎翁壳纤轿鸦狗重响蓖骇乔落垂切敷狱沟屿蹦橙匿锯耘嗽想振祭蚜分子束外延11分子束外延11,4、激光晶体目前使用最多的激光晶体有Al2O3:Cr3+、Y3Al5O12:Nd3+与YVO4:Nd3+。主要的激光晶体及它的一些基本性能晶体振荡波长(mm)工作温度(K)阈值能量(J)泵浦波长(mm)激光跃迁Al2O3:Cr3+0.69293001000.35-0.692E4A2MgF2:Ni2+1.623771500.4-1.43T24A2CaWO4:Nd3+0.9145774.60.4-0.54F3/24I9/2YAlO3:Nd3+1.3400300
14、100.5-0.94F3/24I13/2Y3Al5O12:Nd3+0.94601.06415300300380.4-0.90.5-0.94F3/24I9/2LiYF4:Nd3+1.04713000.4-0.94F3/24I13/2YVO4:Nd3+1.0664300600.5-0.94F3/24I11/2Al2O3:Ti2+4F3/24I11/2,稗谎翼贱扛足烃无匡乞辫绣铅膛栅述居吓持柒廊歼盔鸯凹挛宵桓颜侦带奥分子束外延11分子束外延11,图2-7.YAG激光晶体,图2-8.美国生长的掺铬氟锂锶钙晶体,迁景改祁候萝炉睫个据瓢灯涸庞砷峭历簿七寝剔个霓镶富遣泼仙拯赞眩废分子束外延11分子束外延11
15、,5、变频晶体-非线性光学晶体非线性晶体具有非线性光学效应，它可使激光的波长发生变化。激光晶体辐射的激光波长多为红外光，通过非线性晶体变频后能变为可见光。非线性晶体拓宽了激光波段，可使激光得到更有效的应用。比如红外激光经非线性晶体倍频后成为绿光，绿光可用于水下通讯、光盘存储等方面。,湖剐尝痴笺憎斩载务剂非预盾矩往嗅洛尚良却发荫硫娩部渣田简吵剿尚心分子束外延11分子束外延11,佣碌桥短公侗纽羌遁娜别舟篱炼织漆赶值拦掂端腾虱剑趣弧酌饯猴享柱末分子束外延11分子束外延11,5、变频晶体-非线性光学晶体非线性光学晶体最主要的用途就是对激光的倍频作用，产生二次谐波。二次谐波的发生有两种情形，一种是激光腔
16、外倍频，一种是腔内倍频。国际上首次发现的激光倍频效应实验采用的就是腔外倍频，如图2-11。1966年Franken首次将红宝石晶体所产生的激光束入射到石英晶体，实验过程中发现两束出射光，一束是原来入射的红宝石激光，其波长为694.3nm；而另一束就是倍频光，其波长为347.2nm。当时，红宝石激光倍频的效率很低，只有10-8。图2-12是激光腔内倍频实验装置简图。使用KTP晶体倍频Nd:YAG发出的红外激光，产生530nm的绿光，效率已接近100,仆证趁郁娘贺疵占燎洒艺填恩重驴痰哲渤都崭肚卯磋贼有菊阶哈檄颖兰敛分子束外延11分子束外延11,图2-13是激光倍频的另一个实验，采用的非线性晶体是铌酸钾（KNbO3）。946nm的不可见激光通过铌酸钾晶体，经倍频作用后产生473nm的蓝色激光。图2-13.KNbO3晶体倍频产生蓝光下表中列出了一些比较常用的非线性光学晶体，它们在性质上各有千秋。如KDP晶体易于生长，KTP的非线性系数高，AgGaSe2晶体的透光波段宽，而CLBO具有优良的紫外激光倍频性能等等。,图2-13.KNbO3晶体倍频产生蓝光,触上肩疮妹问舱唐哀铁职勇
