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1、合成晶体课件,第五章 合成晶体,合成晶体课件,什么是晶体,物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列,形成空间点阵结构时,就形成了晶体。因此,具有空间点阵结构的固体就叫晶体 。 晶体又有单晶体和多晶体之分。单晶体就是由同一空间点阵结构贯穿晶体而成的;而多晶体却没有这种能贯穿整个晶体的结构,它是由许多单晶体以随机的取向结合起来的。,合成晶体课件,晶体的基本性质(通性), 自范性:自范性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。即 晶面数+晶顶数=晶棱数+2 均一性:从同一方向观察,该方向上的宏观性质与观察的位置无关 各向异性:同一格子构造中,在不同方向
2、上质点排列一般是不一样的,因此,晶体的性质也随方向的不同而有所差异,这就是晶体的异向性。,合成晶体课件,对称性:在晶体的外形上,也常有相等的晶面、晶 棱和角顶重复出现。这种相同的性质在不同的方向或 位置上作有规律地重复,就是对称性。晶体的格子构 造本身就是质点重复规律的体现。 最小内能 :在相同的热力学条件下晶体与同种物 质的非晶质体、液体、气体相比较,其内能最小。 稳定性 :晶体由于有最小内能,因而结晶状态是 一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。,合成晶体课件,人工晶体的分类,人工晶体的分类: 人工晶体按照功能不同,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
3、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。,合成晶体课件,相变过程和结晶的驱动力,气相生长 熔体生长 溶液生长,合成晶体课件,熔体生长, G = H - T S 固液平衡时(Te): G = H - Te S = 0 H = Te S 温度为T时: G = H ( Te - T)/ Te,合成晶体课件,溶液生长,合成晶体课件,成核,在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶。体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷
4、却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用。 介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用。 在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用。,合成晶体课件,层状生长理论 晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。 在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不 同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方 面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常 常可以看到带状构造。它表明晶面是平行向外 推移生长的。 由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿 物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。 晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹 形成以晶体中
5、心为顶点的锥状体称为生长锥或 砂钟状构造。,合成晶体课件,合成晶体的方法和技术,人工晶体的制备实际上就是把组成晶体的基元(原子、 分子或离子)解离后又重新使它们组合的过程。按照晶 体组分解离手段的不同,人工晶体的制备有三大类。 气相法-使晶体原料蒸发或挥发,包含有化学气相沉 积与射频溅射两种方法。,合成晶体课件,熔融法-使晶体原料完全熔化,包含有提拉法、坩埚 相对移动法、区熔法、基座法、冷坩埚法与焰熔法等。 溶液法-使晶体原料溶解在溶液中,具体地包含有水 溶液法、水热法与助熔剂法。水溶液法在常压下生长 晶体,温度约为八、九十摄氏度;水热法是在高温高 压下生长;而助熔剂法则是在常压高温下生长晶体
6、。,合成晶体课件,气相法,升华法是气相法生长晶体的一种,其装置示意图如图所示。,合成晶体课件,熔融法,焰熔法,又称Verneuil法,是在1890年由法国科学家Verneuil发明的,用于生长人工宝石。,合成晶体课件,提拉法是被普遍采用的晶体生长方法。目前,使用最多的激光晶体Nd:YAG就是采用此法生长的。,合成晶体课件,水平区熔法实验装置示意图如图所示。该法的创始人是美国人Pfann,硅单晶生长初期的提纯即采用此法。,合成晶体课件,底部籽晶水冷法 实验装置如示意图。与提拉法相反,这种生长方法中坩埚上部温度高,下部温度低。,合成晶体课件,人工合成氧化锆即采用冷坩埚法,因为氧化锆的熔点高(2700),找不到合适的坩埚材料。此时,用原料本身作为“坩埚”进行生长 。,合成晶体课件,溶液法,水溶液法的基本原理是将原料(溶质)溶解在水中, 采取适当的措施造成溶液的过饱和状态,使晶体在其 中生长。,合成晶体课件,水热法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的方法。,合成晶体课件,