第十章-晶體的應(yīng)用

晶體材料的應(yīng)用

晶體能實現(xiàn)電、磁、光、聲和力等的交互作用和轉(zhuǎn)換，它是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中不可缺少的重要材料．天然晶體無論在品種、質(zhì)量和數(shù)量等方面，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，因而促進了人工晶體的發(fā)展。特別是由于固體微電子學(xué)的日新月異的發(fā)展，更加需要品種繁多的大量的晶體材料，其中包括半導(dǎo)體晶體、電介質(zhì)晶體、光學(xué)晶體、超硬晶體、絕緣晶體以及各種敏感晶體材料等．晶體材料處于材料科學(xué)發(fā)展的前沿。它與空間、電子、激光、紅外、新能源開發(fā)等新技術(shù)密切相關(guān)．因此，晶體材料對近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動作用．110.1.半導(dǎo)體晶體半導(dǎo)體在人工晶體中占有頭等重要的地位，現(xiàn)已形成一個獨立的分支學(xué)科．半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展來源于半導(dǎo)體單晶材料，它是微電子技術(shù)、光電子技術(shù)的主要基礎(chǔ)材料．五十年代初，用提拉法生長了鍺(Ge)單晶、硅(si)單晶，稍后，發(fā)展了鍺(Ge)的區(qū)域提純技術(shù)和硅(si)的無坩堝區(qū)域提純技術(shù)，從而成功地生長出高純度的鍺、硅單晶，大大地推動了半導(dǎo)體器件的發(fā)展。2

在半導(dǎo)體晶體材料中，目前，除了向大直徑、高純度、高均勻度以及無缺陷的方向發(fā)展的硅單晶以外．近些年來，人們對III—V族半導(dǎo)體晶體材料也發(fā)生了濃厚的興趣，這是因為III—V族半導(dǎo)體晶體材料能滿足多種性能的需求．這種半導(dǎo)體晶體材料在新技術(shù)中的應(yīng)用，主要用于包括高速信號處理、通信、傳感、顯示以及許多其他方面．用金屬—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、結(jié)型場效應(yīng)晶體營、雙極晶體管、肖脫基二極管、發(fā)光二極管、光探測器、光波導(dǎo)、聲表面濁和其他功能器件的各種組合元件構(gòu)成的集成電路正在不斷探索、發(fā)展和應(yīng)用。典型的有砷化鎵(GeAs)單晶體、氮化鎵（GaN）單晶體等。310.2.壓電晶體材料水晶具有頻率穩(wěn)定的特性，這是一種較理想的壓電晶體材料，可廣泛地應(yīng)用于制作諧振器、濾波器、換能器和聲表面波器件等．到了八十年代的今天，由于電子技術(shù)的需求，大大地促進了人工水晶的研究和發(fā)展，其產(chǎn)量也大幅度地增長。近些年來，人們又研制成功了許多新型的壓電晶體，主要有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTa03)、鈮酸鉀(KNbO3)、鉭酸鉀(KTa03)等晶體，和鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鉛鋇(SBN)、鈮酸鋇鈉(BNN)和鈮酸鉀鋰(KLiNbO3)等晶體，以及層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍和鍺酸鉍等晶體．4

利用壓電晶體制成的器件，種類繁多，從軍用到民用，例如：利用晶體的正電效應(yīng)制成的傳感器有：振動速度計、血壓計、呼吸心音測定儀、壓電按鈕和流體監(jiān)控器等，利用晶體的逆壓電效應(yīng)可作濾波器、放大器、壓電鍵盤等；利用壓電振子的伸縮性能，可制作位移發(fā)生器、壓電繼電器、壓電毛細(xì)管注液器、壓電泵和壓電閥門等．在壓電器件中，發(fā)展既快，而又用得最多的是超聲換能器，這種超聲換能器在軍隊中是用于水下接收和發(fā)射，在民用中是用于超聲醫(yī)療、探傷、清洗和乳化等．在同一儀器裝置中，既可利用晶體的壓電效應(yīng)，又可利用其逆壓電效應(yīng)，便可構(gòu)成一種具有特殊功能的壓電器件，如：壓電陀螺、線性加速計和壓電變壓器等．510.3.熱釋電晶體材料六十年代中期，先后出現(xiàn)了熱敏類的熱釋電探測器．所用的晶體材料為硫酸三甘肽(TGS)晶體系列．硫酸三甘肽晶體系列是當(dāng)前國內(nèi)外研究得最多的一種熱釋電晶體．到了七十年代，又相繼出現(xiàn)了性能更好的鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈦酸鉛、鍺酸鉛等熱釋電晶體．6摻雜TGS和鉭酸鋰晶體兩種熱釋電探測器的應(yīng)用范圍在國內(nèi)現(xiàn)已逐漸得到推廣，例如：利用這兩種探測器可作為紅外分光光度計的接收器、紅外分光測量系統(tǒng)、傅里葉光譜儀接收器、遠(yuǎn)紅外激光測定器、對輻射功率定標(biāo)、激光通信中的接收器、紅外輻射測溫等．在國外，各種類型的熱釋電紅外探測器件已廣泛地用于國防、醫(yī)療、工業(yè)和家用電器等領(lǐng)域，諸如：入侵報警、火災(zāi)報警、非接觸測溫、溫度異?？刂?、烹調(diào)控溫和高級玩具等．710.4.磁性晶體材料磁性材料可分為金屬磁性材料和非金屬磁性材料兩大類．金屬磁性多晶材料(如：硅鐵合金、鐵鎳合金等)在電力、電信和自控等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。鐵氧體是屬于非金屬磁性材料，它是由鐵和其他一種或多種金屬組成的復(fù)合氧化物，鐵氧體磁性材料可分為軟磁鐵氧體、硬磁鐵氧體、旋磁鐵氧休、矩磁鐵氧體和壓磁鐵氧體等五種．8

軟磁鐵氧體如錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體等，這種鐵氧體在較弱的磁場作用下易磁化，也易退磁化，主要用作各種電感器件，如濾波器磁芯、變壓器磁芯、天線磁芯、偏轉(zhuǎn)磁芯以及多路通信等的記錄磁頭的磁芯．鋇鐵氧體等硬磁鐵氧體(又稱永磁鐵氧體)主要用于電信器件中的錄音器、微音器、拾音器、電話機以及各種儀表中的磁鐵等。旋磁鐵氧體，又稱微波鐵氧體，如鎂錳鐵氧體、釔鐵石榴石鐵氧體等主要用于雷達、通信、導(dǎo)航、退測、遙控等電子設(shè)備．矩磁鐵氧體是指具有矩形磁滯回線的鐵氧體，如：鎂錳鐵氧體和鋰錳鐵氧體等，這種材料主要用作各種類型電子計算機的存儲磁芯、在自動控制、雷達導(dǎo)航、宇宙航行、信息處理等方面也得到不少的應(yīng)用．壓磁鐵氧體是指磁化時能在磁場方向作機械伸長成縮短，即有磁致仲縮現(xiàn)象，如：鎳鋅鐵氧體、鎳銅鐵氧體等，這種材料主要用于超聲、水聲、磁聲、電信、水下電視、電子計算機和自動控制等器件．910痰.5忍.光學(xué)段晶體逼材料晶體釀在光滲學(xué)儀辣器中聽的主射要應(yīng)茂用是律制作懶光學(xué)配元件螺，光拼學(xué)元含件的域種類瓜繁多戀，其澡范圍準(zhǔn)是從照早巳想采用仙的透橡鏡、扶棱鏡錦等光撓學(xué)元噴件開桂始到始以光壩電子挨學(xué)為暑基礎(chǔ)字的半擇導(dǎo)體艷激光堵器、脹光電看二極混管以撞及集著成光紐奉路等建．光學(xué)吧元件貸若按煙照其波功能厭進行網(wǎng)分類召時則士可分役為有革源光曾學(xué)元付件和羨無源斜光學(xué)猶元件臘兩大漂類：有源陽光學(xué)模元件祝又分泳為如觸下幾泰種：味發(fā)光慈元件壤，如姨：半谷導(dǎo)體竄激光稍器、基團體呼激光當(dāng)器等號；光敗接收喬元件斧．如繳：光許電二別極管丑、光縱導(dǎo)攝商象管葉等；沈光控踐制元璃件，俯如：拋光調(diào)聾制元料件、乘光偏憑振元偏件、資光開痰關(guān)等變；復(fù)希合功乳能元住件．尤如：綠集成繼光路壯等．無源設(shè)光學(xué)熱元件飛又分治為下飯述三樣種：戒光傳帥輸元拴件，孫如：臨濾波烈器、纏偏振影光元即件、狼透鏡盡效率酬元件吐等；披復(fù)合哄結(jié)構(gòu)床元件宅，如煌：光貓可逆搏元件慕等；押感光慣材料過元件恥，如?。嚎呻U逆的則或不榜可逆芽的感玻光材擇料等嫁．1010約.5蔬.1詳.普通賓光學(xué)辮晶體晶體弱在光負(fù)學(xué)儀絕器中水的應(yīng)醫(yī)用，跟最早護是利豎用天糟然晶飄體，著諸如書：螢餡石(C禾aF概2)、天然寒水晶(—S祖iO郵2)、金紅乖石(T衡i0走2)、方解妹石(C上aC材03服)和天贏然云竟母等匪來制止作棱銀鏡、番透鏡志、窗銜口、崖偏振纏片和離補償正鏡等瞇，但堤是符園合儀恒器所寨要求都的透層過率筆、均雅勻性喘與足碎夠大融尺寸懶的天讀然光墨學(xué)晶點體卻愉是比芝較少講見的裕．因絨此，侵當(dāng)前胸所使炎用的駁光學(xué)享晶體盈大多暑數(shù)是刷依賴晉于人非工晶伏體．圖晶體舟較非掉易態(tài)市玻璃皂的主立要優(yōu)攔點是歇：晶件體的予物理深化學(xué)湯性能霧及其轎使用丹特性勿的多想樣性宿、晶鍵體的桃折射偶率和噴色散盆變化級比玻貞璃強慨得多勞、單誦晶具刃有雙律折射訪、高壞熔點南和各唱向異鐵性等傅特性．1110瓶.5爐.2墨.激光榮晶體當(dāng)前果應(yīng)用畝最多花的激兄光晶版體仍島然是喊摻釹飲釔鋁羊石榴都石(N劃d3儀+—Y3拒A1豆5O陪12幟,即Nd胞3+弊—Y園AG束)晶體爸，最擺早摻牲釹鋁朱酸釔直紀(jì)(N缺d3樣+—桐YA泄l0覽3)晶體扁等．近年癥來，陶固體配激光束技術(shù)唉發(fā)展撓的主登要趨稿勢表芒現(xiàn)在避材料裕研究排的多吊樣化甩上．形固體訴激光壺波長色已延棄伸到追真空桶紫外(0幟.2宮8m)至中料紅外(4冤.7m)波段君．肌當(dāng)前嶄，隨盆著激柿光技爬術(shù)的下發(fā)展隆，固袋體激張光器怪的種舒類愈姑來愈渡多，摸諸如：隊普通困脈沖峽激光委器、棕連續(xù)紫激光合器、促電光棍或聲骨光調(diào)Q脈沖副激光培器、顫連續(xù)雕泵浦例聲光訂調(diào)Q激光辰器、襪高頻糕倍頻淘激光叔器、主鎖模叫激光尿器以搞及固曉體可調(diào)陣諧激域光器安。12固體哈激光梨器在右工農(nóng)冒業(yè)方窮面的桿應(yīng)用宴有如榨：材細(xì)料的丟加工廚，其咱中包筍括打建孔、粘焊接鉛、切輸割、援劃片滾、電輸阻器鋤微調(diào)脅；激必光熱擠處理跑或退圍火，古其中循包括半瞎導(dǎo)體汽快速貝生長譽與摻痛雜；贈以及鄭利用炊激光須化學(xué)隸法制透作微啄電子板器件卷等；藥激光紐奉育種鉤和桑守蠶誘同發(fā)等驢．固體庸激光陶器在澇自然案科學(xué)幅方面轟的應(yīng)魚用，冒如：變激光炭光譜姜學(xué)對遵研究物質(zhì)壺結(jié)構(gòu)哥、固統(tǒng)體物蝴理等您方面緒產(chǎn)生掏了深戚刻的核影響敘；在設(shè)光電辛子學(xué)王領(lǐng)域中．種激光瞇通信肆、激獨光電爸視、倘激光稱雷達銳和激縫光制俱導(dǎo)等漢均已軌取得唱了很曠大的進橋展．禁激光到器也層給化已學(xué)帶怖來了里深刻后的影刮響，肺如：勢激光龜催化賺、激鼓光分離鹽同位竟素和搏多光柿子化送學(xué)等屢．13固體類激光孝器在猛醫(yī)療累方面淘的應(yīng)濃用更侄為顯神著．座激光巷在醫(yī)駝療上晨的應(yīng)消用主智要是嫌基于輝激光飄束對廚生物升體的貧基本粒效應(yīng)皂．如非：激蔥光的碌熱效喜應(yīng)、捕光效嗽應(yīng)、瓜壓力通效應(yīng)棒和電戀磁效陷應(yīng)等立，利狠用這昌些效賢應(yīng)，消在眼博科、仿外科指和防來治腫瘤掌等方迅面，攀均巳棍取得惱實際旨的應(yīng)暮用，發(fā)如：頓在醫(yī)以療上是可用存于開柴刀、伸氣化、做燒灼劫、凝述固、歲止血造、照尤射和肉診斷參等方股面的并應(yīng)用吵．固體見激光文器在緣瑞軍事棋上的飲應(yīng)用無更是竟具有劍無比拌的潛鉗力和執(zhí)威力誘，已露應(yīng)用摘于激罰光測瞎炬、藍激光遲雷達歉、激姜光偵輝察、辜激光郵制導(dǎo)俊和激碑光武碗器等坡方面乞．1410液.6喚.電光煉、聲鉆光和織倍頻姻晶體由于鳳固體駐激光夜器的潑問世店和激兩光技辭術(shù)的脊發(fā)展循，光唯輻射翅控制魚裝置傘有著腎廣泛痰的應(yīng)鴉用，所例如腫：利童用電岡光調(diào)語制器首可以血調(diào)制漸激光筐的強餡度．嗎電光謎快門肅與激副光器擇組合繳成Q開關(guān)鑰激光愛器．躬電光邊快門欣與雙博折射箭晶體蚊配合真，可貴制成車數(shù)字型偏轉(zhuǎn)而器．銜利用況品體贏的電剩光效汗應(yīng)可賣制成盼偏振沙光束話連續(xù)襲偏轉(zhuǎn)落器等被．繩常啦用的賀電光晚晶體鳴有磷紐奉酸二勞氫鉀(K劫D2付P0潤4)、碘酸樓鋰(L蛇iI悟O3綠)、鉭酸個鋰(L額iT惑aO氣3)等晶趣體。利用疊晶體樂的彈乞光效若應(yīng)，扁可制緩成聲緩光調(diào)都制器伍、聲溜光偏壁轉(zhuǎn)器茅、聲賞光Q開關(guān)襪和聲洽光可蜜調(diào)濾機光器僵等．需常用題的聲薄光晶浮體有四鍺酸寫鉍和博二氧帖化碲喪等．15自從19凝61年首奇先觀介察到骨晶體景的二飯次諧呈波產(chǎn)棕生以拳來，脆在非蛋線性眾光學(xué)職領(lǐng)域蠻中產(chǎn)績生了劉一次賢飛躍瓜，將1.除06m的脈屬沖激務(wù)光器報作為樹光源訴，可廣產(chǎn)生邪從20龜0m到40妥00m的光貨譜區(qū)她，而喝且基愚本上住為連蛇續(xù)方語式的拴．用砷圓酸二筆氘銫錘或磷域酸二扭氫鉀網(wǎng)倍頻頃導(dǎo)體翅，產(chǎn)斤生的狀二次偶諧波澇的轉(zhuǎn)丙換效口率高策達50甩%左右酬．這雄個綠辟光在鐵磷酸利二氫邪鉀(K賀DP姐)晶體肯中再偷次倍柱頻或蒼者在季砷酸嶼二氘飯銫晶貼體中煮混額己，可管產(chǎn)生扭三次治倍頻根光，型這兩叢個過鐵程的孤轉(zhuǎn)換壘效率升均約雨為25割%左右源，這宴些晶珍體也褲是目拔前在諷紫外學(xué)光方術(shù)向上運透過角率較年好的子晶體躁．根據(jù)朽有關(guān)膊報道育，磷前酸鈦凱氧鉀(K肆Ti鐮OP皺O4塑)晶體槳是迄炮今性雅能最宮為全糾面優(yōu)汽異的展新型貞非線繭性光殲學(xué)晶盆體．辣經(jīng)全孫面性襖能鑒起定后強確認(rèn)備，我燭國首沈先研騙制成皇功的假低溫慚相偏腳硼酸壺鋇(—B際aB肆2O給4)也是者一種顫性能晃極為秘優(yōu)異眉的非染線性羅光學(xué)愁晶體瓜．1610耐.7肯.超硬垮晶體繡材料我國很自六父十年濱代以寨來，葵人造篇金剛塌石已牢經(jīng)得劫到很枯大的浪發(fā)展普，現(xiàn)抱已由實滾驗室詞逐步瀉地走缸向工妻業(yè)化棕生產(chǎn)桑．金抄剛石聲具有響優(yōu)異獵的力稠學(xué)、激熱學(xué)公、光學(xué)位、聲轉(zhuǎn)學(xué)和真半導(dǎo)衣體等柳性能峰．金亡剛石再是發(fā)夕展工蔑業(yè)、付農(nóng)業(yè)購、國騙防和起現(xiàn)代羞科學(xué)產(chǎn)技術(shù)提的重門要的接超硬舅材料擇，在哭自然棄界的功物質(zhì)撥中，國它的騰硬度鳥最高桶．單晶醫(yī)金剛應(yīng)石可販以用當(dāng)來制匹作表病鑲鉆占頭、適砂輪依修正脖筆、存硬度春計的刺壓硬頭哈、車佩刀、崖拉絲游模和慣航空法儀表編的抗收震文饅承軸豪等．電寶石貿(mào)級單謎晶金惡剛石怒可用栗來制依作激帆光器鵝窗口義和熱訪沉以料及鬼回重的倦裝飾師品等知．多晶寒金剛雨石可拖用來秤制作古加工此工具妄、磨饅料和鹽拋光相粉等蠻．金崇剛石傲加工墓工具妻，品撒種繁碰多，充其中斑包括緞切割蓄、銑央磨和蠅鉆孔鄙等．悔金剛鬧石加衫工工瓣具的筑應(yīng)用隱范圍僅很廣魂，例烏如：堪在非玩金屬劍材料命方面諒的大版理石醫(yī)、花板崗巖肺、玻暢璃、昨各種墻耐火橫材料暑，玻句璃鋼束、陶像瓷、典鑄石纏和建鮮筑材渾料加垂工等隨，經(jīng)衫濟效拼果與醋社會誰效益銜顯著江，潛動力很稍大。1710蕩.8嘗.敏感光晶體用材料實際裝晶體買之所翁以具尺有敏逐感性企能，吹其本濃質(zhì)在流于它尖不具點有理腦想完齊整的夕點陣砍結(jié)構(gòu)譽，而疲是存列在著丹晶體缺結(jié)構(gòu)因缺陷言．晶塔體結(jié)搶構(gòu)缺悉陷的障基礎(chǔ)泰為其貝秩序有井然渴的點就陣結(jié)預(yù)構(gòu)，憲晶體耀若具旁有無項序的咳結(jié)構(gòu)調(diào)，那嘩也就膝無所潔謂結(jié)奔構(gòu)缺鑰陷．橡晶體付結(jié)構(gòu)夕缺陷獎的發(fā)袍生與洽變化哈是以刃其所神具有遇的基慰質(zhì)結(jié)綱構(gòu)為險基礎(chǔ)幫，各澤種晶范體結(jié)教構(gòu)缺啊陷的攻性質(zhì)泄、數(shù)儲量和環(huán)分布雅狀態(tài)們以及問缺陷乖間的五相互居作用慰，造浮成了叼