化學(xué)前沿(1).ppt

1、化學(xué)前沿（1）,什么是人工晶體,顧名思義，人工晶體就是使用人工方法合成出的晶體。我們生活周圍的很多物質(zhì)都是晶體，比如地上的石頭、沙土。沙土顆粒雖小，人用肉眼無(wú)法觀察到它的晶面、晶形，但它卻實(shí)實(shí)在在是由晶體構(gòu)成的。構(gòu)成物質(zhì)的原子、離子或分子在空間作長(zhǎng)程有序的排列，形成一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，就是晶體；而內(nèi)部沒(méi)有長(zhǎng)程有序排列（只有短程有序）的物質(zhì)就是非晶態(tài)固體，如玻璃、石蠟、橡膠等。晶體通常具有規(guī)則的外形，棱角分明。,制備單晶硅,人工晶體研究的對(duì)象有兩種，一種用人工的方法合成并生長(zhǎng)出自然界已有的晶體，如水晶、云母、金剛石、食鹽(NaCl)、紅寶石(Al2O3:Cr)、人工合成胰島素等。自然界已有的晶體中有

2、些質(zhì)量不好；有些晶體質(zhì)量雖好，但自然界中所剩無(wú)及。如水晶在建國(guó)初期被過(guò)渡開(kāi)采，到70年代時(shí)水晶供應(yīng)已出現(xiàn)緊張，后來(lái)不得不進(jìn)行水晶的人工合成研究。目前我國(guó)人工合成水晶的產(chǎn)量非常大，達(dá)幾千噸。日本侵華時(shí)破壞性地大量開(kāi)采我國(guó)的云母礦，也造成了后來(lái)天然云母的匱乏，被迫人工合成云母。天然金剛石價(jià)格較為昂貴，我國(guó)產(chǎn)量也少。目前人工合成金剛石已十分便利，人工合成金剛石雖比天然的小，但已能滿足一般性的需求。金剛石是自然界中硬度最大的物質(zhì)，“沒(méi)有金剛鉆，不攬瓷器活”，人工合成金剛石廣泛用于各種切割工具。人工合成金剛石的產(chǎn)量已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的標(biāo)志，過(guò)去美國(guó)位居世界第一，日本其次，我國(guó)居第三位?，F(xiàn)在我國(guó)

3、產(chǎn)量居世界第一，每年5億克拉（但人均產(chǎn)量還是低的）。世界上第一臺(tái)激光器的工作物質(zhì)就是紅寶石。天然紅寶石色彩豐富，常用于制作各種首飾。但因?yàn)楹邪w，天然紅寶石在科學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值不大，必須合成無(wú)包裹體的人工紅寶石供研究使用。從人體內(nèi)提取胰島素的量非常的少，人工合成可以生長(zhǎng)出大量的胰島素供醫(yī)藥等使用。,人工晶體研究的另一內(nèi)容就是用人工的方法合成并生長(zhǎng)出自然界沒(méi)有的晶體，如單質(zhì)的Si與Ge、化合物的Y3Al5O12、KTiOPO4等無(wú)機(jī)晶體，以及有機(jī)晶體青霉素，硝基苯胺等。Si為半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，自然界中沒(méi)有單質(zhì)的硅存在，人工合成硅單晶主要是從二氧化硅中制備。Y3Al5O12為目前經(jīng)常使用的激

4、光器的工作物質(zhì)，摻Nd的Y3Al5O12激光器能發(fā)射1064nm的激光。KTiOPO4，簡(jiǎn)稱為KTP，是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體。這類化合物在天然界中都不存在，人們一般通過(guò)先合成后制備的方法來(lái)生長(zhǎng)出單晶。,1、人工晶體在高科技發(fā)展中的重要性 人類發(fā)展的歷史就是一部人類對(duì)材料的使用發(fā)展史。在原始社會(huì)，人類只會(huì)使用簡(jiǎn)單材料如木頭、石頭等做工具。慢慢發(fā)展，人類就學(xué)會(huì)了使用青銅器、鐵器等。隨著材料的不斷更新，促進(jìn)著人類社會(huì)的不斷發(fā)展與變革。人們往往用材料來(lái)劃分歷史時(shí)期，如：“石器時(shí)代”、“青銅器時(shí)代”、“鐵器時(shí)代”等等,可見(jiàn)材料在人類發(fā)展過(guò)程中的重要性。人工晶體的研制與使用，同樣在科技領(lǐng)域內(nèi)起到了

5、關(guān)鍵的作用。,第一次世界大戰(zhàn)時(shí)，出現(xiàn)了使用壓電水晶制作的諧振器應(yīng)用于發(fā)報(bào)機(jī)中，二戰(zhàn)時(shí)這已被普遍采用，開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代通訊的新時(shí)代。硅單晶及集成技術(shù)的成功，把人類帶入方興未艾的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)時(shí)代。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，并將會(huì)出現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)等采用新運(yùn)算方式的計(jì)算機(jī)，但硅單晶在計(jì)算機(jī)中的重大貢獻(xiàn)卻不容置疑。 1960年，紅寶石 (Cr:Al2O3)晶體中首次實(shí)現(xiàn)激光輸出，標(biāo)志著光電子時(shí)代的來(lái)臨。,2、人工晶體的分類 人工晶體的分類 人工晶體按照功能不同，可粗略分為半導(dǎo)體晶體，激光晶體，非線性光學(xué)晶體，光折變晶體，閃爍晶體，電光、磁光、聲光調(diào)制晶體，壓電晶體，紅外探測(cè)晶體，光學(xué)晶體，雙折射晶體，

6、寶石晶體與超硬晶體等十二類。,3、帶來(lái)信息技術(shù)革命的晶體-半導(dǎo)體晶體 半導(dǎo)體是指電阻率介于典型的金屬和典型的絕緣體之間的一類物質(zhì)，其電阻率在10-2至107 歐姆/厘米之間。最常見(jiàn)的半導(dǎo)體晶體是周期表上第IV主族的硅(Si)和鍺(Ge)，此外還有IIIV族的砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)和IIVI族的硒化鋅(ZnSe)等。,電子遷移率是衡量半導(dǎo)體運(yùn)算速度的標(biāo)志，其數(shù)值越大，半導(dǎo)體的運(yùn)算速度就越高。硅的電子遷移率比鍺大，但它在半導(dǎo)體中并不是最大的。如果把硅的運(yùn)算速度比作時(shí)速為60公里的汽車，砷化鎵就是時(shí)速為300公里的高速火車，而銻化銦則是時(shí)速為3000公里的火箭。雖然硅的運(yùn)算速度不高，

7、但硅比砷化鎵、銻化銦易于生長(zhǎng)，所以半導(dǎo)體工業(yè)中使用最多的還是硅單晶。,通過(guò)電子管計(jì)算機(jī)與使用硅單晶做為器件的微機(jī)性能的比較（見(jiàn)下表），硅在計(jì)算機(jī)時(shí)代中的重要性可見(jiàn)一斑。1946年電子管計(jì)算機(jī)與1976年微機(jī)的對(duì)比指標(biāo)電子管計(jì)算機(jī)微機(jī)對(duì)比體積/立方英尺30,0000.001106功耗/千瓦1400.00255.6104重量/噸300.0056.0103全面平均故障時(shí)間幾個(gè)小時(shí)幾年104,電子管是第一代半導(dǎo)體器件，在電子管后人類發(fā)明了集成電路。第一塊集成電路誕生于1958年，隨著集成度的不斷增大，大規(guī)模集成電路與超大規(guī)模集成電路相繼涌現(xiàn)。1968年人類可在米粒大小的硅片上集成1000多個(gè)晶體管，至

8、1978年，在同樣大小的硅片上就可以集成15.6萬(wàn)個(gè)晶體管了。但是，由于量子效應(yīng)的存在以及硅單晶自身性質(zhì)的缺陷，集成電路的發(fā)展已接近極限。 圖2-1.半導(dǎo)體器件的發(fā)展,3、帶來(lái)信息技術(shù)革命的晶體-半導(dǎo)體晶體 一些半導(dǎo)體晶體下圖是半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)和能帶隙。半導(dǎo)體的帶隙越寬，發(fā)射的光波的波長(zhǎng)越短，常用的發(fā)光半導(dǎo)體為GaAs、InP等。目前發(fā)展的GaN半導(dǎo)體帶隙寬，可發(fā)射藍(lán)光，是半導(dǎo)體研究中的熱門領(lǐng)域。 圖2-2.半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)和能帶隙 圖2-.硅單晶 圖2-.硅片的切割,圖2-2.半導(dǎo)體晶體的晶格常數(shù)和能帶隙,圖2-.硅單晶,圖2-.硅片的切割,3、帶來(lái)信息技術(shù)革命的晶體-半導(dǎo)體晶體 氮

9、化物1.第三主族氮化物短波區(qū)光電子器件最有潛力2.高質(zhì)量膜很難生長(zhǎng)3.在GaN和失陪襯底之間插入低溫沉積過(guò)渡層薄膜4.實(shí)現(xiàn)了P型氮化物并可控制N型氮化物的電導(dǎo)率 碳化硅SiC1.大功率器件2.較一般的半導(dǎo)體可承受5-10倍的電壓3.使用溫度較提高幾百度 4.功率損失為一般的半導(dǎo)體10分之一5.過(guò)去的十年SiC體晶的生長(zhǎng)發(fā)展迅速6.帶動(dòng)了外延及器件的飛速發(fā)展,ZnO 1.藍(lán)光和近紫外發(fā)光二極管2.通常在藍(lán)寶石襯底上外延一層GaN過(guò)渡層，然后再外延ZnO3.蒸汽壓太高，無(wú)法用提拉法生長(zhǎng)4.頂部籽晶法熔劑法生長(zhǎng)ZnO晶體5.尺寸15 18 3mm3 四元體系材料 AlGaInP的涵蓋的波長(zhǎng)范圍： 5

10、70nm的黃光 590nm的橙光 620nm的紅光GaN和GaInN： 450nm的藍(lán)光 525nm的藍(lán)綠光 以氣相外延技術(shù)合成的Al,Ga,In,N四元材料,可以涵該所有的可見(jiàn)光。,圖2-5. 紅、綠、藍(lán)半導(dǎo)體發(fā)光二極管,4、激光晶體 簡(jiǎn)單地講，激光晶體就是能夠發(fā)射出激光的晶體。最早使用的激光晶體是摻鉻的紅寶石晶體（Cr:Al2O3），現(xiàn)在用得最多的是摻釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)。圖2-6為固體激光器示意圖，它主要由閃光燈、激光工作物質(zhì)（較多使用的是激光晶體）和反射鏡腔片組成。反射鏡表面鍍有薄膜，一片為全反射鏡，另一片為透射反射鏡，兩片鏡片組成光學(xué)諧振腔。當(dāng)激光晶體受到氙燈泵浦后，物質(zhì)內(nèi)

11、原子受到光激發(fā)成為激發(fā)態(tài)。只要有一個(gè)原子產(chǎn)生自發(fā)輻射，則這一輻射光將誘發(fā)鄰近原子產(chǎn)生受激輻射。不垂直于反射鏡的受激輻射將穿過(guò)工作物質(zhì)邊界外泄消失，只有垂直于反射鏡的受激輻射被反射鏡反射折回，重新通過(guò)激活介質(zhì)并被放大。經(jīng)多次反復(fù)振蕩，最終形成強(qiáng)大的受激輻射光，即激光。 圖2-6. 固體激光器示意圖,4、激光晶體 目前使用最多的激光晶體有Al2O3:Cr3+、Y3Al5O12:Nd3+與YVO4:Nd3+。主要的激光晶體及它的一些基本性能晶體 振蕩 波 長(zhǎng)(mm) 工作溫度(K) 閾值能量(J) 泵浦波長(zhǎng)(mm )激光躍遷Al2O3:Cr3+0.69293001000.35-0.692E 4A2M

12、gF2:Ni2+1.62377 1500.4-1.43T2 4A2CaWO4:Nd3+0.9145774.60.4-0.54F3/2 4I9/2YAlO3:Nd3+1.3400300100.5-0.94F3/2 4I13/2Y3Al5O12:Nd3+0.94601.06415 300300380.4-0.90.5-0.94F3/2 4I9/2LiYF4:Nd3+1.04713000.4-0.94F3/2 4I13/2YVO4:Nd3+1.0664300600.5-0.94F3/2 4I11/2Al2O3:Ti2+4F3/2 4I11/2,圖2-7. YAG激光晶體,圖2-8. 美國(guó)生長(zhǎng)的摻鉻氟

13、鋰鍶鈣晶體,5、變頻晶體-非線性光學(xué)晶體 非線性晶體具有非線性光學(xué)效應(yīng)，它可使激光的波長(zhǎng)發(fā)生變化。激光晶體輻射的激光波長(zhǎng)多為紅外光，通過(guò)非線性晶體變頻后能變?yōu)榭梢?jiàn)光。非線性晶體拓寬了激光波段，可使激光得到更有效的應(yīng)用。比如紅外激光經(jīng)非線性晶體倍頻后成為綠光，綠光可用于水下通訊、光盤存儲(chǔ)等方面。,5、變頻晶體-非線性光學(xué)晶體 非線性光學(xué)晶體最主要的用途就是對(duì)激光的倍頻作用，產(chǎn)生二次諧波。二次諧波的發(fā)生有兩種情形，一種是激光腔外倍頻，一種是腔內(nèi)倍頻。國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)的激光倍頻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)采用的就是腔外倍頻，如圖2-11。 1966年Franken首次將紅寶石晶體所產(chǎn)生的激光束入射到石英晶體，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)

14、現(xiàn)兩束出射光，一束是原來(lái)入射的紅寶石激光，其波長(zhǎng)為694.3nm；而另一束就是倍頻光，其波長(zhǎng)為347.2nm。當(dāng)時(shí)，紅寶石激光倍頻的效率很低，只有10-8。圖2-12是激光腔內(nèi)倍頻實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖。使用KTP晶體倍頻Nd:YAG發(fā)出的紅外激光，產(chǎn)生530nm的綠光，效率已接近100,圖2-13是激光倍頻的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，采用的非線性晶體是鈮酸鉀（KNbO3）。946nm的不可見(jiàn)激光通過(guò)鈮酸鉀晶體，經(jīng)倍頻作用后產(chǎn)生473nm的藍(lán)色激光。 圖2-13. KNbO3晶體倍頻產(chǎn)生藍(lán)光 下表中列出了一些比較常用的非線性光學(xué)晶體，它們?cè)谛再|(zhì)上各有千秋。如KDP晶體易于生長(zhǎng)，KTP的非線性系數(shù)高，AgGaSe2晶體

15、的透光波段寬，而CLBO具有優(yōu)良的紫外激光倍頻性能等等。,圖2-13. KNbO3晶體倍頻產(chǎn)生藍(lán)光,6、光折變晶體 在一定強(qiáng)度激光的照射下，折射率會(huì)發(fā)生變化的晶體，叫光致折射率變化晶體，簡(jiǎn)稱光折變晶體。 兩束光波入射到晶體中產(chǎn)生干涉，干涉光場(chǎng)分布為周期的光強(qiáng)分布，形成空間電荷光柵。 當(dāng)光波射到光柵上時(shí)，會(huì)發(fā)生發(fā)射，這就是所謂的“四波混頻”。,當(dāng)兩束光波入射到光折變晶體一段時(shí)間后，將其中的一束光波(如入射光2)遮住。此時(shí)在普通情況下，如光波照射到玻璃中，原來(lái)出射方向上將不會(huì)有光波。而光折變晶體在入射光的作用下形成光柵，入射光1發(fā)生衍射，在入射光2的出射方向上仍可看到光波傳播。利用光折變晶體還可在

16、兩束能量相差較大的光波中發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，對(duì)能量較小的光波進(jìn)行放大，即將能量較多的光波的能量傳遞給能量較小的光波。 圖2-17為自泵浦相位共軛圖。由于晶體中一些散射粒子的存在，入射到晶體中的光波的傳播方向發(fā)生改變，在晶體內(nèi)部發(fā)生反射，反射光和未發(fā)生反射的入射光相交產(chǎn)生光折變效應(yīng)，形成光柵，原來(lái)入射光通過(guò)衍射后會(huì)從原方向射出來(lái)，該出射光會(huì)消除原入射光的波前畸變。,如圖2-18,一組平面波通過(guò)相畸變介質(zhì)后將發(fā)生光波畸變，畸變后的光波入射到自泵浦相位共軛鏡后反射回來(lái)，再通過(guò)相畸變介質(zhì)，光波的畸變就被消除掉了。圖2-19是畸變后的一個(gè)圖象，光波繼續(xù)前進(jìn)，通過(guò)自泵浦相位共軛鏡反射后再通過(guò)畸變介質(zhì)，畸變的圖象

17、被還原，如圖2-20。 圖2-18. Distortion correction via phase conjugation 圖2-19. 畸變后的圖象 圖2-20. 還原后的圖象,圖2-18. Distortion correction via phase conjugation,圖2-19. 畸變后的圖象,圖2-20. 還原后的圖象,7、閃爍晶體 在高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動(dòng)能變?yōu)楣饽芏l(fā)出熒光的晶體，稱為閃爍晶體。閃爍晶體在核醫(yī)學(xué)、高能物理、核技術(shù)、空間物理及石油勘探等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在閃爍晶體各項(xiàng)性能參數(shù)中，密度、光輸出與響應(yīng)時(shí)間等項(xiàng)比較重要。由于入射的是高能粒子，晶體的密

18、度越大越好，如此需求的晶體厚度就會(huì)變小，從而易于生長(zhǎng)。目前使用較多閃爍晶體的是BGO、CsI、PbWO4等。,為了進(jìn)行高能粒子的研究，國(guó)際上建造了越來(lái)越多的對(duì)撞機(jī)與加速器，其中需要閃爍晶體作靶以捕作高能粒子的蹤跡。丁肇中教授領(lǐng)導(dǎo)的西歐核子研究中心在建設(shè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)時(shí)需要十幾噸的BGO閃爍晶體（即鍺酸鉍，分子式為Bi12GeO20）作靶，為此在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了招標(biāo)。我國(guó)硅酸鹽研究所生長(zhǎng)的BGO晶體因尺寸大、質(zhì)量?jī)?yōu)而戰(zhàn)勝法、日、美等國(guó)成功奪標(biāo)，從而我國(guó)幾乎獨(dú)占了這一方面應(yīng)用的國(guó)際市場(chǎng)，也為中國(guó)的人工晶體贏得了聲譽(yù)。,8、電光、磁光、聲光調(diào)制晶體 電光晶體 在電場(chǎng)作用下，某些晶體的折射率會(huì)發(fā)生變化

19、，利用這種性質(zhì)，可對(duì)入射到晶體中的光束的強(qiáng)度、相位以及光束的出射方向進(jìn)行控制，此種晶體稱為電光晶體。 電光晶體最重要的用途是作光調(diào)制器。，電光晶體放在兩片正交偏振片之間，在檢偏振片的前面插入一片1/4波片。當(dāng)激光通過(guò)時(shí)，加在晶體上的交變電壓使折射率發(fā)生變化，通過(guò)晶體的偏振光發(fā)生相位差，引起出射光強(qiáng)度變化。這樣，只要將電信號(hào)加到電光晶體上，激光便被調(diào)制成載有信息的調(diào)制光。 圖2-22. 電光晶體的光調(diào)制方式示意圖,聲光晶體當(dāng)超聲波通過(guò)某些晶體時(shí)，晶體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力，使晶體折射率發(fā)生周期性變化，形成超聲光柵，光通過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射，此種晶體叫聲光晶體。利用聲光晶體可以制作聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)制器、聲

20、光濾波器等，聲光器件在信息處理方面也有重要應(yīng)用，如脈沖壓縮、光學(xué)相關(guān)器和射頻頻譜分析等。 金剛石是比較好的聲光晶體，但因價(jià)格昂貴，使用較少。目前所用的聲光晶體中最重要的是TeO2和PbMoO4，激光打印機(jī)中用于偏轉(zhuǎn)激光束的晶體使用的就是TeO2。這兩種晶體主要有中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽所研究，他們可生長(zhǎng)出大尺寸高質(zhì)量單晶，產(chǎn)品出口日、美。,圖2-23. 用聲光晶體調(diào)制激光原理,9、會(huì)唱歌的晶體-壓電晶體 當(dāng)對(duì)某些晶體擠壓或拉伸時(shí)，該晶體的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷，這種晶體就叫壓電晶體。當(dāng)然，產(chǎn)生的電荷的量是非常少的，但卻是儀器可以檢測(cè)到的，并能夠加以利用。手表中用于穩(wěn)定頻率的諧振子就是用水晶這種壓電

21、晶體制作的。壓電晶體只有按照一定的方向切割，才具有壓電效應(yīng)。切割方向不同，對(duì)晶體的壓電效應(yīng)影響很大。如果在特定方向的壓電晶片上鍍上電極，加上交流電，則壓電晶片會(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，產(chǎn)生振蕩，如同人唱起歌來(lái)一樣。,水晶的壓電效應(yīng)并不是最好，但因價(jià)格較便宜，穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)度很好，至今仍是用量最多的一種壓電晶體。人工合成水晶主要是在高壓釜中生長(zhǎng)，一次可以生長(zhǎng)大批的水晶。 壓電晶體的性能參數(shù)中耦合系數(shù)、壓電常數(shù)等比較重要。例如耦合系數(shù)，表示當(dāng)一定的電壓加在晶片上時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)聲能的百分率。水晶的耦合系數(shù)比較小，在下表中鈮酸鋰晶體的耦合系數(shù)最高，其它晶體的耦合系數(shù)也不是太好。目前有一種新的壓電晶體

22、，鈮鎂酸鉛鈦酸鉛，其耦合系數(shù)可以達(dá)到90。,10、黑夜中的千里眼-熱釋電晶體 在溫度變化時(shí)，某些晶體由于結(jié)構(gòu)上的非對(duì)稱性，能在某一結(jié)晶學(xué)方向上引起正負(fù)電荷重心的相對(duì)位移，改變其自發(fā)極化狀態(tài)，從而在該方向兩邊產(chǎn)生數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷，具有這種性質(zhì)的晶體稱為熱釋電晶體。熱釋電晶體一個(gè)重要的用途就是制作火車輪軸的溫度測(cè)量系統(tǒng)?；疖嚨能囕啺惭b不當(dāng)和超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，易造成事故。熱釋電晶體可將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，檢測(cè)電信號(hào)的大小就可以知道輪軸的溫度，判斷是否達(dá)到了使用的極限以進(jìn)行控制。目前使用較多的熱釋電晶體是TGS（硫酸三甘氨酸）與LiTaO3（鉭酸鋰）?；疖囕嗇S的溫度測(cè)量系

23、統(tǒng)中使用的熱釋電晶體就是LiTaO3。,圖2-25(a). 人工合成的水晶,(a),(b),11、光學(xué)晶體 有寬的光譜透過(guò)能力的晶體，稱為光學(xué)晶體。主要用作光學(xué)儀器中的各種光學(xué)窗口、棱鏡透鏡、濾光和偏光元件等。如氟化鈣可用作導(dǎo)彈的頭罩。氟化鈣能夠搜集導(dǎo)彈欲攻擊目標(biāo)發(fā)出的紅外線，因此可以追蹤攻擊目標(biāo)。,圖2-26. 氟化鎂晶體與切片,圖2-27. 氟化鈣陶瓷,圖2-28. 氧化鋁晶體,圖2-29. 氟化鎂晶體與切片,圖2-30. 導(dǎo)彈及光電對(duì)抗窗口材料系列,12、雙折射晶體,13、寶石晶體 有極高的硬度、奇特的星彩閃光或艷麗顏色的晶體，是大家所熟悉的寶石晶體。立方氧化鋯(圖2-32)的硬度僅次于

24、金剛石，折射率也相當(dāng)大，可以有很高的星彩效應(yīng)。圖2-33是用氧化鋯晶體制作的孔雀，由于不同的摻雜，顯現(xiàn)出不同的顏色。除金剛石外，其它寶石主要是人工合成品。人工合成金剛石已達(dá)到寶石級(jí)尺寸，但因價(jià)格十分昂貴，尚未進(jìn)入市場(chǎng)。,圖2-32. 人工合成的氧化鋯晶體,圖2-33. 人工合成氧化鋯制作的飾品,圖2-34. ZrO2陶瓷制成的永不磨損表件,14、無(wú)堅(jiān)不摧的晶體-超硬晶體 金剛石是目前世界上所發(fā)現(xiàn)的硬度最大的物質(zhì)。金剛石與石墨是同素異型體，都是由碳元素組成。石墨為層狀結(jié)構(gòu)；金剛石為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬立方晶系。從成鍵的角度看，石墨中碳原子采取sp2雜化；金剛石中每一個(gè)碳原子和四個(gè)C等價(jià)結(jié)合，采用sp

25、3雜化軌道。通過(guò)高溫高壓的方式，可以將石墨轉(zhuǎn)換為金剛石。 圖2-35.金剛石的晶體構(gòu)造 圖2-36.石墨的晶體構(gòu)造鉆石彩色閃光的原因是什么呢？眾所周知，白光可看成有紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光組成。人們將寶石切磨出多個(gè)側(cè)面，由于色散的存在，一束白光入射寶石后，會(huì)分解出不同的色光，經(jīng)寶石反射或透射后的白光就會(huì)出現(xiàn)五顏六色的彩色閃光，這就是鉆石星彩效應(yīng)的成因。,圖2-35.金剛石的晶體構(gòu)造,圖2-36.石墨的晶體構(gòu)造,圖2-37.鉆石彩色閃光的原因,人工合成的金剛石粒度較小，如圖中僅半個(gè)毫米左右。砂輪與切割機(jī)的鋸片所要求的金剛石顆粒很小，約幾百目，稱之為金剛石磨料，所以人工合成金剛石主要應(yīng)用在

26、工業(yè)方面。目前，美國(guó)已能合成出兩克拉重的金剛石，約56mm大小。但因生長(zhǎng)條件苛刻，周期長(zhǎng)，其成本比天然金剛石還昂貴。,圖2-38. 人工合成的金剛石,圖2-39(a). 金剛石切剖工具,圖2-39(a.b.c.d). 金剛石切剖工具,a,c,金剛石膜的研究是目前比較熱門的課題。但是人工金剛石薄膜當(dāng)前還主要只利用其機(jī)械性能，其光學(xué)、電學(xué)性能尚未得到很好的開(kāi)發(fā)。在電學(xué)性能的研究方面，金剛石膜的p型摻雜早已實(shí)現(xiàn)，據(jù)最新報(bào)道，日本科學(xué)家通過(guò)摻入硫，已實(shí)現(xiàn)金剛石的n型摻雜。15、人工晶體的研究領(lǐng)域 研究人工晶體的合成及晶體的生長(zhǎng)工藝。研究人工晶體的切磨拋鍍等冷加工工藝。 研究晶體生長(zhǎng)設(shè)備和溫度、生長(zhǎng)速率

27、等控制系統(tǒng)。 研究晶體結(jié)構(gòu)（晶胞參數(shù)、點(diǎn)陣、空間群、鍵參數(shù)、結(jié)構(gòu)基元等），晶體物理化學(xué)性能（力、熱、光、聲、電、溶劑、溶解度、雜質(zhì)分凝系數(shù)等）以及晶體功能特性。 開(kāi)拓人工晶體的應(yīng)用領(lǐng)域。 改進(jìn)成熟晶體，探索新型人工晶體。,人工晶體的制備,1、簡(jiǎn)介 人工晶體的制備實(shí)際上就是把組成晶體的基元（原子、分子或離子）解離后又重新使它們組合的過(guò)程。按照晶體組分解離手段的不同，人工晶體的制備有三大類。溶液法-使晶體原料溶解在溶液中，具體地包含有水溶液法、水熱法與助熔劑法。水溶液法在常壓下生長(zhǎng)晶體，溫度約為八、九十?dāng)z氏度；水熱法是在高溫高壓下生長(zhǎng)；而助熔劑法則是在常壓高溫下生長(zhǎng)晶體。熔融法-使晶體原料完全熔化

28、，包含有提拉法、坩堝相對(duì)移動(dòng)法、區(qū)熔法、基座法、冷坩堝法與焰熔法等。 氣相法-使晶體原料蒸發(fā)或揮發(fā)，包含有化學(xué)氣相沉積與射頻濺射兩種方法。,2、水溶液法 水溶液法的基本原理是將原料（溶質(zhì)）溶解在水中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┰斐扇芤旱倪^(guò)飽和狀態(tài)，使晶體在其中生長(zhǎng)。圖3-1為水溶液法中利用降溫法生長(zhǎng)晶體的裝置，前面提及的磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸二氘鉀（DKDP）晶體就是使用這種裝置生長(zhǎng)的。 圖3-1. 水浴育晶裝置,KDP晶體雖然有非線性系數(shù)小、易潮解等缺點(diǎn)，但卻易于生長(zhǎng)，能滿足激光核爆模擬所要求的特大尺寸。因此，到目前為止，能應(yīng)用于激光核聚變等研究的高功率系統(tǒng)中的晶體，也僅僅只有KDP。,圖3-2.

29、日本大阪大學(xué)生長(zhǎng)的KDP晶體,3、水熱法 水熱法是一種在高溫高壓下從過(guò)飽和水溶液中進(jìn)行結(jié)晶的方法。工業(yè)化批量生長(zhǎng)水晶即采用這種方法。晶體生長(zhǎng)在特制的高壓釜內(nèi)進(jìn)行，晶體原料放在高壓釜底部，釜內(nèi)添加溶劑。加熱后上下部溶液間有一定的溫度差，使之產(chǎn)生對(duì)流，將底部的高溫飽和溶液帶至低溫的籽晶區(qū)形成過(guò)飽和而結(jié)晶。 圖3-3. 水熱法生長(zhǎng)的水晶晶體 圖3-4. 水熱法生長(zhǎng)晶體主要裝置美國(guó)人最初生長(zhǎng)的KTP晶體線度約10mm，是在3000大氣壓、800下于內(nèi)徑僅38mm的高壓釜內(nèi)生長(zhǎng)的。KTP晶體非線性系數(shù)大，透光波段寬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械性能優(yōu)良，是一種綜合性能非常優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體。美國(guó)曾在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，

30、將KTP晶體列為該國(guó)會(huì)控制下的軍需物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)行禁運(yùn)。在我國(guó)科技工作者不懈的努力下，成功的利用高溫溶液法生長(zhǎng)出高光學(xué)質(zhì)量、大尺寸的KTP晶體，打破了美國(guó)的壟斷并返銷到美國(guó)，為國(guó)家爭(zhēng)得了榮譽(yù)。 圖3-5. 杜邦公司用水熱法生長(zhǎng)的晶體樣品 圖3-6.杜邦公司用來(lái)生長(zhǎng)KTP晶體的裝置,圖3-3. 水熱法生長(zhǎng)的水晶晶體及裝置,圖3-5. 杜邦公司用水熱法生長(zhǎng)的晶體樣品及裝置,美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)需要2030mm2的KTP晶體的Z切片，但是他們生長(zhǎng)的KTP晶體只能切割出89mm大小的Z切片，于是只好在國(guó)際上尋找大尺寸的KTP晶體，最終發(fā)現(xiàn)我國(guó)人工晶體研究所生長(zhǎng)的KTP晶體能滿足其需求，不得不從我國(guó)進(jìn)

31、口。,圖3-7. 助溶劑法生長(zhǎng)的KTP晶體,圖3-8. 助溶劑法生長(zhǎng)的KTP晶體,4、焰熔法 焰熔法，又稱Verneuil法，是在1890年由法國(guó)科學(xué)家Verneuil發(fā)明的，用于生長(zhǎng)人工寶石。下圖是焰熔法生長(zhǎng)寶石裝置示意圖。料錘周期性地敲打裝在料斗里的粉末原料，粉料從料斗中逐漸地往下掉，落到位置6處，由入口4和入口5進(jìn)入的氫氣氧氣形成氫氧焰，將粉料熔融。熔體掉到籽晶7上，發(fā)生晶體生長(zhǎng)，籽晶慢慢往下降，晶體就慢慢增長(zhǎng)。使用此方法生長(zhǎng)的晶體可長(zhǎng)達(dá)1m。由于生長(zhǎng)速度較快，利用該法生長(zhǎng)的紅寶石晶體應(yīng)力較大, 只適合做手表軸承等機(jī)械性能方面。,圖3-11. 焰融法生長(zhǎng)金紅石,圖3-12. 金紅石晶體,

32、5、提拉法 提拉法，是被普遍采用的晶體生長(zhǎng)方法。它是將原料放在鉑或銥坩堝中加熱熔化，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，將籽晶浸入液面，讓熔體先在籽晶的末端生長(zhǎng)，然后邊旋轉(zhuǎn)邊慢慢向上提拉籽晶，晶體即從籽晶末端開(kāi)始逐漸長(zhǎng)大。目前，使用最多的激光晶體Nd:YAG就是采用此法生長(zhǎng)的。,圖3-13. 提拉爐實(shí)物,圖3-14. 提拉法生長(zhǎng)YAG晶體,、熔劑法 對(duì)于熔點(diǎn)太高，或未到熔點(diǎn)即分解的晶體，采用加助熔劑的方法將其熔點(diǎn)降下來(lái)生長(zhǎng)，改為熔劑法。很多非線性光學(xué)晶體。例如KN、KTP、BO、LBO等，都是用這種方法生長(zhǎng)的。,圖3-17. 鈮酸鉀晶體,圖3-18. BBO晶體,圖3-19. CLBO 晶 體,7、底部籽晶法 圖

33、3-20為底部籽晶水冷實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。與提拉法相反，這種生長(zhǎng)方法中坩堝上部溫度高，下部溫度低。將一管子處在坩堝底部，通入水或液氮使下面冷卻，晶體圍繞著籽晶從坩堝底部生長(zhǎng)。,8、坩堝下降法 爐膛上部溫度高、下部低，在隔板上方溫度都高于熔點(diǎn)，在隔板處達(dá)到結(jié)晶溫度。晶體生長(zhǎng)開(kāi)始時(shí)，坩堝全部在隔板上方，待坩堝中的原料全部熔融后，由托架帶動(dòng)坩堝下降，到達(dá)隔板處，熔融的原料結(jié)晶。坩堝不斷下降，熔體不斷結(jié)晶，晶體慢慢長(zhǎng)大。,9、升華法 升華法是氣相法生長(zhǎng)晶體的一種，其裝置示意圖如圖所示。氬氣為輸運(yùn)介質(zhì)，熱端原料與摻雜劑加熱后揮發(fā)，在氬氣的輸運(yùn)下到達(dá)冷端重新結(jié)晶。升華法生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量不高，為薄片狀。,圖3-2

34、4. 升華法生長(zhǎng)碳化硅,圖3-25. 碳化硅晶片,10、冷坩堝法 人工合成氧化鋯即采用冷坩堝法，因?yàn)檠趸喌娜埸c(diǎn)高（2700），找不到合適的坩堝材料。此時(shí)，用原料本身作為坩堝進(jìn)行生長(zhǎng)，裝置如圖3-26所示。原料中加有引燃劑（如生長(zhǎng)氧化鋯時(shí)用的鋯片），在感應(yīng)線圈加熱下熔融。氧化鋯在低溫時(shí)不導(dǎo)電，到達(dá)一定溫度后開(kāi)始導(dǎo)熱，因此鋯片附近的原料逐漸被熔化。同時(shí)最外層的原料不斷被水冷套冷卻保持較低溫度，而處于凝固狀態(tài)形成一層硬殼,起到坩堝的作用，硬殼內(nèi)部的原料被熔化后隨著裝置往下降入低溫區(qū)而冷卻結(jié)晶。,11、水平區(qū)熔法 水平區(qū)熔法實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3-27所示。熔區(qū)被限制在加熱器加熱的狹小范圍內(nèi)，絕大部分的原料處于固態(tài)。加熱器從一端向另一端緩慢移動(dòng)，熔區(qū)也緩慢移動(dòng)，晶體逐漸生長(zhǎng)。水平區(qū)熔法的主要用途在于