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第23章 单晶 §23.1 单晶概述 单晶体被定义为有规律重复的原子几何学骨架(称为晶格)在宏观的扩展，它含有一种或多种元素，尺寸从显微尺度到块状晶体(或薄膜)。因此，人们期望块状单晶(块晶)和单晶薄膜不含晶界，其组成原子有连续、重复的对称性。 单晶材料按用途可分为以下若干种类： 半导体晶体：半导体晶体是从二十世纪五十年代逐渐发展起来的，首先得到应用的是锗(Ge)单晶，继而是硅(Si)单晶，研究的第二代是III-V族化合物，诸如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)等单晶，今已发展到三元或多元化合物等半导体晶体材料。但至今，各种规格的硅单晶仍是半导体器件的基础材料。大规模集成电路所存在的主要问题仍是提高硅单晶的质量。 磁性单晶薄膜：电子计算机的功能，在很大程度上取决于存储系统所用的磁性单晶薄膜，这种单晶薄膜最理想的生长方法就是在非磁性单晶衬底上，外延生长稀土铁石榴石(Re3Fe5O12)薄膜，其中Re是稀土元素，但在外延生长时，衬底与薄膜需要有相匹配的晶体点阵常数。常用的衬底外延材料为钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)等晶体。 光学晶体：用光学晶体材料制作光学透镜、棱镜、偏光镜和各种窗口等，一般根据晶体透光波段来选择。用作透镜、棱镜的晶体有NaCl，KBr，LiF，(-SiO2，SrF2；用作偏光镜的晶体有方解石(CaCO3)，NaNO3，NaNO2，TiO2，CaWO3；用作室温仪器窗口的晶体有LiF，CaF2，SiO2，Ge，CsI，TlBr，TlI，氟金云母，红金石(TiO2)，SrTiO3；用作压力窗口的晶体有蓝宝石((-Al2O3)，MgO，ZnS；用作压力高温穹面罩窗口的晶体有(-SiO2，(-Al2O3，方镁石(MgO)，Ge，Si，MgF2，CdTe等。 表23-1 光学晶体的透光波段 晶体 NaCl KBr LiF 氟金云母 水晶 蓝宝石 透光波段((m) 0.2~15 0.2~27 0.1~6.5 0.3~4.5 0.2~4.5 0.2~5.5 晶体 ZnS CaF2 SrF2 TeO2 CaWO3 PbMoO3 透光波段((m) 0.5~24 0.1~12 0.13~11 0.35~5.0 0.3~3.1 0.4~5.5 射线分光晶体：分光晶体是X射线谱仪的心脏，在X射线光谱仪、电子探针仪和X射线荧光分析仪中都已得到广泛的应用。分光晶体的种类和质量对测定的灵敏度和分辨率有直接的影响。晶体的分光效应类似于光谱仪的光栅或棱镜，根据欲分析元素的特征X射线波长来选择适宜的分光晶体。常用的分光晶体可分为无机晶体和有机晶体两类，诸如氟化锂(LiF)、水晶((-SiO2)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、邻苯二甲酸钾(C8H10O4K)、季戊四醇(C5H12O4)、以及皂膜晶体M(C18H35O2)2)，其中M为Pb，Ba等。 激光晶体：激光晶体是激光的工作物质．从其组成来看，大致可分为两类：一类是在基质晶体中掺入激活离子，基质晶体的作用是为激活离子提供一个适宜的晶格场，使激活离子有可能产生激光．诸如：红宝石(Cr-Al2O3)、掺钕钇铝石榴石(Nd-Y8Al5O12)，掺镝的氟化钙(Dy-CaF2)等晶体。另一类是化学计量激光晶体，其激活离子就是晶体本身的组成之一，这种晶体可用来制做高效率、低阈值、小功率的微型激光器。诸如：五磷酸钕(NdP5O14)、四磷酸钕锂(LiNdP4O12)、四硼酸铝钕(NdAl3(BO3)4)等晶体。 电光晶体：凡因外加电场而能使光的折射率发生变化的晶体，统称为电光晶体，这种晶体可用来制作电光调制器、参量振荡器等。迄今为止，常用的电光晶体有：磷酸二氘钾(KD2PO4)、砷酸二氘铯(CsD2AsO4)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、氯化亚铜(CuCl)、铌酸锶钡(Ba0.75Sr0.25Nb5O15)、铌酸钡钠(Ba2NaNb2O15)等。 声光晶体：光波和声波同时射到晶体上，在一定条件下，声波和光波之间相互作用，可用于控制光束，如光束的传播方向发生偏转、光束的强度和频率发生变化等，这些效应称为声光效应。利用晶体的声光效应可研制出声光器件，如声光偏转器、声光调Q开关、声表面波器件等，其中应用最为广泛的是声光偏转器，它可用于激光雷达的扫描、电视和大屏幕显示器的扫描、光子计算机光存储器及激光通信等方面。目前，应用较广的声光晶体有：钼酸铅(PbMoO4)、锗酸铋(Bi12GeO20)、二氧化碲(TeO2)、硫代砷酸铊(T13AsS4)等晶体。 非线性光学晶体：光与物质之间的非线性作用可以导致光波之间的非线性作用。当使用激光时，这种作用会更为显著：这种与光强有关的光学效应，称为非线性光学效应。晶体的非线性光学效应可产生激光倍频、和频和差频、光参量放大与振荡、多光子吸