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第七章 晶体生长技术 7.1 晶体材料的重要意义 人工晶体是一种重要的功能材料，它能实现光、电、声、磁、热、力等不同能量形式的交互作用和转换，在现代科学技术中应用十分广泛。 晶体材料虽然用量不大，但是近现代的一切尖端及高新技术的发展，在很大程度上取决于晶体材料的应用及新型晶体材料的发展。 目前人工晶体在品种、质量、数量方面已远远超过了天然晶体。 人工晶体研究包括晶体结构、晶体生长、晶体性能及其表征、晶体材料应用等方面。晶体生长研究是人工晶体研究的基础。 晶体生长－材料合成 晶体生长技术的发展： 20世纪以来，晶体生长研究有了很大的进步。 最初：纯工艺性研究 形成两个主要方向：（1）晶体制备技术研究和（2）晶体生长理论研究。 两者相互渗透、相互促进。晶体制备技术研究为晶体生长理论研究提供了丰富的研究对象；而晶体生长理论研究又力图从本质上揭示晶体生长的基本规律，进而指导晶体制备技术研究。 7.2 晶体生长理论 晶体生长理论研究已经成为一门独立的分支学科。 它从最初的晶体结构和生长形态研究、经典的热力学分析发展到在原子分子层次上研究生长界面和附加区域熔体结构，质、热输运和界面反应问题，形成了许多理论模型。 晶体生长理论研究的目的：通过对晶体生长过程的深入理解，实现对晶体制备技术研究的指导和预言。 晶体生长理论研究的对象：晶体生长这一复杂的客观过程，研究内容相当庞杂，可以把晶体生长理论研究的基本科学问题归纳为如下两个方面。 （1）晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系 晶体生长理论研究本质上就是完整理解不同晶体其内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态四者之间的关系，就可以在制备实验中预测具有特定晶体结构的晶体在不同生长条件下的生长形态，通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的生成，改善和提高晶体的质量和性能。 （2）晶体生长界面动力学问题 上述四者之间的关系研究只是对晶体生长过程的一种定性的描述，为了对此过程作更为精确的（甚至定量或半定量）的描述，必须在原子分子层次上对生长界面的结构、界面附近熔体（溶液）结构、界面的热、质输运和界面反应进行研究，这就是晶体生长界面动力学研究的主要内容。 7.2.1 晶体生长的基本过程 从宏观角度看：晶体生长过程是晶体一环境相（蒸气、溶液，熔体）界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变。 从微观角度来看，晶体生长过程可以看做一个“基元”过程， 所谓“基元”：是指结晶过程中最基本的结构单元，从广义上说，“基元”可以是原子、分子，也可以是具有一定几何构型的原子（分子）聚集体。 所谓的“基元”过程包括以下主要步骤： （1）基元的形成 在一定的生长条件下，环境相中物质相互作用，动态地形成不同结构形式的基元，这些基元不停地运动并相互转化，随时产生或消失。 （2）基元在生长界面的吸附 由于对流、热力学无规则运动或原子间吸引力，基元运动到界面上并被吸附。 （3）基元在界面的运动 基元由于热力学的驱动，在界面上迁移运动。 （4）基元在界面上结晶或脱附 在界面上依附的基元，经过一定的运动，可能在界面某一适当的位置结晶并长入固相，或者脱附而重新回到环境相中。 晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的“基元”过程。 环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中－－（1） 而不同结构的生长基元在不同晶面族上的吸附、运动结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。－－（2）～（4） 不同结构的晶体具有不同的生长形态。 对于同一晶体，不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元，最终形成不同形态的晶体。 同种晶体可能有多种结构的物相，即同质异相体。这也是由于生长条件不同，“基元”过程不同而导致的结果。 晶体内部缺陷的形成又与“基元”过程受到干扰有关。 因此，建立“基元”过程这一概念，就可在宏观或者微观层面上描述晶体内部结构、缺陷、生长条件和生长形态四者之间的关系。 可以认为，一个晶体生长理论如果很好地阐明“基元”过程，就能合理解释晶体内部结构、缺陷、生长条件及生长形态四者之间的关系。 7.2.2 晶体生长理论基础 7.2.2.1 热力学 晶体生长从热力学角度讲是一非平衡态过程，也是一个相变过程，也可认为是一复相化学反应。 其反应过程的形成可以是：（1)从一种固相变为另一种固相（晶体）；(2)从一种液相溶液或（熔体）变为晶体，（3）从一种气相变为晶体。 由于在相变过程中伴随着体系自由能的降低，因此相变是一个自发进行的过程。 设两相A和B，各自的自由能分别为GA和GB，在一定条件下两相处于平衡共存状态。这