晶体生长原理与技术PDF电子书下载

第一篇 晶体生长的基本原理 3

第1章 导论 3

1.1 晶体的基本概念 3

1.1.1 晶体的结构特征 3

1.1.2 晶体结构与点阵 4

1.1.3 晶向与晶面 5

1.1.4 晶体的结构缺陷概述 6

1.2 晶体材料 11

1.2.1 常见晶体材料的晶体结构 11

1.2.2 按照功能分类的晶体材料 16

1.3 晶体生长技术的发展 21

1.4 晶体生长技术基础及其与其他学科的联系 23

参考文献 25

第2章 晶体生长的热力学原理 27

2.1 晶体生长过程的物相及其热力学描述 27

2.1.1 气体的结构及热力学描述 27

2.1.2 液体的结构及热力学描述 30

2.1.3 固体的结构及其热力学参数 33

2.1.4 相界面及其热力学分析 37

2.1.5 晶体生长的热力学条件 42

2.2 单质晶体生长热力学原理 44

2.2.1 单质晶体生长过程中的热力学平衡 44

2.2.2 液相及气相生长的热力学条件及驱动力 48

2.2.3 固态再结晶的热力学条件 50

2.3 二元系的晶体生长热力学原理 52

2.3.1 二元合金中的化学位 52

2.3.2 液-固界面的平衡与溶质分凝 53

2.3.3 气-液及气-固平衡 56

2.4 多组元系晶体生长热力学分析 58

2.4.1 多元体系的自由能 58

2.4.2 多元系结晶过程的热力学平衡条件 59

2.4.3 相图计算技术的应用 60

2.5 化合物晶体生长热力学原理 63

2.5.1 化合物分解与合成过程的热力学分析 64

2.5.2 复杂二元及多元化合物体系的简化处理 67

2.5.3 化合物晶体非化学计量比的成分偏离与晶体结构缺陷 70

2.5.4 熔体中的短程序及缔合物 72

参考文献 75

第3章 晶体生长的动力学原理 78

3.1 结晶界面的微观结构 78

3.1.1 结晶界面结构的经典模型 78

3.1.2 界面结构的Monte-Carlo（MC）模拟 83

3.2 结晶界面的原子迁移过程与生长速率 86

3.3 晶体生长的本征形态 97

3.3.1 晶体生长形态的热力学分析 97

3.3.2 晶体生长形态的动力学描述 98

参考文献 107

第4章 实际晶体生长形态的形成原理 110

4.1 晶体生长驱动力与平面结晶界面的失稳 110

4.2 枝晶的形成条件与生长形态 116

4.3 枝晶阵列的生长 121

4.3.1 Hunt模型 122

4.3.2 Kurz-Fisher模型 124

4.3.3 Lu-Hunt数值模型 126

4.4 强各向异性晶体强制生长形态 129

4.5 多相协同生长 132

4.5.1 亚共晶生长 132

4.5.2 共晶生长 133

4.5.3 偏晶生长 137

4.5.4 包晶生长 138

参考文献 139

第5章 晶体生长过程的形核原理 142

5.1 均质形核理论 142

5.1.1 熔体中的均质形核理论 142

5.1.2 气相与固相中的均质形核 145

5.1.3 均质形核理论的发展 146

5.2 异质形核 149

5.2.1 异质形核的基本原理 149

5.2.2 异质外延生长过程中的形核 151

5.3 多元多相合金结晶过程中的形核 153

5.3.1 多组元介质中的形核 153

5.3.2 多相形核过程的分析 157

5.4 特殊条件下的形核问题 160

5.4.1 溶液中的形核 160

5.4.2 电化学形核 161

5.4.3 超临界液体结晶过程中的形核 162

参考文献 163

第二篇 晶体生长的技术基础 169

第6章 晶体生长过程的传输问题 169

6.1 晶体生长过程的传质原理 169

6.1.1 溶质扩散的基本方程 169

6.1.2 扩散过程的求解条件与分析方法 172

6.1.3 扩散系数的本质及其处理方法 173

6.1.4 晶体生长过程扩散的特性 175

6.1.5 多组元的协同扩散 177

6.1.6 外场作用下的扩散 178

6.2 晶体生长过程的传热原理 179

6.2.1 晶体生长过程的导热 179

6.2.2 晶体生长过程的辐射换热 184

6.2.3 晶体生长过程的对流换热与界面换热 187

6.2.4 晶体生长过程温度场的测控方法与技术 188

6.3 晶体生长过程的液相流动 196

6.3.1 流动的起因与分类 196

6.3.2 流体的黏度 198

6.3.3 流体流动的控制方程 199

6.3.4 流体流动过程的求解条件与分析方法 201

6.3.5 层流与紊流的概念及典型层流过程分析 202

6.3.6 双扩散对流 204

6.3.7 Marangoni对流 207

参考文献 208

第7章 晶体生长过程中的化学问题 209

7.1 晶体生长过程相关的化学原理 209

7.1.1 晶体生长过程的化学反应 209

7.1.2 物质的主要化学性质和化学定律 212

7.1.3 化学反应动力学原理 216

7.1.4 化学反应过程的热效应 220

7.1.5 化学反应的尺寸效应 221

7.1.6 晶体生长过程的其他化学问题 222

7.2 原料的提纯 226

7.2.1 气化-凝结法 227

7.2.2 萃取法 237

7.2.3 电解提纯法 243

7.2.4 区熔法 244

7.3 晶体生长原料的合成原理 246

7.3.1 熔体直接反应合成 246

7.3.2 溶液中的反应合成 248

7.3.3 气相反应合成 251

7.3.4 固相反应合成 257

7.3.5 自蔓延合成 259

参考文献 262

第8章 晶体生长过程物理场的作用 265

8.1 晶体生长过程的压力作用原理 265

8.1.1 重力场中的压力 265

8.1.2 微重力场的特性与影响 266

8.1.3 超重力场的特性与影响 268

8.1.4 晶体生长过程的高压技术 270

8.2 晶体生长过程中的应力分析 274

8.2.1 应力场计算的基本方程 275

8.2.2 应力场的分析方法 278

8.2.3 应力作用下的塑性变形 280

8.2.4 薄膜材料中的应力 282

8.3 电场在晶体生长过程中的作用原理 284

8.3.1 材料的电导特性 285

8.3.2 材料的电介质特性 286

8.3.3 晶体生长相关的电学原理 287

8.3.4 电场在晶体生长过程应用的实例 289

8.4 电磁场在晶体生长过程中应用的基本原理 295

8.4.1 电磁效应及磁介质的性质 296

8.4.2 电磁场的作用原理 299

8.4.3 电磁悬浮技术 303

8.4.4 电磁场对对流的控制作用 305

参考文献 309

第三篇 晶体生长技术 317

第9章 熔体法晶体生长（1）——Bridgman法及其相似方法 317

9.1 Bridgman法晶体生长技术的基本原理 317

9.1.1 Bridgman法晶体生长技术简介 317

9.1.2 Bridgman法晶体生长过程的传热特性 323

9.1.3 Bridgman法晶体生长过程结晶界面控制原理 324

9.2 Bridgman法晶体生长过程的溶质传输及其再分配 326

9.2.1 一维平界面晶体生长过程中的溶质再分配 326

9.2.2 多元合金及快速结晶条件下的溶质分凝 331

9.2.3 实际Bridgman法晶体生长过程中的溶质分凝分析 333

9.3 Bridgman法晶体生长过程的数值分析 338

9.3.1 Bridgman法晶体生长过程数值分析技术的发展 338

9.3.2 Bridgman法晶体生长过程多场耦合的数值模拟方法 339

9.3.3 晶体生长过程应力场的数值分析 345

9.4 Bridgman法晶体生长工艺控制技术 347

9.4.1 Bridgman法晶体生长过程的强制对流控制 347

9.4.2 Bridgman法晶体生长过程的电磁控制 356

9.4.3 水平Bridgman法及微重力条件下的Bridgrnan法晶体生长 359

9.4.4 高压Bridgrnan法晶体生长 362

9.4.5 其他Bridgman生长方法 364

9.5 其他定向结晶的晶体生长方法 367

9.5.1 垂直温度梯度法 367

9.5.2 区熔-移动加热器法 369

9.5.3 溶剂法 372

9.5.4 浮区法 374

参考文献 380

第10章 熔体法晶体生长（2）——Cz法及其他熔体生长方法 389

10.1 Cz法晶体生长的基本原理与控制技术 389

10.1.1 Cz法晶体生长的基本原理 389

10.1.2 Cz法晶体生长过程的控制技术 395

10.2 Cz法晶体生长过程的传热与生长形态控制 401

10.2.1 Cz法晶体生长过程的传热特性 401

10.2.2 环境温度和气相传输的影响 404

10.2.3 晶体内辐射特性的影响 408

10.2.4 晶体旋转与温度的波动 412

10.3 电磁控制技术在Cz法晶体生长中的应用 415

10.3.1 静磁场控制Cz法晶体生长中的对流 415

10.3.2 交变磁场对Cz法晶体生长过程的影响 418

10.3.3 电流场和磁场共同作用下的Cz法晶体生长 422

10.4 Cz法晶体生长过程传质特性与成分控制 425

10.4.1 多组元熔体Cz法晶体生长过程中的溶质再分配及其宏观偏析 425

10.4.2 Cz法晶体生长过程中熔体与晶体中的成分控制 430

10.5 其他熔体法晶体生长的方法 438

10.5.1 成形提拉法（导模法） 438

10.5.2 泡生法 444

10.5.3 火焰熔融生长法 448

参考文献 449

第11章 溶液法晶体生长 456

11.1 溶液法晶体生长的基本原理和方法 456

11.1.1 溶液的宏观性质 456

11.1.2 溶液中溶质的行为及溶剂的选择 459

11.1.3 实现溶液中晶体生长的条件及控制参数 462

11.1.4 溶液中的晶体生长机理 467

11.2 溶液法晶体生长的基本方法 469

11.2.1 溶液的配制 469

11.2.2 溶液法晶体生长的基本方法与控制原理 470

11.2.3 溶液法晶体生长的控制方法 475

11.3 溶液法晶体生长过程的传输过程及其控制 479

11.3.1 结晶界面附近的溶质传输特性 479

11.3.2 溶液法晶体生长过程的对流传输原理和方法 482

11.3.3 溶液法晶体生长过程中对流的控制 485

11.3.4 溶液液区移动法晶体生长过程的传质 490

11.4 其他溶液晶体生长技术 492

11.4.1 高温溶液生长 492

11.4.2 助溶剂法 496

11.4.3 水热法 501

11.4.4 液相电沉积法 504

参考文献 507

第12章 气相晶体生长方法 513

12.1 气相生长方法概述 513

12.2 物理气相生长技术 516

12.2.1 物理气相生长的基本原理 516

12.2.2 生长界面的结构与晶体的非平衡性质 518

12.2.3 物理气相生长过程中气体分压的控制 524

12.2.4 物理气相生长过程中的传输 527

12.3 化学气相生长技术 532

12.3.1 化学气相生长的特性 532

12.3.2 气相分解方法 533

12.3.3 气相合成法 535

12.3.4 复杂体系气相反应合成 538

12.3.5 化学气相输运法 541

12.4 其他气相生长方法简介 549

12.4.1 气-液-固法 549

12.4.2 溅射法晶体生长技术的基本原理 552

12.4.3 分子束外延生长技术的基本原理 556

12.4.4 MOCVD生长技术的基本原理 560

参考文献 564

第四篇 晶体缺陷分析与性能表征 577

第13章 晶体缺陷的形成与控制 577

13.1 晶体中点缺陷的形成与控制 577

13.1.1 点缺陷对晶体性能的影响 577

13.1.2 简单晶体中热力学平衡点缺陷浓度的计算 579

13.1.3 化合物晶体中平衡点缺陷浓度的热力学计算 581

13.1.4 晶体生长过程中点缺陷的形成与控制 590

13.1.5 晶体后处理过程中点缺陷的形成与控制 593

13.2 成分偏析及其形成原理 596

13.2.1 成分偏析的类型及其成因 596

13.2.2 多组元晶体中的成分偏析及其对性能的影响 597

13.2.3 杂质与掺杂的偏析 602

13.2.4 条带状偏析 606

13.2.5 胞晶生长引起的成分偏析 608

13.3 沉淀相与夹杂的形成 610

13.3.1 沉淀与夹杂的类型及其对晶体性能的影响 610

13.3.2 液相中夹杂的裹入 615

13.3.3 结晶界面附近夹杂的形成 616

13.3.4 固相中沉淀相的析出与退火消除 618

13.4 位错的形成 619

13.4.1 典型晶体中位错的类型及其对晶体性能的影响 619

13.4.2 籽晶与异质外延生长引入的位错 622

13.4.3 应力与位错的形成 626

13.4.4 成分偏析引起的位错 632

13.4.5 夹杂引起的位错 634

13.5 晶界与相界及其形成原理 637

13.5.1 晶界和相界的结构及其对晶体性能的影响 637

13.5.2 晶界成分偏析 640

13.5.3 晶界扩散 643

13.5.4 晶界与相界的形成与控制 645

13.6 孪晶与层错的形成 648

13.6.1 孪晶与层错的结构和性质 648

13.6.2 变形孪晶的形成 649

13.6.3 生长孪晶与层错 651

13.6.4 退火孪晶与层错 654

13.7 晶体的表面特性 655

13.7.1 晶体表面的基本性质与清洁表面的获得 655

13.7.2 表面原子结构 656

13.7.3 表面电子结构的研究 659

13.7.4 功函数的研究 660

参考文献 661

第14章 晶体的结构与性能表征 672

14.1 晶体性能表征方法概论 672

14.1.1 晶体结构、缺陷、组织与成分分析 672

14.1.2 晶体物理性能分析 676

14.2 晶体组织结构的显微分析 684

14.2.1 光学显微分析 684

14.2.2 电子显微分析 687

14.2.3 原子力显微镜及扫描隧道显微镜分析 688

14.2.4 晶体显微分析试样的制备 689

14.3 晶体结构的衍射分析 695

14.3.1 X射线衍射分析的基本原理 695

14.3.2 电子衍射 697

14.3.3 单晶体结构缺陷的衍射分析 699

14.3.4 晶体应力应变的衍射分析 704

14.4 晶体电学参数的分析 712

14.4.1 I-V和C-V测量 713

14.4.2 van der Pauw-Hall测试 717

14.4.3 载流子迁移率和寿命乘积（μτ）的测试 718

14.4.4 介电材料的性能测定 720

14.5 晶体光学、磁学及其他物理性能的分析 722

14.5.1 晶体的基本光学性质测定 722

14.5.2 晶体透射光谱分析 724

14.5.3 光致发光 726

14.5.4 晶体的Raman散射特性 730

14.5.5 晶体的磁学性能 731

14.5.6 晶体的磁光性质 734

14.5.7 其他物理性能概论 737

参考文献 738