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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12

1.2.1常见晶体材料的晶体结构12

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条件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

2.6强磁场及高压环境对晶体生长热力学条件的影响75

2.6.1强磁场对晶体生长热力学平衡条件的影响75

2.6.2高压对晶体生长热力学平衡条件的影响76

参考文献79

第3章 晶体生长过程的形核原理83

3.1均质形核理论83

3.1.1熔体中的均质形核理论83

3.1.2气相与固相中的均质形核86

3.1.3均质形核理论的发展87

3.2异质形核90

3.2.1异质形核的基本原理90

3.2.2异质外延生长过程中的形核92

3.3多元多相合金结晶过程中的形核94

3.3.1多组元介质中的形核94

3.3.2多相形核过程的分析98

3.4特殊条件下的形核问题101

3.4.1溶液中的形核101

3.4.2电化学形核103

3.4.3超临界液体结晶过程中的形核103

3.4.4形核过程的实验观察与控制104

参考文献107

第4章 晶体生长的动力学原理111

4.1结晶界面的微观结构111

4.1.1结晶界面结构的经典模型111

4.1.2界面结构的Monte-Carlo （MC）模拟116

4.2结晶界面的原子迁移过程与生长速率119

4.2.1结晶界面上原沉积的途径与过程119

4.2.2连续生长过程的原子沉积动力学122

4.2.3结晶界面上的原子扩散123

4.2.4结晶界面上原子的二维形核126

4.2.5位错生长128

4.2.6化合物晶体生长的界面动力学129

4.2.7基于实验结果的结晶界面动力学过程分析130

4.3晶体生长的本征形态134

4.3.1晶体生长形态的热力学分析134

4.3.2晶体生长形态的动力学描述135

参考文献145

第5章 实际晶体生长形态的形成原理149

5.1晶体生长驱动力与平面结晶界面的失稳149

5.2枝晶的形成条件与生长形态155

5.3枝晶阵列的生长161

5.3.1Hunt模型163

5.3.2 Kurz-Fisher模型164

5.3.3 Lu-Hunt数值模型166

5.4强各向异性晶体强制生长形态170

5.5多相协同生长173

5.5.1亚共晶生长173

5.5.2共晶生长174

5.5.3偏晶生长178

5.5.4包晶生长179

参考文献180

第二篇 晶体生长的技术基础185

第6章 晶体生长过程的传输问题185

6.1晶体生长过程的传质原理185

6.1.1溶质扩散的基本方程185

6.1.2扩散过程的求解条件与分析方法188

6.1.3扩散系数的本质及其处理方法189

6.1.4晶体生长过程扩散的特性191

6.1.5多组元的协同扩散193

6.1.6外场作用下的扩散194

6.2晶体生长过程的传热原理195

6.2.1晶体生长过程的导热195

6.2.2晶体生长过程的辐射换热200

6.2.3晶体生长过程的对流换热与界面换热203

6.2.4晶体生长过程温度场的测控方法与技术204

6.3晶体生长过程的液相流动212

6.3.1流动的起因与分类212

6.3.2流体的黏度214

6.3.3流体流动的控制方程215

6.3.4流体流动过程的求解条件与分析方法217

6.3.5层流与紊流的概念及典型层流过程分析218

6.3.6双扩散对流220

6.3.7 Marangoni对流223

参考文献224

第7章 晶体生长过程中的化学问题226

7.1晶体生长过程相关的化学原理226

7.1.1晶体生长过程的化学反应226

7.1.2物质的主要化学性质和化学定律229

7.1.3化学反应动力学原理233

7.1.4化学反应过程的热效应237

7.1.5化学反应的尺寸效应238

7.1.6晶体生长过程的其他化学问题239

7.2原料的提纯243

7.2.1气化-凝结法244

7.2.2萃取法254

7.2.3电解提纯法260

7.2.4区熔法261

7.3晶体生长原料的合成原理263

7.3.1熔体直接反应合成263

7.3.2溶液中的反应合成265

7.3.3气相反应合成268

7.3.4固相反应合成274

7.3.5自蔓延合成276

参考文献279

第8章 晶体生长过程物理场的作用282

8.1晶体生长过程的压力作用原理282

8.1.1重力场中的压力282

8.1.2微重力场的特性与影响283

8.1.3超重力场的特性与影响285

8.1.4晶体生长过程的高压技术287

8.2晶体生长过程中的应力分析291

8.2.1应力场计算的基本方程292

8.2.2应力场的分析方法295

8.2.3应力作用下的塑性变形297

8.2.4薄膜材料中的应力299

8.3电场在晶体生长过程中的作用原理301

8.3.1材料的电导特性302

8.3.2材料的电介质特性303

8.3.3晶体生长相关的电学原理304

8.3.4电场在晶体生长过程应用的实例306

8.4电磁场在晶体生长过程中应用的基本原理312

8.4.1电磁效应及磁介质的性质313

8.4.2电磁场的作用原理316

8.4.3电磁悬浮技术320

8.4.4电磁场对对流的控制作用322

参考文献326

第三篇 晶体生长技术333

第9章 熔体法晶体生长（1）—— Bridgman法及其相似方法333

9.1 Bridgman法晶体生长技术的基本原理333

9.1.1 Bridgman法晶体生长技术简介333

9.1.2 Bridgman法晶体生长过程的传热特性339

9.1.3 Bridgman法晶体生长过程结晶界面控制原理340

9.2 Bridgman法晶体生长过程的溶质传输及其再分配342

9.2.1一维平界面晶体生长过程中的溶质再分配343

9.2.2多元合金及快速结晶条件下的溶质分凝348

9.2.3实际Bridgman法晶体生长过程中的溶质分凝分析350

9.3 Bridgman法晶体生长过程的数值分析355

9.3.1 Bridgman法晶体生长过程数值分析技术的发展355

9.3.2 Bridgman法晶体生长过程多场耦合的数值模拟方法356

9.3.3晶体生长过程应力场的数值分析362

9.4 Bridgman法晶体生长工艺控制技术364

9.4.1 Bridgman法晶体生长过程的强制对流控制364

9.4.2 Bridgman法晶体生长过程的电磁控制373

9.4.3水平Bridgman法及微重力条件下的Bridgman法晶体生长376

9.4.4高压Bridgman法晶体生长379

9.4.5其他改进的Bridgman生长方法381

9.5其他定向结晶的晶体生长方法385

9.5.1垂直温度梯度法385

9.5.2区熔-移动加热器法387

9.5.3浮区法391

9.5.4溶剂法398

参考文献399

第10章 熔体法晶体生长（2）—— Cz法及其他熔体生长方法411

10.1 Cz法晶体生长的基本原理与控制技术411

10.1.1 Cz法晶体生长的基本原理411

10.1.2 Cz法晶体生长过程的控制技术417

10.2 Cz法晶体生长过程的传热与生长形态控制425

10.2.1 Cz法晶体生长过程的传热特性425

10.2.2环境温度和气相传输的影响428

10.2.3晶体内辐射特性的影响433

10.2.4晶体旋转与温度的波动437

10.3电磁控制技术在Cz法晶体生长中的应用441

10.3.1静磁场控制Cz法晶体生长中的对流441

10.3.2交变磁场对Cz法晶体生长过程的影响445

10.3.3电流场和磁场共同作用下的Cz法晶体生长448

10.4 Cz法晶体生长过程传质特性与成分控制451

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452

10.4.2 Cz法晶体生长过程中熔体与晶体中的成分控制456

10.5其他熔体法晶体生长的方法465

10.5.1成形提拉法（导模法）465

10.5.2泡生法472

10.5.3火焰熔融生长法476

参考文献477

第11章 溶液法晶体生长486

11.1溶液法晶体生长的基本原理和方法486

11.1.1溶液的宏观性质486

11.1.2溶液中溶质的行为及溶剂的选择489

11.1.3实现溶液中晶体生长的条件及控制参数492

11.1.4溶液中的晶体生长机理498

11.2溶液法晶体生长的基本方法500

11.2.1溶液的配制500

11.2.2溶液法晶体生长的基本方法与控制原理501

11.2.3溶液法晶体生长的控制方法506

11.3溶液法晶体生长过程的传输及其控制510

11.3.1结晶界面附近的溶质传输特性510

11.3.2溶液法晶体生长过程的对流传输原理和方法513

11.3.3溶液法晶体生长过程中对流的控制516

11.3.4溶液液区移动法晶体生长过程的传质521

11.4其他溶液晶体生长技术523

11.4.1高温溶液生长523

11.4.2助溶剂法528

11.4.3水热法534

11.4.4液相电沉积法537

参考文献540

第12章 气相晶体生长方法548

12.1气相生长方法概述548

12.2物理气相生长技术551

12.2.1物理气相生长的基本原理551

12.2.2生长界面的结构与晶体的非平衡性质553

12.2.3物理气相生长过程中气体分压的控制559

12.2.4物理气相生长过程中的传输562

12.3化学气相生长技术567

12.3.1化学气相生长的特性567

12.3.2气相分解方法568

12.3.3气相合成法570

12.3.4复杂体系气相反应合成573

12.3.5化学气相输运法576

12.4其他气相生长方法简介584

12.4.1气-液-固法584

12.4.2溅射法晶体生长技术的基本原理588

12.4.3分子束外延生长技术的基本原理592

12.4.4 MOCVD生长技术的基本原理595

参考文献600

第四篇 晶体缺陷分析与性能表征613

第13章 晶体缺陷的形成与控制613

13.1晶体中点缺陷的形成与控制613

13.1.1点缺陷对晶体性能的影响613

13.1.2简单晶体中热力学平衡点缺陷浓度的计算615

13.1.3化合物晶体中平衡点缺陷浓度的热力学计算617

13.1.4晶体生长过程中点缺陷的形成与控制626

13.1.5晶体后处理过程中点缺陷的形成与控制629

13.2成分偏析及其形成原理632

13.2.1成分偏析的类型及其成因632

13.2.2多组元晶体中的成分偏析及其对性能的影响633

13.2.3杂质与掺杂的偏析638

13.2.4条带状偏析642

13.2.5胞晶生长引起的成分偏析644

13.3沉淀相与夹杂的形成646

13.3.1沉淀与夹杂的类型及其对晶体性能的影响646

13.3.2液相中夹杂的裹入651

13.3.3结晶界面附近夹杂的形成652

13.3.4固相中沉淀相的析出与退火消除654

13.4位错的形成655

13.4.1典型晶体中位错的类型及其对晶体性能的影响655

13.4.2籽晶与异质外延生长引入的位错658

13.4.3应力与位错的形成662

13.4.4成分偏析引起的位错668

13.4.5夹杂引起的位错670

13.5晶界与相界及其形成原理673

13.5.1晶界和相界的结构及其对晶体性能的影响673

13.5.2晶界成分偏析676

13.5.3晶界扩散679

13.5.4晶界与相界的形成与控制681

13.6孪晶与层错的形成684

13.6.1孪晶与层错的结构和性质684

13.6.2变形孪晶的形成685

13.6.3生长孪晶与层错687

13.6.4退火孪晶与层错690

13.7晶体的表面特性691

13.7.1晶体表面的基本性质与清洁表面的获得691

13.7.2表面原子结构692

13.7.3表面电子结构的研究695

13.7.4功函数的研究696

参考文献697

第14章 晶体的结构与性能表征708

14.1晶体性能表征方法概论708

14.1.1晶体结构、缺陷、组织与成分分析708

14.1.2晶体物理性能分析712

14.2晶体组织结构的显微分析720

14.2.1光学显微分析720

14.2.2电子显微分析723

14.2.3原子力显微镜及扫描隧道显微镜分析724

14.2.4晶体显微分析试样的制备725

14.3晶体结构的衍射分析731

14.3.1 X射线衍射分析的基本原理731

14.3.2电子衍射733

14.3.3单晶体结构缺陷的衍射分析735

14.3.4晶体应力应变的衍射分析740

14.4晶体电学参数的分析748

14.4.1 I-V和C-V测量749

14.4.2 van der Pauw-Hall测试753

14.4.3载流子迁移率和寿命乘积（μτ）的测试754

14.4.4激光诱导瞬态光电流测试756

14.4.5介电材料的性能测定758

14.5晶体光学、磁学及其他物理性能的分析760

14.5.1晶体的基本光学性质测定760

14.5.2晶体透射光谱分析762

14.5.3光致发光765

14.5.4晶体的Raman散射特性768

14.5.5晶体的磁学性能770

14.5.6晶体的磁光性质772

14.5.7其他物理性能概论775

参考文献776