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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