l晶体材料的应用晶体材料的应用l 晶体能实现电、磁、光、声和力等的交互作用和转换，它是近代科晶体能实现电、磁、光、声和力等的交互作用和转换，它是近代科学技术发展中不可缺少的重要材料天然晶体无论在品种、质量和数学技术发展中不可缺少的重要材料天然晶体无论在品种、质量和数量等方面，都远远不能满足近代科学技术发展的需要，因而促进了人量等方面，都远远不能满足近代科学技术发展的需要，因而促进了人工晶体的发展。特别是由于固体微电子学的日新月异的发展，更加需工晶体的发展。特别是由于固体微电子学的日新月异的发展，更加需要品种繁多的大量的晶体材料，其中包括半导体晶体、电介质晶体、要品种繁多的大量的晶体材料，其中包括半导体晶体、电介质晶体、光学晶体、超硬晶体、绝缘晶体以及各种敏感晶体材料等晶体材料光学晶体、超硬晶体、绝缘晶体以及各种敏感晶体材料等晶体材料处于材料科学发展的前沿。它与空间、电子、激光、红外、新能源开处于材料科学发展的前沿。它与空间、电子、激光、红外、新能源开发等新技术密切相关因此，晶体材料对近代科学技术的发展起到了发等新技术密切相关因此，晶体材料对近代科学技术的发展起到了重要的推动作用重要的推动作用1l10.1. 半导体晶体半导体晶体l半半导导体体在在人人工工晶晶体体中中占占有有头头等等重重要要的的地地位位，现现已已形形成成一一个个独独立立的分支学科半导体工业的发展来源于半导体单晶材料，它是的分支学科半导体工业的发展来源于半导体单晶材料，它是l微电子技术、光电子技术的主要基础材料微电子技术、光电子技术的主要基础材料l五五十十年年代代初初，用用提提拉拉法法生生长长了了锗锗(Ge)单单晶晶、硅硅(si)单单晶晶，稍稍后后，发发展展了了锗锗(Ge)的的区区域域提提纯纯技技术术和和硅硅(si)的的无无坩坩埚埚区区域域提提纯纯技技术术，从从而而成成功功地地生生长长出出高高纯纯度度的的锗锗、硅硅单单晶晶，大大大大地地推推动动了了半半导导体体器件的发展。器件的发展。2l 在在半半导导体体晶晶体体材材料料中中，目目前前，除除了了向向大大直直径径、高高纯纯度度、高高均均匀匀度度以及无缺陷的方向发展的硅单晶以外近些年来，人们对以及无缺陷的方向发展的硅单晶以外近些年来，人们对IIIV族族l半半导导体体晶晶体体材材料料也也发发生生了了浓浓厚厚的的兴兴趣趣，这这是是因因为为IIIV族族半半导导体体晶晶体体材材料料能能满满足足多多种种性性能能的的需需求求这这种种半半导导体体晶晶体体材材料料在在新新技技术术中中的的应应用用，主主要要用用于于包包括括高高速速信信号号处处理理、通通信信、传传感感、显显示示以以及及许许多多其其他他方方面面用用金金属属半半导导体体场场效效应应晶晶体体管管、结结型型场场效效应应晶晶体体营营、双双极极晶晶体体管管、肖肖脱脱基基二二极极管管、发发光光二二极极管管、光光探探测测器器、光光波波导导、声声表表面面浊浊和和其其他他功功能能器器件件的的各各种种组组合合元元件件构构成成的的集集成成电电路路正正在在不不断断探探索索、发发展展和和应应用用。典典型的有砷化镓型的有砷化镓(GeAs)单晶体、氮化镓（单晶体、氮化镓（GaN）单晶体等。）单晶体等。3l10.2.压电晶体材料压电晶体材料l 水水晶晶具具有有频频率率稳稳定定的的特特性性，这这是是一一种种较较理理想想的的压压电电晶晶体体材材料料，可可广广泛泛地地应应用用于于制制作作谐谐振振器器、滤滤波波器器、换换能能器器和和声声表表面面波波器器件件等等到到了了八八十十年年代代的的今今天天，由由于于电电子子技技术术的的需需求求，大大大大地地促促进进了了人人工工水水晶晶的的研究和发展，其产量也大幅度地增长。研究和发展，其产量也大幅度地增长。l 近近些些年年来来，人人们们又又研研制制成成功功了了许许多多新新型型的的压压电电晶晶体体，主主要要有有钙钙钛钛矿矿型型结结构构的的铌铌酸酸锂锂(LiNbO3)、钽钽酸酸锂锂(LiTa03)、铌铌酸酸钾钾(KNbO3)、钽钽酸酸钾钾(KTa03)等等晶晶体体，和和钨钨青青铜铜型型结结构构的的铌铌酸酸铅铅钡钡(SBN)、铌铌酸酸钡钡钠钠(BNN)和和铌铌酸酸钾钾锂锂(KLiNbO3)等等晶晶体体，以以及及层层状状结结构构的的钛钛酸酸铋铋和和锗锗酸酸铋铋等等晶晶体体4l 利利用用压压电电晶晶体体制制成成的的器器件件，种种类类繁繁多多，从从军军用用到到民民用用，例例如如：利利用用晶晶体体的的正正电电效效应应制制成成的的传传感感器器有有：振振动动速速度度计计、血血压压计计、呼呼吸吸心心音音测测定定仪仪、压压电电按按钮钮和和流流体体监监控控器器等等，利利用用晶晶体体的的逆逆压压电电效效应应可可作作滤滤波波器器、放放大大器器、压压电电键键盘盘等等；利利用用压压电电振振子子的的伸伸缩缩性性能能，可可制制作作位位移移发发生生器器、压压电电继继电电器器、压压电电毛毛细细管管注注液液器器、压压电电泵泵和和压压电电阀阀门门等等在在压压电电器器件件中中，发发展展既既快快，而而又又用用得得最最多多的的是是超超声声换换能能器器，这这种种超超声声换换能能器器在在军军队队中中是是用用于于水水下下接接收收和和发发射射，在在民民用用中中是是用用于于超超声声医医疗疗、探探伤伤、清清洗洗和和乳乳化化等等在在同同一一仪仪器器装装置置中中，既既可可利利用用晶晶体体的的压压电电效效应应，又又可可利利用用其其逆逆压压电电效效应应，便便可可构构成成一一种种具具有有特特殊殊功功能能的的压压电电器器件件，如如：压压电陀螺、线性加速计和压电变压器等电陀螺、线性加速计和压电变压器等5l10.3.热释电晶体材料热释电晶体材料l 六十年代中期，先后出现了热敏类的热释电探测器所六十年代中期，先后出现了热敏类的热释电探测器所l用的晶体材料为硫酸三甘肽用的晶体材料为硫酸三甘肽(TGS)晶体系列硫酸三甘肽晶体晶体系列硫酸三甘肽晶体l系列是当前国内外研究得最多的一种热释电晶体到了七十年系列是当前国内外研究得最多的一种热释电晶体到了七十年l代代，又又相相继继出出现现了了性性能能更更好好的的铌铌酸酸锂锂、钽钽酸酸锂锂、钛钛酸酸铅铅、锗锗酸酸铅等热释电晶体铅等热释电晶体6l 掺掺杂杂TGS和和钽钽酸酸锂锂晶晶体体两两种种热热释释电电探探测测器器的的应应用用范范围围在在国国内内现现已已逐逐渐渐得得到到推推广广，例例如如：利利用用这这两两种种探探测测器器可可作作为为红红外外分分光光光光度度计计的的接接收收器器、红红外外分分光光测测量量系系统统、傅傅里里叶叶光光谱谱仪仪接接收收器器、远远红红外外激激光光测测定定器器、对辐射功率定标、激光通信中的接收器、红外辐射测温等对辐射功率定标、激光通信中的接收器、红外辐射测温等l 在国外，各种类型的热释电红外探测器件已广泛地用于国防、在国外，各种类型的热释电红外探测器件已广泛地用于国防、l医疗、工业和家用电器等领域，诸如：入侵报警、火灾报警、非接医疗、工业和家用电器等领域，诸如：入侵报警、火灾报警、非接l触测温、温度异常控制、烹调控温和高级玩具等触测温、温度异常控制、烹调控温和高级玩具等7l10.4.磁性晶体材料磁性晶体材料l磁性材料可分为金属磁性材料和非金属磁性材料两大类磁性材料可分为金属磁性材料和非金属磁性材料两大类l金金属属磁磁性性多多晶晶材材料料(如如：硅硅铁铁合合金金、铁铁镍镍合合金金等等)在在电电力力、电电信信和自控等方面都得到了广泛的应用。和自控等方面都得到了广泛的应用。l铁铁氧氧体体是是属属于于非非金金属属磁磁性性材材料料，它它是是由由铁铁和和其其他他一一种种或或多多种种金金属属组组成成的的复复合合氧氧化化物物，铁铁氧氧体体磁磁性性材材料料可可分分为为软软磁磁铁铁氧氧体体、硬硬磁铁氧体、旋磁铁氧休、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等五种磁铁氧体、旋磁铁氧休、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等五种8l 软软磁磁铁铁氧氧体体如如锰锰锌锌铁铁氧氧体体和和镍镍锌锌铁铁氧氧体体等等，这这种种铁铁氧氧体体在在较较弱弱的的磁磁场场作作用用下下易易磁磁化化，也也易易退退磁磁化化，主主要要用用作作各各种种电电感感器器件件，如如滤滤波波器器磁磁芯芯、变压器磁芯、天线磁芯、偏转磁芯以及多路通信等的记录磁头的磁芯变压器磁芯、天线磁芯、偏转磁芯以及多路通信等的记录磁头的磁芯l 钡钡铁铁氧氧体体等等硬硬磁磁铁铁氧氧体体(又又称称永永磁磁铁铁氧氧体体)主主要要用用于于电电信信器器件件中中的的录录音器、微音器、拾音器、电话机以及各种仪表中的磁铁等。音器、微音器、拾音器、电话机以及各种仪表中的磁铁等。l 旋旋磁磁铁铁氧氧体体，又又称称微微波波铁铁氧氧体体，如如镁镁锰锰铁铁氧氧体体、钇钇铁铁石石榴榴石石铁铁氧氧体体等主要用于雷达、通信、导航、退测、遥控等电子设备等主要用于雷达、通信、导航、退测、遥控等电子设备l 矩矩磁磁铁铁氧氧体体是是指指具具有有矩矩形形磁磁滞滞回回线线的的铁铁氧氧体体，如如：镁镁锰锰铁铁氧氧体体和和锂锂锰锰铁铁氧氧体体等等，这这种种材材料料主主要要用用作作各各种种类类型型电电子子计计算算机机的的存存储储磁磁芯芯、在在自自动控制、雷达导航、宇宙航行、信息处理等方面也得到不少的应用动控制、雷达导航、宇宙航行、信息处理等方面也得到不少的应用l 压压磁磁铁铁氧氧体体是是指指磁磁化化时时能能在在磁磁场场方方向向作作机机械械伸伸长长成成缩缩短短，即即有有磁磁致致仲仲缩缩现现象象，如如：镍镍锌锌铁铁氧氧体体、镍镍铜铜铁铁氧氧体体等等，这这种种材材料料主主要要用用于于超超声声、水声、磁声、电信、水下电视、电子计算机和自动控制等器件水声、磁声、电信、水下电视、电子计算机和自动控制等器件9l10.5. 光学晶体材料光学晶体材料l 晶晶体体在在光光学学仪仪器器中中的的主主要要应应用用是是制制作作光光学学元元件件，光光学学元元件件的的种种类类繁繁多多，其其范范围围是是从从早早巳巳采采用用的的透透镜镜、棱棱镜镜等等光光学学元元件件开开始始到到以以光光电电子子学为基础的半导体激光器、光电二极管以及集成光路等学为基础的半导体激光器、光电二极管以及集成光路等l 光光学学元元件件若若按按照照其其功功能能进进行行分分类类时时则则可可分分为为有有源源光光学学元元件件和和无无源源光学元件两大类：光学元件两大类：l 有有源源光光学学元元件件又又分分为为如如下下几几种种：发发光光元元件件，如如：半半导导体体激激光光器器、团团体体激激光光器器等等；光光接接收收元元件件如如：光光电电二二极极管管、光光导导摄摄象象管管等等；光光控控制制元元件件，如如：光光调调制制元元件件、光光偏偏振振元元件件、光光开开关关等等；复复合合功功能能元元件件如：集成光路等如：集成光路等l 无无源源光光学学元元件件又又分分为为下下述述三三种种：光光传传输输元元件件，如如：滤滤波波器器、偏偏振振光光元元件件、透透镜镜效效率率元元件件等等；复复合合结结构构元元件件，如如：光光可可逆逆元元件件等等；感感光光材料元件，如：可逆的或不可逆的感光材料等材料元件，如：可逆的或不可逆的感光材料等10l10.5.1.普通光学晶体普通光学晶体l 晶晶体体在在光光学学仪仪器器中中的的应应用用，最最早早是是利利用用天天然然晶晶体体，诸诸如如：萤萤石石(CaF2)、天天然然水水晶晶( SiO2)、金金红红石石(Ti02)、方方解解石石(CaC03)和和天天然然云云母母等等来来制制作作棱棱镜镜、透透镜镜、窗窗口口、偏偏振振片片和和补补偿偿镜镜等等，但但是是符符合合仪仪器器所所要要求求的的透透过过率率、均均匀匀性性与与足足够够大大尺尺寸寸的的天天然然光光学学晶晶体体却却是是比比较较少少见见的的因因此此，当当前前所所使使用用的的光光学学晶晶体体大大多多数数是是依依赖赖于于人人工工晶晶体体晶晶体体较较非非易易态态玻玻璃璃的的主主要要优优点点是是：晶晶体体的的物物理理化化学学性性能能及及其其使使用用特特性性的的多多样样性性、晶晶体体的的折折射射率率和和色色散散变变化化比比玻玻璃璃强强得得多多、单单晶晶具具有有双双折折射射、高高熔熔点和各向异性等特性点和各向异性等特性11l10.5.2. 激光晶体激光晶体l 当前应用最多的激光晶体仍然是掺钕钇铝石榴石当前应用最多的激光晶体仍然是掺钕钇铝石榴石(Nd3+lY3A15O12, 即即Nd3+YAG)晶晶体体，最最早早掺掺钕钕铝铝酸酸钇钇纪纪(Nd3+YAl03)晶晶体等体等l 近近年年来来，固固体体激激光光技技术术发发展展的的主主要要趋趋势势表表现现在在材材料料研研究究的的多多样样化化上上 固固体体激激光光波波长长已已延延伸伸到到真真空空紫紫外外 m)至至中中红红外外(4.7 m)波波段段 当当前，随着激光技术的发展，固体激光器的种类愈来愈多，诸前，随着激光技术的发展，固体激光器的种类愈来愈多，诸l如如：普普通通脉脉冲冲激激光光器器、连连续续激激光光器器、电电光光或或声声光光调调Q脉脉冲冲激激光光器器、连连续续泵浦声光调泵浦声光调Q激光器、高频倍频激光器、锁模激光器以及固体激光器、高频倍频激光器、锁模激光器以及固体l可调谐激光器。可调谐激光器。12l 固固体体激激光光器器在在工工农农业业方方面面的的应应用用有有如如：材材料料的的加加工工，其其中中包包括括打打孔、焊接、切割、划片、电阻器微调；激光热处理或退火，其中包孔、焊接、切割、划片、电阻器微调；激光热处理或退火，其中包l括括半半导导体体快快速速生生长长与与掺掺杂杂；以以及及利利用用激激光光化化学学法法制制作作微微电电子子器器件件等等；激光育种和桑蚕诱发等激光育种和桑蚕诱发等l 固体激光器在自然科学方面的应用，如：激光光谱学对研究固体激光器在自然科学方面的应用，如：激光光谱学对研究l物质结构、固体物理等方面产生了深刻的影响；在光电子学领域物质结构、固体物理等方面产生了深刻的影响；在光电子学领域l中激光通信、激光电视、激光雷达和激光制导等均已取得了很大中激光通信、激光电视、激光雷达和激光制导等均已取得了很大l的进展激光器也给化学带来了深刻的影响，如：激光催化、激光的进展激光器也给化学带来了深刻的影响，如：激光催化、激光l分离同位素和多光子化学等分离同位素和多光子化学等13l 固固体体激激光光器器在在医医疗疗方方面面的的应应用用更更为为显显著著激激光光在在医医疗疗上上的的应应用用主主要要是是基基于于激激光光束束对对生生物物体体的的基基本本效效应应如如：激激光光的的热热效效应应、光光效效应应、压力效应和电磁效应等，利用这些效应，在眼科、外科和防治压力效应和电磁效应等，利用这些效应，在眼科、外科和防治l肿瘤等方面，均巳取得实际的应用，如：在医疗上可用于开刀、气肿瘤等方面，均巳取得实际的应用，如：在医疗上可用于开刀、气l化、烧灼、凝固、止血、照射和诊断等方面的应用化、烧灼、凝固、止血、照射和诊断等方面的应用l 固固体体激激光光器器在在军军事事上上的的应应用用更更是是具具有有无无比比的的潜潜力力和和威威力力，已已应应用于激光测炬、激光雷达、激光侦察、激光制导和激光武器等方面用于激光测炬、激光雷达、激光侦察、激光制导和激光武器等方面14l10.6.电光、声光和倍频晶体电光、声光和倍频晶体l 由由于于固固体体激激光光器器的的问问世世和和激激光光技技术术的的发发展展，光光辐辐射射控控制制装装置置有有着着广广泛泛的的应应用用，例例如如：利利用用电电光光调调制制器器可可以以调调制制激激光光的的强强度度电电光光快快门门与与激激光光器器组组合合成成Q开开关关激激光光器器电电光光快快门门与与双双折折射射晶晶体体配配合合，可可制制成成数数字字偏偏转转器器利利用用品品体体的的电电光光效效应应可可制制成成偏偏振振光光束束连连续续偏偏转转器器等等 常常用用的的电电光光晶晶体体有有磷磷酸酸二二氢氢钾钾(KD2P04)、碘碘酸酸锂锂(LiIO3)、钽钽酸酸锂锂(LiTaO3)等晶体。等晶体。l 利用晶体的弹光效应，可制成声光调制器、声光偏转器、声光利用晶体的弹光效应，可制成声光调制器、声光偏转器、声光lQ 开开关关和和声声光光可可调调滤滤光光器器等等常常用用的的声声光光晶晶体体有有锗锗酸酸铋铋和和二二氧氧化化碲碲等等15l 自自从从1961年年首首先先观观察察到到晶晶体体的的二二次次谐谐波波产产生生以以来来，在在非非线线性性光光学学领领域域中中产产生生了了一一次次飞飞跃跃，将将 m的的脉脉冲冲激激光光器器作作为为光光源源，可可产产生生从从200 m到到4000 m的光谱区，而且基本上为连续方式的的光谱区，而且基本上为连续方式的 l 用用砷砷酸酸二二氘氘铯铯或或磷磷酸酸二二氢氢钾钾倍倍频频导导体体，产产生生的的二二次次谐谐波波的的转转换换效效率率高高达达50%左左右右这这个个绿绿光光在在磷磷酸酸二二氢氢钾钾(KDP)晶晶体体中中再再次次倍倍频频或或者者在在砷砷酸酸二二氘氘铯铯晶晶体体中中混混额额，可可产产生生三三次次倍倍频频光光，这这两两个个过过程程的的转转换换效效率率均均约约为为25%左左右右，这这些些晶晶体体也也是是目目前前在在紫紫外外光光方方向向上上透透过过率率较较好好的的晶晶体体l 根根据据有有关关报报道道，磷磷酸酸钛钛氧氧钾钾(KTiOPO4)晶晶体体是是迄迄今今性性能能最最为为全全面面优优异异的的新新型型非非线线性性光光学学晶晶体体经经全全面面性性能能鉴鉴定定后后确确认认，我我国国首首先先研研制制成成功功的的低低温温相相偏偏硼硼酸酸钡钡( BaB2O4)也也是是一一种种性性能能极极为为优优异异的的非非线线性性光光学晶体学晶体16l10.7.超硬晶体材料超硬晶体材料l 我国自六十年代以来，人造金刚石已经得到很大的发展，现已我国自六十年代以来，人造金刚石已经得到很大的发展，现已l由实验室逐步地走向工业化生产金刚石具有优异的力学、热学、由实验室逐步地走向工业化生产金刚石具有优异的力学、热学、l光光学学、声声学学和和半半导导体体等等性性能能金金刚刚石石是是发发展展工工业业、农农业业、国国防防和和现现代代科学技术的重要的超硬材料，在自然界的物质中，它的硬度最高科学技术的重要的超硬材料，在自然界的物质中，它的硬度最高l 单晶金刚石可以用来制作表镶钻头、砂轮修正笔、硬度计的压单晶金刚石可以用来制作表镶钻头、砂轮修正笔、硬度计的压l硬硬头头、车车刀刀、拉拉丝丝模模和和航航空空仪仪表表的的抗抗震震文文承承轴轴等等宝宝石石级级单单晶晶金金刚刚石石可用来制作激光器窗口和热沉以及鬼重的装饰品等可用来制作激光器窗口和热沉以及鬼重的装饰品等l 多多晶晶金金刚刚石石可可用用来来制制作作加加工工工工具具、磨磨料料和和抛抛光光粉粉等等金金刚刚石石加加工工工工具具，品品种种繁繁多多，其其中中包包括括切切割割、铣铣磨磨和和钻钻孔孔等等金金刚刚石石加加工工工工具具的的应应用用范范围围很很广广，例例如如：在在非非金金属属材材料料方方面面的的大大理理石石、花花岗岗岩岩、玻玻璃璃、各各种种耐耐火火材材料料，玻玻璃璃钢钢、陶陶瓷瓷、铸铸石石和和建建筑筑材材料料加加工工等等，经经济济效效果果与与社会效益显著，潜力很大。社会效益显著，潜力很大。17l10.8.敏感晶体材料敏感晶体材料l 实实际际晶晶体体之之所所以以具具有有敏敏感感性性能能，其其本本质质在在于于它它不不具具有有理理想想完完整整的的点点阵阵结结构构，而而是是存存在在着着晶晶体体结结构构缺缺陷陷晶晶体体结结构构缺缺陷陷的的基基础础为为其其秩秩序序井井然然的的点点阵阵结结构构，晶晶体体若若具具有有无无序序的的结结构构，那那也也就就无无所所谓谓结结构构缺缺陷陷晶晶体体结结构构缺缺陷陷的的发发生生与与变变化化是是以以其其所所具具有有的的基基质质结结构构为为基基础础，各各种种晶晶体体结结构构缺缺陷陷的的性性质质、数数量量和和分分布布状状态态以以及及缺缺陷陷间间的的相相互互作作用用，造造成成了了晶晶体体的的宏宏观观物物理理性性质质的的差差异异，这这就就是是晶晶体体结结构构敏敏感感性性能能的的来来源源，因因此此，晶晶体体结结构构缺缺陷陷显显然然是是理想完整晶体的敏感性能的关键所在理想完整晶体的敏感性能的关键所在18l 晶晶体体结结构构敏敏感感性性能能表表现现在在各各个个方方面面，诸诸如如：热热敏敏、气气敏敏、湿湿敏敏、光光敏敏、压压敏敏、磁磁敏敏、放放射射线线敏敏和和化化学学敏敏等等。晶晶体体敏敏感感性性能能的的应应用用是是用用来来制制作作敏敏感感器器件件的的近近几几年年来来，关关于于敏敏感感器器件件的的研研制制工工作作已已有有很很多多报报道道，它它是是电电子子工工业业生生产产技技术术中中重重要要的的一一大大类类电电子子器器件件敏敏感感器器件件按按其其功功能能进进行行分分类类时时，可可分分为为气气体体敏敏感感器器、湿湿度度敏敏感感器器、压压敏敏感感器器、光光敏敏感感器器、力力敏敏感感器器、热热敏敏感感器器、电子敏感器、放射线敏感器和磁敏器件电子敏感器、放射线敏感器和磁敏器件19l10.9. 生体功能材料生体功能材料l 生体功能材料包括高分子功能材料、无机非金属晶体功能材生体功能材料包括高分子功能材料、无机非金属晶体功能材l料、金属晶体功能材料、复合材料以及生物活性材料等例如：生料、金属晶体功能材料、复合材料以及生物活性材料等例如：生l物陶瓷多晶材料已广泛地应用于人造牙齿、人造骨能、人造关节、物陶瓷多晶材料已广泛地应用于人造牙齿、人造骨能、人造关节、l人造心脏瓣膜、人造眼睛等方面人造心脏瓣膜、人造眼睛等方面20