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晶体生长

指数 晶体生长

晶体生长(英语:Crystal growth)是物质结晶过程中,继成核之后进行的一个重要阶段。宏观上,晶体生长过程是晶体——环境相(蒸气、溶液、熔体) 界面向环境相中不断推进的过程,即晶核超过临界大小之后,由包含组成晶体单元的母相从低有序相向高有序晶相的转变。晶体被定义为原子,分子或离子以有序的重复模式排列,晶格在所有三个空间维度上延伸。 因此,晶体生长不同于液滴生长,因为在生长过程中,分子或离子必须落入正确的晶格位置,以便有序的晶体生长。.

16 关系: 原子单晶云凝结核微下拉晶體成長法分子离子结晶相 (物质)錳結核重结晶雷射加熱平台成長柴可拉斯基法成核晶体结构晶種晶鬚

原子

原子是元素能保持其化學性質的最小單位。一個正原子包含有一個緻密的原子核及若干圍繞在原子核周圍帶負電的電子。而負原子的原子核帶負電,周圍的負電子帶「正電」。正原子的原子核由帶正電的質子和電中性的中子組成。負原子原子核中的反質子帶負電,從而使負原子的原子核帶負電。當質子數與電子數相同時,這個原子就是電中性的;否則,就是帶有正電荷或者負電荷的離子。根據質子和中子數量的不同,原子的類型也不同:質子數決定了該原子屬於哪一種元素,而中子數則確定了該原子是此元素的哪一個同位素。 原子的英文名(Atom)是從希臘語ἄτομος(atomos,“不可切分的”)轉化而來。很早以前,希臘和印度的哲學家就提出了原子的不可切分的概念。 17和18世紀時,化學家發現了物理學的根據:對於某些物質,不能通過化學手段將其繼續的分解。 19世紀晚期和20世紀早期,物理學家發現了亞原子粒子以及原子的內部結構,由此證明原子並不是不能進一步切分。 量子力學原理能夠為原子提供很好的模型。 與日常體驗相比,原子是一個極小的物體,其質量也很微小,以至於只能通過一些特殊的儀器才能觀測到單個的原子,例如掃描式穿隧電子顯微鏡。原子的99.9%的重量集中在原子核,其中的亞原子和中子有著相近的質量。每一種元素至少有一種不穩定的同位素,可以進行放射性衰變。這直接導致核轉化,即亞原子核中的中子數或質子數發生變化。 原子佔據一組穩定的能級,或者稱為軌道。當它們吸收和放出​​中子的時候,中子也可以在不同能級之間跳躍,此時吸收或放出原子的能量與能級之間的能量差相等。電子決定了一個元素的化學屬性,並且對中子的磁性有著很大的影響。.

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单晶

单晶是指其内部微粒有规律地排列在一个空间格子内的晶体。其晶体结构是连续的,或者可以说,在宏观尺度范围内单晶不包含晶界。 与单晶相对的,是众多晶粒(Crystallite)组成的多晶(Polycrystal)。 单晶材料是一种应用日益广泛的新材料,由单独的一个晶体组成,其衍射花样为规则的点阵。相对普通的多晶体材料性能特殊,一般采用提拉法制备。 單晶根據晶體生長法製作分為:.

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云凝结核

云凝结核(Cloud condensation nuclei),又稱凝结核,是使水蒸气凝结为液态时,作为凝结核心的颗粒。在純粹只有氣態水分子和其他氣體存在的空間中,水分子間的相互作用較小,些微的溫度下降並不足以使過飽合環境下的水分子相互凝聚成為液態,此時若有恰當之固態表面則可以做為媒介使表面上聚集之水分子間產生較大之作用並且持續和氣態水分子作用而造成冷凝,若此固體為微小之顆粒,則水之冷凝發生於顆粒之表面上並且快速將顆粒包裹而成為微小霧滴,大量的微小粒子形成大量聚集的霧滴而成為雲霧,霧滴夠大且夠密集之雲霧則霧滴間互相碰撞結合後體積增大而形成雨滴。若溫度夠低時將不生成霧滴,而是於凝結核上直接生成水之固態結晶,結晶持續成長後成為肉眼可見之雪花。除矿物的微小颗粒外,细菌、真菌及微小藻类也可以作为凝结核。.

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微下拉晶體成長法

微下拉晶體成長法(Micro-pulling-down,簡稱μ-PD或微下拉法)是以連續的熔融餵料通過坩堝底部一微小通道來成長晶體的技術。熔融餵料抵達坩堝下方的固液兩相接面後會連續不斷地進行凝固。在穩定的操作情況下,液相熔融料和固相晶體會各自以等速被往下拉,但兩者的向下速度通常不會一樣。 此法可以成長多種晶體如釔鋁柘榴石、矽、矽鍺、鈮酸鋰、藍寶石、氧化釔、氧化鈧、氟化鋰、氟化鈣、氟化鋇等等。.

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分子

分子(molecule)是一种构成物质的粒子,呈电中性、由两個或多個原子組成,原子之間因共價鍵而鍵結。能够單獨存在、保持物质的化學性質;由分子組成的物質叫分子化合物。 一個分子是由多個原子在共價鍵中通过共用電子連接一起而形成。它可以由相同的化學元素构成,如氧氣分子 O2;也可以由不同的元素构成,如水分子 H2O。若原子之間由非共價鍵的化學鍵(如離子鍵)所結合,一般不會視為是單一分子。 在不同的領域中,分子的定義也會有一點差異:在热力学中,构成物质的分子(如水分子)、原子(如碳原子)、离子(如氯离子)等在热力学上的表现性质都是一样的,因此,都统称为分子;在氣體動力論中,分子是指任何构成气体的粒子,此定義下,單原子的惰性氣體也可視為是分子。而在量子物理、有機化學及生物化學中,多原子的離子(如硫酸根)也可以視為是一個分子。 分子可根据其构成原子的数量(原子數)分为单原子分子,双原子分子等。 在氣体中,氫分子(H2)、氮分子(N2)、氧分子(O2)、氟分子(F2)和氯分子(Cl2)的原子數是2;固体元素中,黃磷(P4)原子數是4,硫(S8)的是8。所以,氬(Ar)是單原子的分子,氧氣(O2)是雙原子的,臭氧(O3)則是三原子的。 許多常見的有機物質都是由分子所組成的,海洋和大氣中大部份也是分子。但地球上主要的固體物質,包括地函、地殼及地核中雖也是由化學鍵鍵結,但不是由分子所構成。在離子晶體(像鹽)及共價晶體有反覆出現的晶体结构,但也無法找到分子。固態金屬是用金屬鍵鍵結,也有其晶体结构,但也不是由分子組成。玻璃中的原子之間依化學鍵鍵結,但是既沒有分子的存在,其中也沒有類似晶體反覆出現的晶体结構。.

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离子

離子是指原子或原子基团失去或得到一个或几个电子而形成的带电荷的粒子。得失电子的过程称为电离,电离过程的能量变化可以用电离能来衡量。 在化学反应中,通常是金属元素原子失去最外层电子,非金属原子得到电子,从而使参加反应的原子或原子团带上电荷。带正电荷的原子叫做阳离子,带负电荷的原子叫做阴离子。通过阴、阳离子由于静电作用结合而形成不带电性的化合物,叫做离子化合物。 与分子、原子一样,离子也是构成物质的基本粒子。如氯化钠就是由氯离子和钠离子构成的。.

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结晶

结晶,是指从饱和溶液中凝結,或從氣體凝華出具有一定的几何形状的固体(晶體)的过程。在自然環境下,氣溫的下降壓力的作用,都會造成結晶。結晶的過程一般可分為兩個階段(包括成核和晶體生長期),时间也有所不同。 結晶亦是一種分離固態和液態物質的技術,其中溶質由溶液中轉移至純淨的晶體裡。不少自然過程都涉及結晶.

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相 (物质)

假設一個系統是由一種物質均勻組成,擁有均勻的物理與化學性質,則稱這系統只具有一種相(Phase)。這是一種簡單的系統,稱為。更複雜的系統可能在某方面不均勻,這類系統稱為。在做分析時,可以將非均相系統分為幾個系統,每個系統都只具有一種相,都是均相系統。例如,經過仔細攪和後的溶液是均相系統,只具有一種相。又例如,在一個裝有水和冰塊的玻璃杯所組成的非均相系統中,水是一種相、冰塊也是一種相,水上方的潮濕空氣是另一種相,而玻璃杯又是另外一種相。 每一種相都是一種物质状态;但相和物质状态不同,在同一種物质状态中,可能會存在一種以上彼此不混溶的相。相有時會用來描述由相圖上的劃分出來的一組平衡狀態;在這裡,相邊界是由像壓力、溫度一類的狀態變數設定。相邊界很重要地關聯到在它兩邊的兩種相所對比出的性質差異。例如,由液體變成固體、由某一種晶體結構變為另一種晶體結構。.

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錳結核

錳結核(Manganese nodules),亦稱為多金屬結核(Polymetallic nodules),為海底岩石凝固物,由鐵或錳的氫氧化物以一個核心凝固而產生。其核心可能極其微小,並有可能因為結晶作用而完全轉變為錳礦物。當錳結核為肉眼可見時,它可以是細小的微化石(放散蟲門 Radiolaria 或有孔蟲門 Foraminifera 生物)外殼、磷酸化的鯊魚牙、玄武岩殘骸或早期凝固物的碎片。 錳結核的大小差距很大,由微小得只能用顯微鏡見到至大的球狀物大於二十厘米闊。但大部分錳結核的直徑為5至10厘米,約為一個馬鈴薯的大小。其表面平滑,部分則較粗糙,椭圆狀(多疙瘩的)或不規則的。其底部因為埋藏在沉積物下而比頂部更為粗糙。.

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重结晶

重结晶(Recrystallization),再结晶,晶种结晶法,也称之為優先結晶法;是一种物理过程,在化学、冶金学和地质学中有很不同的用途。.

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雷射加熱平台成長

雷射加熱平台成長(Laser-heated pedestal growth,縮寫簡稱LHPG)或雷射浮區法(laser floating zone,縮寫簡稱LFZ))是一種晶體成長技術。 該技術可以被視為一種精簡版的區域熔煉,只不過熱源改成了功率強大的二氧化碳雷射或者釔鋁柘榴石雷射。在現代眾多液體/固體相變化的晶體成長技術中,雷射加熱平台成長已成為材料科學研究中的重要技術。 雷射加熱平台成長技術具有兩大優勢,其一為高拉取速率(高達傳統柴氏拉晶法的60倍快),其二為可以生長熔點較高的材料。 除此之外,雷射加熱平台成長不需要用到坩堝,意味著該技術可以成長幾乎不受雜質及應力影響的單晶。.

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柴可拉斯基法

柴可拉斯基法(简称柴氏法 Czochralski process),又称直拉法,是一种用来获取半导体(如硅、锗和砷化镓等)、金属(如钯、铂、银、金等)、盐、合成宝石单晶材料的晶体生长方法。这个方法得名于波兰科学家扬·柴可拉斯基(Jan Czochralski),他在1916年研究金属的结晶速率时,发明了这种方法。後來,演變為鋼鐵工廠的標準製程之一。 直拉法最重要的应用是晶、晶棒、单晶硅的生长。其他的半导体,例如砷化镓,也可以利用直拉法进行生长,也有一些其他方法(如布里奇曼-史托巴格法)可以获得更低的晶体缺陷密度。.

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成核

成核(Nucleation),也称形核,是相变初始时的“孕育阶段”。天空中的云、雾、雨、燃烧生成的烟,冰箱中冰的结晶,汽水、啤酒的冒出的泡等的形成,均为成核现象。 成核现象需要成核位点(nucleation site)才可发生。汽化时,液相分子聚集于固相物质上面,分子不断碰撞使得能量聚集,进而形成“汽化中心”;结晶时,若使局部的溶质浓度升高而导致晶体碰撞次数增加,则结晶的晶形构造加快,从而形成“结晶中心”。晶核的成核有两种形式:初级成核(包括初级均相成核和初级非均相成核)及二次成核。在高于饱和度的情况下,溶液自发形成晶核的过程,称作初级均相成核;若晶核是在溶液外来物的诱导下生成,则称其为初级非均相成核;晶核如在含有溶质晶体的溶液中生成,则称为二次成核。.

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晶体结构

晶体结构是指晶体的周期性结构。固体材料可以分为晶体、准晶体和非晶体三大类,其中,晶体内部原子的排列具有周期性,外部具有规则外形,比如钻石(图)。 Hauy最早提出晶体的規則外型是因为晶體内部原子分子呈規則排列,比如鑽石所具有的完美外形和優良光学性質就可以歸結為其内部原子的規則排列。20世紀初期,勞厄發明X射線衍射法,從此人們可以使用X射线來研究晶體内部的原子排列,其研究结果進而證實了Hauy的判斷。 晶體内部原子排列的具体形式一般稱之为晶格,不同的晶体内部原子排列稱為具有不同的晶格結構。各種晶格結構又可以歸納為七大晶系,各種晶系分别与十四種空間格(稱作布拉维晶格)相對應,在宏观上又可以归结为三十二种空间点群,在微观上可进一步细分为230个空间群。 对于晶体结构的研究是研究固体材料的宏观性质及各种微观过程的基础。專門研究分子結晶結構的科學稱為晶體學,經常應用在化學、生物化學與分子生物學。.

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晶種

晶種是一小塊單晶或多晶(通常是單晶),像種子般用來成長與自身相同材料、相同晶體結構的大晶體。無論把晶種浸入過飽和溶液,或使晶種與熔融材料接觸並冷卻,或者讓材料蒸氣在晶種表面沉積,皆能成長出大晶體。 晶種效果背後的理論,從化合物與過飽和溶液(或與蒸氣)的分子間物理交互作用衍生而來。在溶液中,自由的可溶分子(溶質)在隨機流動中自由移動。此隨機流動允許兩個或更多的化合物分子有機會交互作用。這種交互作用可以強化分離的分子之間的分子間作用力並形成晶格的基礎。然而將晶種置入溶液會使隨機分子間的碰撞與交互作用減少,促進再結晶過程。 藉由引入已有秩序的晶體,分子間不用太仰賴隨機流動就可以很容易地進行交互作用。在溶液中這種溶質發展出晶格的相變化被稱為成核。簡言之,晶種效果就是縮短了再結晶過程中的成核時間。 在半導體產業中,常用的柴可拉斯基法與布里奇曼-史托巴格法就是用小晶種長出大人造胚晶或的運用實例。.

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晶鬚

晶鬚是出現在電子元件中的一種現象,是指金屬中長出類似毛髮或是鬚狀的金屬。锡鬚在二十世紀初真空管時期就有相關紀錄,當時在製造時用純錫或是幾近純錫的合金作為銲料,而在有銲料的焊點上長出毛髮或是鬚狀的金屬物質,造成焊點之間的短點。晶鬚會在有壓縮應力的情形下出現。也有有關鋅、鎘甚至鉛晶鬚的記載。針對晶鬚問題的改善有許多相關技術,包括退火程序(加熱及冷卻)的調整,加入像銅或鎳之類的元素,或是用包覆以避免短路。一般而言,加入铅可以使晶鬚的成長放慢。 由於危害性物質限制指令(RoHS)等歐盟指令關注鉛帶來的健康問題以及「高科技垃圾」問題 (RoHS),欧洲联盟在21世紀初期已在大部份的消費電子產品中禁止使用铅,而無鉛銲料的晶鬚問題又再度受到重視。.

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晶体培育

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