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人工晶体的种类和应用
作者:jzkegd  来源:本站  发表时间:2017-11-6 14:57:53  点击:742
 

人工晶体的种类和应用

 

人工晶体是人类根据结晶物质的物理化学特性,是在认识并掌握了?#35805;?#26230;体的生长规律与生长习性的基础上,运用人类创建的众多单晶生长技术或方法以及生长设备而生成或合成出的。除自然界存在的全部晶体外,还能制备出自然界不存在的、符合人类意愿的并具有重大应用价值的新型晶体结构。如何使晶体生长成优质大尺寸晶体,这始终是晶体生长工作者的中心研究课题,其中有生长设备、生长工艺、生长环境条件、生长技术和生长规律等问题,所涉及的问题甚多,需要精益求精地进行研究,最终才能得到丰硕的研究成果。按功能来分,晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、?#20102;?#26230;体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中重要的几种。


1. 半导体晶体
    
半导体晶体?#21069;?#23548;体工业的主要基础材料, 从应用的广泛性和重要性来看, 它在晶体中占有头等重要的地位。半导体的电阻?#35782;?#20854;杂质含量、环境温度以及光照等外界条件有非常高的灵敏度。由于半导体晶体具有这种特殊的光电性质,使其成为一类具有广阔应用前景的新型电子材料,成为当今发展微电子、光电子工业的核心材料。半导体晶体具有以上奇异的导电和光电特?#26434;?#20854;特殊的电子能带结构有光。

第一代半导体晶体是锗( Ge) 单晶和硅单晶 (Si) 。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅?#25353;?#21151;?#20351;?#31561;器件, 在无线电子工业上有着 极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从?#35805;?#25324;十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路, 从而极大地促进了电子产品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 同时又降低了成本, 进而促进了集成电路在空间研究、?#23435;?#22120;、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。目前, 除了向大?#26412;丁?#39640;纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外, 人们又研究了第二代半导体晶体——族化合物, (CaAs) 、磷化镓( GaP) 等单晶。近来, 为了满足?#24895;?#39640;性能的需求,已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。在半导体晶体材料中, 特别值得一提的是氮化镓( GaN) 晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3. 4eV) , 因而是蓝绿光发光二级管(LED) 、激光二极管(LD) 及高功?#22987;?#25104;电路的理想材料,近年来在全世界范围内掀起了研究热潮, 成为炙手可热的研究焦点。

 

 
2. 激光晶体
    固体激光器是目前使用最多的激光器之一,绝大多数固体激光器核心是晶体材料,称之为激光晶体。激光晶体可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为激光输出。已获得有激光输出的晶体有数百种以上,但真正成为激光工作物质的主要有红宝石(Al2O3Cr)、钇铝石榴石,对激光晶体的研究主要是向波长可调?#22330;?#39640;效率和大功率、多功能的方向发展。近年来, 由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、?#38023;怠?#21442;量振荡等技术的发展, 利用激光晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区,并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域。


3. 非线性光学晶体
   
光通过晶体进行传播时, 会引起晶体的电极化。当光强不太大时, 晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系, 其非线性关系可以被忽略; 但是, 当光强很大时, 如激光通过晶体进行传播时, 电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略, 这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应, 具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。非线性光学晶体与激光紧密相连, 是实现激光的频?#39318;?#25442;、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限, 从紫外到红外谱区, 尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体, 可将激光晶体直?#37038;?#20986;的激光转换成新波段的激光, 从而开辟新的激光光源, 拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α - Li IO3) 、铌酸锂、铌酸钾晶体。

 

4. 压电晶体
   
当晶体受到外力作用时, 晶体会发生极化, 并?#32428;?#34920;面电荷, 这种现象称为正压电效应; 反之, 当晶体受到外加电场作用时, 晶体会产生形变, 这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体,它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶(α- SiO2) 。它具有频率稳定的特性, 是一种理想的压电材料, 可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还?#36824;?#27867;地应用于人们的日常生活中, 如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。 近年来, 人们又研制出许多新的压电晶体,铌酸锂(LiNbO3) 、钽酸锂(LiTaO3)钽酸钾( KTaO3) ,利用这些晶体的压电效应,可制成各种器件, 广泛地用于军事上和民用工业, 如血压计、呼吸心音测定器、压电键盘、延迟线、振荡器、放大器、压电泵、超声换能器、压电变压器等。


5. ?#20102;?#26230;体

   ?#20102;?#26230;体是一类在高能射线(r射线、X射线)或原子核离子作用下能产生荧光的晶体材料,随着作用于发光晶体的射线强度不同,有时发光是不连续的闪光,具有发闪光的晶体,称为?#20102;?#26230;体。最早得到应用的?#20102;?#26230;体是掺铊碘化钠(Tl :NaI) 晶体。该晶体的发光波长在可见光区,?#20102;?#25928;率高, 又易于生长大尺寸单晶, 在核科学和核工业?#31995;玫焦?#27867;的应用。20 世纪80 年代初, 我国生长了大尺寸锗酸铋(Bi 4Ge 3O12) 单晶。利用?#20102;?#26230;体制成的辐射探测器,?#21387;?#27867;地用于高能物理、?#23435;?#29702;、空间物理、医学、工业检测和地质勘探等领域。

 

6. 声光晶体

     当光波和声波同时射到晶体上时, 声波和光波之间将会产生相互作用, 从而可用于控制光束, 如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等, 这种晶体称为声光晶体, 如钼酸铅( PbMoO4) 、二氧化碲(TeO2) 等。利用这些晶体,人们可制成各种声光器件, 如声光偏转器、声光调Q 开关、声表面波器件等, 从而把这些晶体广泛地用于映像、扫描、计量学、光谱学以及光纤通讯技术等领域。

 

 

7. 电光晶体
   
在外加电场作用下折射率发生变化,从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光,并产生一根位差效应的晶体。使用于激光的调制和偏振,常用的电光晶体有铌酸锂(LiNbO3) 、钽酸锂(LiTaO3)以及磷酸二氢钾(KDP)类晶体。

 

8. 光折变晶体
   
光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, ?#32428;?#25240;射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3) 、铌酸?#32570;?/SPAN>(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋(Bi 12SiO20) 等晶体。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。

 

 

9.  热释电晶体  

     在温度变化时,某些晶体由于结构上非对称性,能在某一结晶学方向上引起正负电荷重心的相对位移,改变其自发极化状态,从而使该方向两边产生数量相等、符号相反的束缚电荷。具有这种性质的晶体称为热释电晶体。发现的热释电晶体中,目前认为比较有前途的是硫酸?#20351;?#27688;酸(TGS)、铌酸?#32570;擔?/SPAN>SBN)、硫酸锂(LSH)和钽酸锂(LiTaO3)晶体等。利用晶体的热释电效应,可以制成红外热释电探测器,红外热释电摄像管等,广泛应用于大气温度测量、红外探测、红外报警器、夜?#21491;恰?#32418;外预警卫星等各个领域。
   
随着人们对晶体认识的不断深入, 晶体研究的方向也逐步地发生着变化, 其总的发展趋势是: 从晶态转向非晶态; 从体单晶转向薄膜晶体; 从通常的晶格转向超晶格; 从单一功能转向多功能; 从体性?#39318;?#21521;表面性质;从无机扩展到有机,等等。此外, 鉴于充分认识到晶体结构性能关系的重要性, 人们已经开始利用分子设计来探索各种新型晶体。而且, 随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展, 人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信, 在不久的将来, 晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来?#28966;恪?/SPAN>
   
总之,晶体不仅是美丽的,而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容, 是人类宝贵的财富。但迄今为止, 人们?#36816;?#30340;认识犹如冰山之一角, 还有许多未知领域等待着我们去探索。

 

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