第十章 晶体的应用.ppt

1、晶体材料的应用晶体能够实现电、磁、光、声和力等相互作用和转换，是现代科学技术发展不可或缺的重要材料。 天然晶体在品种、质量和数量等方面远远不能满足现代科技发展的需要，促进了人工晶体的发展。 特别是随着固体微电子学日新月异的发展，半导体晶体、电介质晶体、光学晶体、硬质合金晶体、绝缘晶体及各种敏感晶体材料等多种晶体材料更为必要。 它与空间、电子、激光、红外线、新能源开发等新技术密切相关。 因此，晶体材料对现代科学技术的发展起着重要的推动作用。 2，2，10.1 .半导体晶体半导体在人工晶体中占有最重要的地位，现在已经形成了独立的分支学科。 半导体工业的发展来源于半导体单晶材料，它是微电子技术、光电子技术的主要基础材料。 50年代初通过提拉法生长锗(Ge )单晶、硅(si )单晶，然后发展锗(Ge )区域纯化技术和硅(si )无坩埚区域纯化技术，成功生长高纯度锗、硅单晶，大大推动了半导体器件的发展。 近年来，对iii-v族半导体晶体材料也感兴趣，因为iii-v族半导体晶体材料满足多种性能要求，主要用于高速信号处理、通信、传感、显示及其他方面. 由金属-半导体场效应晶体管、结型场效应晶体管、双极晶体管、肖特基二极管、发光二极管、光电检测器、光波导、声表面混浊和其他功能器件的各种组合元件构成的集成电路不断被探索、发展和应用。 典型的有砷化镓(GeAs )单晶、氮化镓(GaN )单晶等。 4，4，10.2 .压电晶体材料石英具有稳定频率的特性，是理想的压电晶体材料，广泛应用于谐振器、滤波器、换能器、声表面波器件等的制作。 80年代的今天，随着电子技术的需求，人工水晶的研究和发展得到了很大的促进，其产量也大幅度增加。近年来，钙钛矿型结构铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTa03 )、铌酸钾(KNbO3)、钽酸钾(KTa03 )等结晶与钨青铜型结构的铌酸铅钡(SBN )、铌酸钡钠和铌酸钾锂(KLiNbO3)等晶体，以及层状结构的钛酸铋和锗酸铋等晶体被大量开发的压电晶体的器件，从军用到民间各种各样，例如振动速度计、血压计、呼吸心音测定器、压电按钮和流体监视器等， 利用晶体逆压电效应滤波器、放大器、压电键盘等压电振子的伸缩性能，可制造位移发生器、压电继电器、压电毛细管注射器、压电泵、压电阀等。 在压电装置中，发展迅速、使用最多的是超声波换能器，该超声波换能器可以构成军队在水中的收发、民间在超声波医疗、探伤、清洗、乳化等中使用的压电陀螺仪、线性加速度计、压电变压器等具有特殊功能的压电装置。 6、6、6,10.3 .热电晶体管材料在60年代中期相继出现了热敏系统的热电传感器。 使用的结晶材料是硫酸三甘肽(TGS )结晶体系。 硫酸甘油三肽晶体系是目前国内外研究最多的热电晶体管。 到了70年代，性能良好的铌酸锂、钽酸锂、钛酸铅、锗酸铅等热电晶体管相继出现，7、掺杂TGS和钽酸锂晶体的2种热电传感器的应用范围在国内逐渐普及，例如，将这2种传感器作为红外线分光光度计的接受红外光谱测量系统、傅立叶分光器接收器、远红外激光测量器、辐射功率缩放、激光通信中的接收器、红外测温等。 在国外，各种类型的热释电红外传感器广泛应用于国防、医疗、工业、家电等领域，例如入侵报警、火灾报警、非接触测温、温度异常控制、烹调控制温和的高级玩具等，8、8、8,10.4 .磁性晶体材料磁性材料可分为金属磁性材料和非金属磁性材料两种。 金属磁性多晶材料(如硅铁合金、铁镍合金等)在电力、电信、自控等方面得到广泛应用。 铁氧体为非金属磁性材料，是由铁和其他一种或多种金属构成的复合氧化物，铁氧体磁性材料分为软磁性铁氧体、硬磁性铁氧体、旋转磁铁氧休、力矩磁性铁氧体、压磁铁氧体等5种。 9、软磁性铁氧体例如锰锌铁氧体或镍锌铁氧体等容易在弱磁场下磁化，磁化也容易，主要用作各种电感元件的例如滤波器芯、变压器芯、天线芯， 诸如偏转芯和多路复用通信之类的记录头的诸如芯、钡铁氧体之类的硬磁性铁氧体(也称为永磁铁氧体)主要用于电信设备的记录器、麦克风、拾取器、电话和各种仪表的磁体等。所谓磁铁氧体，也称为镁锰铁氧体、钇铁石榴石铁氧体等主要用于雷达、通信、导航、测距、远程操作等电子设备的微波铁氧体，也称为具有矩形磁滞回线的铁氧体， 镁锰铁氧体和锂锰铁氧体等这些材料主要用作各种电子计算机的存储核，在自动控制、雷达导航、航天、信息处理等方面也得到了广泛应用。 所谓压磁铁氧体，磁化时可以在磁场方向上机械伸长缩短，即镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等磁致伸缩现象，该材料主要用于超声波、水声、磁声、电信、水下电视、电子计算机、自动控制等设备中。 10 10.5 .光学晶体材料结晶在光学仪器中的主要应用是制作光学元件，光学元件种类繁多，其范围从早巳采用的透镜、棱镜等光学元件到基于光电子学的半导体激光器、光电二极管及集成光路等受光元件：光电二极管、光导摄像管等光变无源光学元件分为光传输元件，例如滤光器、偏振元件、透镜效率元件等3种. 11，10.5.1一般光学晶体在光学设备(诸如可逆或不可逆光敏材料)上的应用首先利用天然晶体(诸如荧光石(CaF2)、天然晶体(SiO2)、金红石(Ti02 )、方解石(CaC03 )或天然云母)制作棱镜、透镜、窗、偏振片、补偿镜等，但是并不限于此因此，目前使用的光学晶体大多取决于人工晶体。 晶体比较不容易的玻璃的主要优点是晶体的物理化学性能及其使用特性的多样性、晶体的折射率和色散变化比玻璃强得多，单晶具有双折射、高熔点和各向异性等特性。 12 10.5.2 .激光晶体目前应用最多的激光晶体仍然是钕铝石榴石(Nd3 Y3A15O12，即Nd3 YAG )晶体、钕铝钇纪(Nd3 YAl03 )晶体等固态激光技术发展的趋势固体激光波长已从真空紫外(0.28m )延伸到中红外(4.7m )。 目前，随着激光技术的发展，固体激光器的种类越来越多。 例如普通脉冲激光、连续激光、电光或声光调制q脉冲激光、连续泵浦声光调制q激光、高频倍频激光、锁模激光、固体可调谐激光.13、固体激光在工业农业中的应用，包括材料加工、开孔、焊接、切割、切割、电阻微调等半导体快速生长和掺杂的激光热处理或退火； 激光化学法制备微电子等激光育种和桑蚕诱发等固体激光在自然科学中的应用，如激光光谱学对物质结构、固体物理等研究有深远影响的光电子学领域，激光通信、激光电视、激光雷达和激光诱导等取得了重大进展激光也对化学产生了深刻的影响。 例如激光催化剂、激光分离同位素和多光子化学等。 14固体激光在医疗方面的应用更为明显。 激光在医学上的应用主要基于激光束对机体的基本效应。 利用激光热效应、光效应、压力效应和电磁效应等这些效应，在眼科、外科、肿瘤预防等方面取得了实际应用，如医疗应用于手术、气化、烧灼、凝固、止血、照射和诊断等。 固体激光的军事应用更具无与伦比的潜力和威力，在激光火炬、激光雷达、激光探测、激光引导和激光武器等方面得到了应用。 15、10.6 .由于电光、声光和倍频晶体或固态激光器的产生和激光技术的发展，光辐射控制器可以利用广泛应用的例如电光调制器来调制激光的强度。 电光快门与激光组合成q开关激光器。 电光快门与双折射晶体可结合成数字偏转器。 利用产品的电光效应可以制成偏振光束连续偏转器等。 常用的电光晶体有磷酸二氢钾(KD2P04 )、碘酸锂(LiIO3)、钽酸锂(LiTaO3)等晶体。 晶体的弹性效应可用于制造声光调制器、声光偏转器、声光q开关和声光可变滤波器等。 常用的声光晶体有锗酸铋和二氧化碲等。 自16，1961年首先观察了晶体二次谐波的产生以来，在非线性光学领域发生了飞跃，以1.06m的脉冲激光为光源，能够产生200m到4000m的光谱区域，而且基本上是连续方式。 在砷酸双氢铯或磷酸二氢钾倍频导体中，产生的二次谐波的转换效率高达50%左右。 该绿色光可以再次倍增为磷酸二氢钾(KDP )晶体，或者混入砷酸二氢铯晶体，产生三次倍增光，这两个过程的转换效率约为25%左右，据报道，这些晶体也是目前紫外光方向透射率良好的晶体经全面性能检验，证实了我国最早开发的低温相偏硼酸钡(BaB2O4)也是性能极好的非线性光学晶体。 17、10.7 .硬质合金晶体材料在我国60年代以来，人造金刚石已有很大发展，现在已从实验室走向工业化生产。 金刚石具有优良的力学、热学、光学、声和半导体等性能。 金刚石是发展工业、农业、国防和现代科学技术的重要硬质合金材料，在自然界物质中硬度最高。 单晶金刚石可以在钟表上制作钻头、砂轮修正笔、硬度计的压硬头、车刀、冲模和航空仪表的抗震文字轴承等。 宝石级单晶金刚石可以制作激光窗、散热器、鬼重装饰品等。 多晶金刚石可以制造加工工具、研磨材料和研磨粉等。 金刚石加工工具多种多样，其中包括切割、铣削和钻头等。 金刚石加工工具的应用范围很广。 例如在非金属材料方面大理石、花岗岩、玻璃、各种耐火材料、玻璃钢、陶瓷、铸件和建筑材料加工等，经济效益和社会效益显着，潜力大。18，10.8 .敏感晶体材料的实际晶体具有敏感性质是，本质上不具有理想的完整晶格结构，存在晶体结构缺陷。 晶体结构缺陷的基础是有序有序的晶格结构，如果晶体具有无序的结构，就不是结构缺陷。 晶体结构缺陷的发生和变化，基于其基质结构的各种晶体结构缺陷的性质、数量和分布状态与缺陷之间的相互作用，导致晶体的宏观物理性质的差异，这就是晶体结构敏感性的来源。 因此，晶体结构缺陷显然是理想的完整晶体敏感性的关键。 19、晶体结构敏感性表现在各