第十章___晶体的应用

1晶体材料的应用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重要的推动作用．210.1.半导体晶体半导体在人工晶体中占有头等重要的地位，现已形成一个独立的分支学科．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．五十年代初，用提拉法生长了锗(Ge)单晶、硅(si)单晶，稍后，发展了锗(Ge)的区域提纯技术和硅(si)的无坩埚区域提纯技术，从而成功地生长出高纯度的锗、硅单晶，大大地推动了半导体器件的发展。3在半导体晶体材料中，目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度以及无缺陷的方向发展的硅单晶以外．近些年来，人们对III—V族半导体晶体材料也发生了浓厚的兴趣，这是因为III—V族半导体晶体材料能满足多种性能的需求．这种半导体晶体材料在新技术中的应用，主要用于包括高速信号处理、通信、传感、显示以及许多其他方面．用金属—半导体场效应晶体管、结型场效应晶体营、双极晶体管、肖脱基二极管、发光二极管、光探测器、光波导、声表面浊和其他功能器件的各种组合元件构成的集成电路正在不断探索、发展和应用。典型的有砷化镓(GeAs)单晶体、氮化镓（GaN）单晶体等。410.2.压电晶体材料水晶具有频率稳定的特性，这是一种较理想的压电晶体材料，可广泛地应用于制作谐振器、滤波器、换能器和声表面波器件等．到了八十年代的今天，由于电子技术的需求，大大地促进了人工水晶的研究和发展，其产量也大幅度地增长。近些年来，人们又研制成功了许多新型的压电晶体，主要有钙钛矿型结构的铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTa03)、铌酸钾(KNbO3)、钽酸钾(KTa03)等晶体，和钨青铜型结构的铌酸铅钡(SBN)、铌酸钡钠(BNN)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．5利用压电晶体制成的器件，种类繁多，从军用到民用，例如：利用晶体的正电效应制成的传感器有：振动速度计、血压计、呼吸心音测定仪、压电按钮和流体监控器等，利用晶体的逆压电效应可作滤波器、放大器、压电键盘等；利用压电振子的伸缩性能，可制作位移发生器、压电继电器、压电毛细管注液器、压电泵和压电阀门等．在压电器件中，发展既快，而又用得最多的是超声换能器，这种超声换能器在军队中是用于水下接收和发射，在民用中是用于超声医疗、探伤、清洗和乳化等．在同一仪器装置中，既可利用晶体的压电效应，又可利用其逆压电效应，便可构成一种具有特殊功能的压电器件，如：压电陀螺、线性加速计和压电变压器等．610.3.热释电晶体材料六十年代中期，先后出现了热敏类的热释电探测器．所用的晶体材料为硫酸三甘肽(TGS)晶体系列．硫酸三甘肽晶体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代，又相继出现了性能更好的铌酸锂、钽酸锂、钛酸铅、锗酸铅等热释电晶体．7掺杂TGS和钽酸锂晶体两种热释电探测器的应用范围在国内现已逐渐得到推广，例如：利用这两种探测器可作为红外分光光度计的接收器、红外分光测量系统、傅里叶光谱仪接收器、远红外激光测定器、对辐射功率定标、激光通信中的接收器、红外辐射测温等．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、医疗、工业和家用电器等领域，诸如：入侵报警、火灾报警、非接触测温、温度异常控制、烹调控温和高级玩具等．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大类．金属磁性多晶材料(如：硅铁合金、铁镍合金等)在电力、电信和自控等方面都得到了广泛的应用。铁氧体是属于非金属磁性材料，它是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物，铁氧体磁性材料可分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧休、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等五种．9软磁铁氧体如锰锌铁氧体和镍锌铁氧体等，这种铁氧体在较弱的磁场作用下易磁化，也易退磁化，主要用作各种电感器件，如滤波器磁芯、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．钡铁氧体等硬磁铁氧体(又称永磁铁氧体)主要用于电信器件中的录音器、微音器、拾音器、电话机以及各种仪表中的磁铁等。旋磁铁氧体，又称微波铁氧体，如镁锰铁氧体、钇铁石榴石铁氧体等主要用于雷达、通信、导航、退测、遥控等电子设备．矩磁铁氧体是指具有矩形磁滞回线的铁氧体，如：镁锰铁氧体和锂锰铁氧体等，这种材料主要用作各种类型电子计算机的存储磁芯、在自动控制、雷达导航、宇宙航行、信息处理等方面也得到不少的应用．压磁铁氧体是指磁化时能在磁场方向作机械伸长成缩短，即有磁致仲缩现象，如：镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等，这种材料主要用于超声、水声、磁声、电信、水下电视、电子计算机和自动控制等器件．1010.5.光学晶体材料晶体在光学仪器中的主要应用是制作光学元件，光学元件的种类繁多，其范围是从早巳采用的透镜、棱镜等光学元件开始到以光电子学为基础的半导体激光器、光电二极管以及集成光路等．光学元件若按照其功能进行分类时则可分为有源光学元件和无源光学元件两大类：有源光学元件又分为如下几种：发光元件，如：半导体激光器、团体激光器等；光接收元件．如：光电二极管、光导摄象管等；光控制元件，如：光调制元件、光偏振元件、光开关等；复合功能元件．如：集成光路等．无源光学元件又分为下述三种：光传输元件，如：滤波器、偏振光元件、透镜效率元件等；复合结构元件，如：光可逆元件等；感光材料元件，如：可逆的或不可逆的感光材料等．1110.5.1.普通光学晶体晶体在光学仪器中的应用，最早是利用天然晶体，诸如：萤石(CaF2)、天然水晶(—SiO2)、金红石(Ti02)、方解石(CaC03)和天然云母等来制作棱镜、透镜、窗口、偏振片和补偿镜等，但是符合仪器所要求的透过率、均匀性与足够大尺寸的天然光学晶体却是比较少见的．因此，当前所使用的光学晶体大多数是依赖于人工晶体．晶体较非易态玻璃的主要优点是：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当前应用最多的激光晶体仍然是掺钕钇铝石榴石(Nd3+—Y3A15O12,即Nd3+—YAG)晶体，最早掺钕铝酸钇纪(Nd3+—YAl03)晶体等．近年来，固体激光技术发展的主要趋势表现在材料研究的多样化上．固体激光波长已延伸到真空紫外(0.28m)至中红外(4.7m)波段．当前，随着激光技术的发展，固体激光器的种类愈来愈多，诸如：普通脉冲激光器、连续激光器、电光或声光调Q脉冲激光器、连续泵浦声光调Q激光器、高频倍频激光器、锁模激光器以及固体可调谐激光器。13固体激光器在工农业方面的应用有如：材料的加工，其中包括打孔、焊接、切割、划片、电阻器微调；激光热处理或退火，其中包括半导体快速生长与掺杂；以及利用激光化学法制作微电子器件等；激光育种和桑蚕诱发等．固体激光器在自然科学方面的应用，如：激光光谱学对研究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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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分离同位素和多光子化学等．14固体激光器在医疗方面的应用更为显著．激光在医疗上的应用主要是基于激光束对生物体的基本效应．如：激光的热效应、光效应、压力效应和电磁效应等，利用这些效应，在眼科、外科和防治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化、烧灼、凝固、止血、照射和诊断等方面的应用．固体激光器在军事上的应用更是具有无比的潜力和威力，已应用于激光测炬、激光雷达、激光侦察、激光制导和激光武器等方面．1510.6.电光、声光和倍频晶体由于固体激光器的问世和激光技术的发展，光辐射控制装置有着广泛的应用，例如：利用电光调制器可以调制激光的强度．电光快门与激光器组合成Q开关激光器．电光快门与双折射晶体配合，可制成数字偏转器．利用品体的电光效应可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。利用晶体的弹光效应，可制成声光调制器、声光偏转器、声光Q开关和声光可调滤光器等．常用的声光晶体有锗酸铋和二氧化碲等．16自从1961年首先观察到晶体的二次谐波产生以来，在非线性光学领域中产生了一次飞跃，将1.06m的脉冲激光器作为光源，可产生从200m到4000m的光谱区，而且基本上为连续方式的．用砷酸二氘铯或磷酸二氢钾倍频导体，产生的二次谐波的转换效率高达50%左右．这个绿光在磷酸二氢钾(KDP)晶体中再次倍频或者在砷酸二氘铯晶体中混额，可产生三次倍频光，这两个过程的转换效率均约为25%左右，这些晶体也是目前在紫外光方向上透过率较好的晶体．根据有关报道，磷酸钛氧钾(KTiOPO4)晶体是迄今性能最为全面优异的新型非线性光学晶体．经全面性能鉴定后确认，我国首先研制成功的低温相偏硼酸钡(—BaB2O4)也是一种性能极为优异的非线性光学晶体．1710.7.超硬晶体材料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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、光学、声学和半导体等性能．金刚石是发展工业、农业、国防和现代科学技术的重要的超硬材料，在自然界的物质中，它的硬度最高．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硬头、车刀、拉丝模和航空仪表的抗震文承轴等．宝石级单晶金刚石可用来制作激光器窗口和热沉以及鬼重的装饰品等．多晶金刚石可用来制作加工工具、磨料和抛光粉等．金刚石加工工具，品种繁多，其中包括切割、铣磨和钻孔等．金刚石加工工具的应用范围很广，例如：在非金属材料方面的大理石、花岗岩、玻璃、各种耐火材料，玻璃钢、陶瓷、铸石和建筑材料加工等，经济效果与社会效益显著，潜力很大。1810.8.敏感晶体材料实际晶体之所以具有敏感性能，其本质在于它不具有理想完整的点阵结构，而是存在着晶体结构缺陷．晶体结构缺陷的基础为其秩序井然的点阵结构，晶体若具有无序的结构，那也就无所谓结构缺陷．晶体结构缺陷的发生与变化是以其所具有的基质结构为基础，各种晶体结构缺陷的性质、数量和分布状态以及缺陷间的相互作用，造成了晶体的宏观物理性质的差异，这就是晶体结构敏感性能的来源，因此，晶体结构缺陷显然是理想完整晶体的敏感性能的关键所在．19晶体结构敏感性能表现在各个方面，诸如：热敏、气敏、湿敏、光敏、压敏、磁敏、放射线敏和化学敏等。晶体敏感性能的应用是用来制作敏感器件的．近几年来，关于敏感器件的研制工作已有很多报道，它是电子工业生产技术中重要的一大类电子器件．敏感器件按其功能进行分类时，可分为气体敏感器、湿度敏感器、压敏感器、光敏感器、力敏感器、热敏感器、电子敏感器、放射线敏感器和磁敏器件．2010.9.生体功能材料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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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、人造心脏瓣膜、人造眼睛等方面．