什么是⼈⼯晶体？
-沈德忠院⼠在清华⼤学的讲演
⼀、什么是⼈⼯晶体？
顾名思义，⼈⼯晶体就是使⽤⼈⼯⽅
法合成出的晶体。我们⽣活周围的很多
物质都是晶体，⽐如地上的⽯头、沙⼟。
沙⼟颗粒虽⼩，⼈⽤⾁眼⽆法观察到它
的晶⾯、晶形，但它却实实在在是由晶
体构成的。构成物质的原⼦、离⼦或分
⼦在空间做长程有序的排列，形成⼀定
的点阵结构，就是晶体；⽽内部没有长程有序排列（只有短程有序）的物质就是⾮晶态固体，如玻璃、⽯蜡、橡胶等。晶体通常具有规则的外形，棱⾓分明。
⼈⼯晶体研究的对象有两种，⼀种是⽤⼈⼯的⽅法合成并⽣长出⾃然界已有的晶体，如⽔晶、云母、⾦刚⽯、⾷盐(NaCl)、红宝⽯(Al2O3:Cr)、⼈⼯合成的胰岛素等。⾃然界已有的晶体中有些质量不好；有些晶体质量虽好，但⾃然界中所剩⽆⼏。如⽔晶在建国初期被过度开采，到70年代时⽔晶供应已出现紧张，后来不得不进⾏⽔晶的⼈⼯合成研究。⽬前我国⼈⼯合成⽔晶的产量⾮常⼤，达⼏千吨。⽇本侵华时破坏性地⼤量开采我国的云母矿，也造成了我国后来天然云母的匮乏，被迫⼈⼯合成云母。天然⾦刚⽯价格较为昂贵，我国产量也少。⽬前⼈⼯合成⾦刚⽯已⼗分便利，⼈⼯合成⾦刚⽯虽⽐天然的⼩，但已能满⾜⼀般性的需求。⾦刚⽯是⾃然界中硬度最⼤的物质，“没有⾦刚钻，不揽瓷
器活”，⼈⼯合成⾦刚⽯⼴泛⽤于各种切割⼯具。⼈⼯合成⾦刚⽯的产量已经成为衡量⼀个国家⼯业⽔平的标志，过去美国位居世界第⼀，⽇本其次，我国居第三位。现在我国产量居世界第⼀，每年5亿克拉（但⼈均产量还是低的）。世界上第⼀台激光器的⼯作物质就是红宝⽯。天然红宝⽯⾊彩丰富，常⽤于制作各种⾸饰。但因为含有包裹体，天然红宝⽯在科学研究中的应⽤价值不⼤，必须合成⽆包裹体的⼈⼯红宝⽯供研究使⽤。从⼈体内提取胰岛素的量⾮常的少，⼈⼯合成可以⽣长出⼤量的胰岛素供医药等使⽤。 sf1995
⼈⼯晶体研究的另⼀内容就是⽤⼈⼯的⽅法合成并⽣长出⾃然界没有的晶体，如单质的Si与Ge、化合物的Y3Al5O12、KTiOPO4等⽆机晶体，以及有机晶体青霉素，硝基苯胺等。Si为半导体⼯业的基础，⾃然界中没有单质的硅存在，⼈⼯合成硅单晶主要是从⼆氧化硅中制备。Y3Al5O12为⽬前经常使⽤的激光器的⼯作物质，掺Nd的Y3Al5O12激光器能发射1064nm 的激光。KTiOPO4，简称为KTP，是⼀种性能优良的⾮线性光学晶体。这类化合物在天然界中都不存在，⼈们⼀般通过先合成后制备的⽅法来⽣长出单晶。⼆、⼈⼯晶体的分类及应⽤
1、⼈⼯晶体在⾼科技发展中的重要性
⼈类发展的历史就是⼀部⼈类对材料的使⽤发展史。在原始社会，⼈类只会使⽤简单材料如⽊头、⽯
头等做⼯具。慢慢发展，⼈类就学会了使⽤青铜器、铁器等。随着材料的不断更新，促进着⼈类社会的不断发展与变⾰。⼈们往往⽤材料来划分历史时期，如：“⽯器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”等等，可见材料在⼈类发展过程中的重要性。⼈⼯晶体的研制与使⽤，同样在科技领
域内起到了关键的作⽤。
⽤压电⽔晶制作的谐振器应⽤于发报机，在第⼀次世界⼤战时已出现，⼆战时被普遍采⽤，它开创了现代通讯新时代。
硅单晶及集成技术的成功，把⼈类带⼊⽅兴未艾的现代计算机时代。计算机的运算速度越来越快，并将会出现量⼦计算机、光⼦计算机等采⽤新运算⽅式的计算机，但硅单晶在计算机中的重⼤贡献却不容置疑。
1960年，红宝⽯(Cr:Al2O3)晶体中⾸次实现激光输出，标志着光电⼦时代的来临。
2、⼈⼯晶体的分类
⼈⼯晶体的分类⼈⼯晶体按照功能不同，可粗略分为半导体晶体，激光晶体，⾮线性光学晶体，光折变晶体，闪烁晶体，电光、磁光、声光调制晶体，压电晶体，红外探测晶体，光学晶体，双折射晶体，宝⽯晶体与超硬晶体等⼗⼆类。
带来信息技术⾰命的晶体--半导体晶体
半导体是指电阻率介于典型的⾦属和典型的绝缘体之间的⼀类物质，其电阻率在10-2⾄107欧姆/厘⽶之间。最常见的半导体晶体是周期表上第IV主族的硅(Si)和锗(Ge)，此外还有III～V族的砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)和II～VI族的硒化锌(ZnSe)等。
电⼦迁移率是衡量半导体运算速度的标志，其数值越⼤，半导体的运算速度就越⾼。硅的电⼦迁移率⽐锗⼤，但它在半导体中并不是最⼤的。如果把硅的运算速度⽐作时速为60公⾥的汽车，砷化镓就是时速为300公⾥的⾼速⽕车，⽽锑化铟则是时速为3000公⾥的⽕箭。虽然硅的运算速度不⾼，但⽐砷化镓、锑化铟易于⽣长，所以半导体⼯业中使⽤最多的还是硅单晶。
通过电⼦管计算机与使⽤硅单晶做为器件的微机性能的⽐较（见下表），硅在计算机时代中的重要性可见⼀斑。
1946年电⼦管计算机与1976年微机的对⽐
指标电⼦管计算机微机对⽐体积/⽴⽅英尺30,000 0.001 ～106功耗/千⽡140 0.0025 5.6×104
重量/吨30 0.005 6.0×103全⾯平均故障时间⼏个⼩时⼏年～104
电⼦管是第⼀代半导体器件，在电⼦管后⼈类发明了集成电路。第⼀块集成电路诞⽣于1958年，随着集成度的不断增⼤，⼤规模集成电路与超⼤规模集成电路相继涌现。1968年⼈类可在⽶粒⼤⼩的硅⽚上集成1000多个晶体管，⾄1978年，在同样⼤⼩的硅⽚上就可以集成15.6万个晶体管了。但是，由于量⼦效应的存在以及硅单晶⾃⾝性质的缺陷，集成电路的发展已接近极限。
图2-1.半导体器件的发展
下图是半导体晶体的晶格常数和能带隙。半导体的带隙越宽，发射的光波的波长越短，常⽤的发光半导体为GaAs、InP等。⽬前发展的GaN半导体带隙宽，可发射蓝光，是半导体研究中的热门领域。
猎狗追兔子氮化物
1.第三主族氮化物——短波区光电⼦器件最有潜⼒
2.⾼质量膜很难⽣长
3.在GaN和失陪衬底之间插⼊低温沉积过渡层薄膜
4.实现了P型氮化物并可控制N型氮化物的电导率
碳化硅SiC
1.⼤功率器件
2.较⼀般的半导体可承受5-10倍的电压
3.使⽤温度较提⾼⼏百度
4.功率损失为⼀般的半导体10分之⼀
5.过去的⼗年SiC体晶的⽣长发展迅速
6.带动了外延及器件的飞速发展
ZnO
1.蓝光和近紫外发光⼆极管
2.通常在蓝宝⽯衬底上外延⼀层GaN过渡层，然后再外延ZnO
3.蒸汽压太⾼，⽆法⽤提拉法⽣长
4.顶部籽晶法熔剂法⽣长ZnO晶体
5.尺⼨15 ×18 ×3mm3
ev71病毒
大屏幕投影
四元体系材料
AlGaInP的涵盖的波长范围：
——570nm的黄光
——590nm的橙光
——620nm的红光
GaN和GaInN：
——450nm的蓝光
——525nm的蓝绿光
以⽓相外延技术合成的Al,Ga,In,N四元材料，可以涵盖所有的可见光。
4、激光晶体
简单地讲，激光晶体就是能够发射出激光的晶体。最早使⽤的激光晶体是掺铬的红宝⽯晶体（Cr:Al2O3），现在⽤得最多的是掺钕的钇铝⽯榴⽯(Nd:YAG)。
图2-6为固体激光器⽰意图，它主要由闪光灯、激光⼯作物质（较多使⽤的是激光晶体）和反射镜腔⽚组成。反射镜表⾯镀有薄膜，⼀⽚为全反射镜，另⼀⽚为透射反射镜，两⽚镜⽚组成光学谐振腔。当激光晶体受到氙灯泵浦后，物质内原⼦受到光激发迁跃为激发态。只要有⼀个原⼦产⽣⾃发辐射，则这⼀辐射光将诱发邻近原⼦产⽣受激辐射。不垂直于反射镜的受激辐射将穿
过⼯作物质边界外泄消失，只有垂直于反射镜的受激辐射被反射镜反射折回，重新通过激活介质并被放⼤。经多次反复振荡，最终形成强⼤的受激辐射光，即激光。
中华人民共和国反法
⽬前使⽤最多的激光晶体有Al2O3:Cr3+、Y3Al5O12:Nd3+与YVO4:Nd3+。
5、变频晶体--⾮线性光学晶体
⾮线性晶体具有⾮线性光学效应，它可使激光的波长发⽣变化。激光晶体辐射的激光波长多为红外光，通过⾮线性晶体变频后能变为可见光。⾮线性晶体拓宽了激光波段，可使激光得到更有效的应⽤。⽐如红外激光经⾮线性晶体倍频后成为绿光，绿光可⽤于⽔下通讯、光盘存储等⽅⾯。
⾮线性光学晶体最主要的⽤途就是对激光的倍频作⽤，产⽣⼆次谐波。⼆次谐波的发⽣有两种情形，⼀种是激光腔外倍频，⼀种是腔内倍频。国际上⾸次发现的激光倍频效应实验采⽤的就是腔外倍频，
如图2-11
蛋白质工程
1966年Franken⾸次将红宝⽯晶体所产⽣的激光束⼊射到⽯英晶体，实验过程中发现两束出射光，⼀束是原来⼊射的红宝⽯激光，其波长为694.3nm；⽽另⼀束就是倍频光，其波长为34 7.2nm。当时，红宝⽯激光倍频的效率很低，只有10-8。图2-12是激光腔内倍频实验装置简图。使⽤KTP晶体倍频Nd:YAG发出的红外激光，产⽣530nm的绿光，效率已接近100％。
