單晶生長

人工晶體是一類重要的材料，人工晶體研究包括晶體結構、晶體生長、晶體性能及其表徵、晶體材料應用等方面。晶體生長研究是人工晶體研究的基礎，本世紀以來，晶體生長研究有了很大的進步，它已從一種純工藝性研究逐步發展形成晶體制備技術研究和晶體生長理論研究兩個主要方向。兩者相互滲透、相互促進，晶體制備技術研究為晶體生長理論研究提供了豐富的研究對象，而晶體生長理論研究又力圖從本質上揭示晶體生長的基本規律，進而指導晶體制備技術研究。

近幾十年來，隨着基礎學科如物理學、化學和製備技術的不斷進步, 晶體生長理論研究無論是研究手段、研究對象，還是研究層次都得到了很快的發展，已經成為一門獨立的分支學科。它從最初的晶體結構和生長形態研究、經典的熱力學分析發展，到在原子分子層次上研究生長界面和附加區域熔體結構、質、熱輸運和界面反應問題，形成了許多理論或理論模型。當然，由於晶體生長技術和方法的多樣性和生長過程的複雜性，晶體生長理論研究與晶體生長實踐仍有相當的距離, 人們對晶體生長過程的理解有待於進一步的深化可以預言, 未來晶體生長理論研究必將有更大的發展。

晶體生長理論研究對象是晶體生長這一複雜的客觀過程,可以把晶體生長理論研究的基本科學問題歸納為如下兩個方面:晶體結構、晶體缺陷、晶體生長形態、晶體生長條件,四者之間的關係。晶體生長理論研究本質上就是完整理解不同晶體其內部結構、缺陷、生長條件和晶體形態四者之間的關係。搞清楚這四者之間的關係, 就可以在製備實驗中預測具有特定晶體結構的晶體在不同生長條件下的生長形態, 通過改變生長條件來控制晶體內部缺陷的生成,改善和提高晶體的質量和性能 ^[1]  。

從宏觀角度看，晶體生長過程是晶體-環境相蒸氣、溶液、熔體界面向環境相中不斷推移的過程，也就是由包含組成晶體單元的母相從低秩序相向高度有序晶相的轉變。從微觀角度來看，晶體生長過程可以看作一個“ 基元” 過程，所謂“ 基元” 是指結晶過程中最基本的結構單元，從廣義上説，“ 基元” 可以是原子、分子也可以是具有一定幾何構型的原子分子聚集體。所謂的“ 基元” 過程包括以下主要步驟：

1.基元的形成：在一定的生長條件下，環境相中物質相互作用，動態地形成不同結構。

2.形式的基元：這些基元不停地運動並相互轉化，隨時產生或消失。

3.基元在生長界面的吸附：由於對流，熱力學無規則運動或原子間吸引力，基元運動到界面上並被吸附。

4.基元在界面的運動：基元由於熱力學的驅動，在界面上遷移運動，基元在界面上結晶或脱附在界面上依附的基元，經過一定的運動，可能在界面某一適當的位置結晶並長入固相, 或者脱附而重新回到環境相中。

晶體內部結構、環境相狀態及生長條件都將直接影響晶體生長的“ 基元” 過程。環境相及生長條件的影響集中體現於基元的形成過程之中。而不同結構的生長基元在不同晶面族上的吸附、運動、結晶或脱附過程，主要與晶體內部結構相關聯不同結構的晶體具有不同的生長形態。對於同一晶體，不同的生長條件可能產生不同結構的生長基元，最終形成不同形態的晶體。同種晶體可能有多種結構的物相，即同質異相體這也是由於生長條件不同，“ 基元” 過程不同而導致的結果。晶體內部缺陷的形成又與“ 基元” 過程受到干擾有關。因此，建立“ 基元” 過程這一概念，就可在宏觀或者微觀層面上描述晶體內部結構、缺陷、生長條件和生長形態四者之間的關係。

利用先進技術手段, 實時觀察晶體生長過程中晶體表面微觀形貌和整體形態的變化以及流體運動，從中獲得有關晶體生長的信息，這是晶體生長理論研究的另一條基本途徑。早在1992年,利用光學干涉術觀察了氣相法生長的晶體表面層的側向運動，隨後，相襯和干涉相襯顯微術一也得到了應用，提高了觀察精度。1983年，使用微機處理圖像並控制生長條件，結合電視視頻技術，用光學顯微鏡觀察記錄了高度小至,10A的台階運動。此外，他還觀察了高温熔體及高温溶液體系的晶體生長和溶解。最近，於錫玲報道了用全息相襯干涉顯微術和激光衍射技術研究亞穩相晶體生長速率和邊界層的質量輸運過程。劍其中，對邊界層輸運過程進行了全息圖記錄，用激光衍射技術實時測量晶體生長速率總體來説,，實時觀察的範圍僅限於特定條件下某些晶體生長體系，應用還不廣泛 ^[2]  。

1.加強對環境相結構的深人研究。對現有理論回顧發現，現有理論不能很好解釋實際生長過程的主要原因，是對環境相結構認識的膚淺。不瞭解環境相結構，不瞭解生長基元的結構，也就無法對外部條件的影響和界面結構有正確的認識，這方面需要更多的研究者進行探索，如溶液包括常温溶液和高温溶液和熔體結構的研究。通過環境相結構的研究，

可獲得生長基元的有關信息。

2.建立包含外部條件的理論模型。在環境相結構研究的基礎上，建立能有機地包含外部條件的生長模型是十分必要的，因為只有這樣的模型才能從微觀層次上描述晶體結構、環境相及生長條件對生長基元過程的影響，從而揭示晶體內部結構、生長條件和生長形態以及晶體缺陷之間的關係。負離子配位多面體生長基元模型在這方面作了很好的嘗試，有待於進一步發展、完善。

3.加強各學科的交叉與滲透。發展非平衡態生長理論晶體生長理論要獲得重大的進展，需要晶體學、物理化學、統計物理學、流體力學、傳熱學、固體物理學、晶體化學等各個學科的交叉、滲透和互相協作。因為晶體生長過程是非平衡態過程，因此非平衡態熱力學和統計物理學的應用，將是一個很有前途的發展方向方法，在這一方面有很好的應用前景。

4.發展實驗技術，實現晶體生長過程可視化。無論什麼樣的生長理論，最終都需要實驗的驗證。發展實驗觀測技術，使生長過程可視化，是晶體生長實驗技術的最終目標，是必然要發展的方向。主要應在擴大可觀測的生長體系及提高觀測精度上努力 ^[3]  。