說到晶體，要追溯到古希臘。古希臘人首先創造了κρ?σταλλο?（krustallos）這個詞，意思是“冰”和“水晶”。大晶體的實例包括雪花、金剛石和食鹽。

所謂晶體生長是物質在特定的物理和化學條件下由氣相、液相或固相形成晶體的過程。

人類在數千年前就會曬鹽和制糖。人工模仿天然礦物并首次合成成功的是剛玉寶石(α氧化鋁)。

維爾納葉約在1890年開始試驗用氫氧焰熔融氧化鋁粉末，以生長寶石，這個方法一直沿用至今。

第二次世界大戰后，由于天然水晶作為戰略物資而引起人們的重視，科學家們又發明了水熱法生長人工水晶。

人們還在超高壓下合成了金剛石，在高溫條件下生長了成分復雜的云母等重要礦物，以補充天然礦物的不足。

20世紀50年代，鍺、硅單晶的生長成功，促進了半導體技術和電子工業的發展。20世紀60年代，由于研制出紅寶石和釔鋁石榴石單晶，為激光技術打下了牢固的基礎。

然而，要想成為一個煉“晶”術師，晶體生長中需要解決的問題不得不看。

01

晶體生長過程能夠發生的

熱力學條件分析及其生長驅動力

晶體生長過程是一個典型的相變過程，因此進行晶體生長過程設計時首先需要考慮的是該相變過程在什么條件下可以發生、相變驅動力的大小與環境條件的關系，并以此為基礎，選擇合理的晶體生長條件。這是一個典型的熱力學問題。

02

晶體生長過程中的形核

晶體生長的第一步是獲得晶體結晶核心，后續的結晶過程通過該核心的長大完成。結晶核心可以是外來的，即引入籽晶，也可以直接從母相中形核獲得。該形核過程是需要嚴格控制的。理想的單晶生長過程應該精確地控制到只形成一個晶核。在后續的晶體長大過程中，防止新的晶核形成也是晶體生長過程形核研究的重要課題。

03

晶體生長界面的

結構及其宏觀、微觀形態

在完成形核之后，晶體生長過程是通過結晶界面不斷向母相中推進進行的。結晶界面的宏觀及微觀形態與結晶過程的宏觀傳輸特性相互耦合、相互影響，并對晶體的結晶質量，特別是晶體結構缺陷與成分偏析的形成具有至關重要的影響。因此，從結晶界面彎曲特性等宏觀的形貌，到結晶界面納米到毫米尺度上的平整度等細觀形貌，直至晶面原子尺度的微觀結構都是晶體生長研究的重要課題。

04

結晶界面的物理化學過程

母相中的原子或分子在結晶界面上的沉積過程、堆垛方式，以及界面上的化學反應、擴散行為等是影響晶體結構完整性的重要因素。該過程決定著雜質與夾雜物的卷入、溶質的分凝、缺陷(點缺陷、位錯、孿晶等)的形成，特別是對于溶液法及化學氣相沉積法晶體生長過程顯得尤為重要。

05

晶體生長過程中的溶質再分配

溶質原子及摻雜在結晶界面上的分凝是由其物理化學性質決定的。分凝導致形成晶體中的成分與母相成分的不同。對于熔體法和溶液法晶體生長過程，通常采用分凝系數反映分凝特性。某特定組元在結晶界面的分凝系數ki定義為析出晶體中該組元的含量wSi與母相中該組元含wLi的比值，即，ki=wSi/wLi。

結晶界面上的溶質分凝(成分的變化)使其附近液相和晶體中形成成分梯度而引起擴散，晶體生長過程中的溶質再分配包括了界面上的分凝及固相和液相中的擴散。

06

晶體生長過程中的

熱平衡及其傳熱過程控制

晶體生長過程通常是在梯度場中進行的，而結晶過程通常也包含熱效應，如結晶潛熱的釋放。傳熱過程不僅決定著結晶過程能否進行，而且傳熱方式控制是結晶界面的宏觀、微觀形貌及生長速率控制的主要手段。

07

晶體結構缺陷的形成與控制

晶體中的主要缺陷可在結晶過程中直接形成，也可以在結晶結束后的保溫過程中形成。合理地控制晶體的熱過程，可以改變缺陷的密度與分布，實現晶體的改性。

08

晶體材料原料的提純

在半導體等電子、光電子材料及各種功能晶體材料中，微量的雜質可能會對其性能造成災難性的影響。精確控制材料中的雜質含量，實現材料的高純度是至關重要的。因此，材料的提純成為晶體生長研究必不可少的環節。材料的提純技術包括化學方法及區熔法等物理方法。在晶體生長過程中還要進行全過程控制，防止材料的二次污染。

09

化合物晶體材料合成過程的

化學反應熱力學及動力學

對于化合物晶體材料，需要首先進行原料的合成。合成過程可以采用高純原料直接合成，也可以借助中間化合物間的化學反應合成。在采用高純原料合成過程中通常會遇到不同的技術難題：單質材料通常熔點較低，而形成化合物后熔點很高，形成的固態化合物會阻斷反應的通道，為了維持反應的繼續進行，需要進一步提高溫度。但提高反應溫度又會遇到高蒸汽壓、雜質污染等技術問題。借助于中間化合物進行化學合成的過程中，需要維持反應充分進行，并使其他副產物能夠從晶體材料中排除，從而保證晶體的純度。

10

晶體材料

結構、缺陷與組織的分析與表征

晶體結構、缺陷及組織分析是評價結晶質量的基本環節。該環節獲得的信息將對改進和完善晶體生長工藝提供重要的信息。從傳統的光學顯微分析到X射線衍射技術，透射電鏡、掃描電鏡等電子顯微分析技術，都已成為晶體結構分析的重要手段。同時，借助于吸收光譜、光致發光譜等分析技術也能間接獲得晶體結構與缺陷的信息。

11

晶體材料的

力學、物理、化學等性能表征

晶體材料的力學、物理、化學性質的分析是考查材料使用性能的依據。材料使用性能的要求不同，所需要檢測的性能指標也不同。

12

晶體生長過程

溫度、氣氛、真空度等環境條件的控制

晶體生長過程的環境控制主要包括：

①溫度控制，即升溫與保溫過程；②溫度場的控制，即溫度場的分布及溫度梯度；③真空度的控制；④氣氛控制，即環境介質中氣相的成分及不同氣體的蒸汽分壓；⑤自然對流及溶液、氣相生長過程中流體流動場的控制；⑥晶體生長的坩堝材料選擇，其主要依據是室溫及高溫強度、工作溫度、熱穩定性及化學穩定性。由于需要防止坩堝材料與晶體材料之間發生化學反應，對于不同的晶體需要選用不同的坩堝材料。

13

晶體生長設備機械傳動系統的控制

晶體生長設備通常包括大量的傳動系統，如拉晶過程中的抽拉速度控制、晶體及坩堝的旋轉、氣相生長系統中樣品的移動。這些傳輸過程通常對低速及長時間的穩定性、平穩性、位置的精確控制等有很高的要求，是先進的機電一體化技術。

總體來說，這些問題涉及的學科領域包括物理學、化學、化學工程、材料科學、應用數學、機電工程等學科領域，并且與工程熱物理、地礦學、測試技術、電子信息、計算機等學科交叉。因此，晶體生長作為應用性的學科，具有綜合性、交叉性的特點，需要綜合相關學科領域的知識，并進行創造性的運用。