晶体定向生长

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出版者:
作者:邢建东
出品人:
页数:131
译者:
出版时间:2008-5
价格:20.00元
装帧:
isbn号码:9787560525983
丛书系列:
图书标签:
  • 晶体
  • 晶体生长
  • 定向凝固
  • 材料科学
  • 半导体
  • 物理学
  • 晶体学
  • 生长机理
  • 热力学
  • 扩散
  • 缺陷
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具体描述

《西安交通大学"十一五"规划教材•晶体定向生长》结合晶体定向生长的基本理论,在参考目前国内外晶体定向生长及控制方面研究工作的基础上较全面地介绍了晶体定向生长的理论和实践。全书共分为5章,前2章系统介绍了晶体定向生长方面的基本理论和知识;第3章介绍晶体定向生长的过程及控制技术;第4章介绍晶体定向生长技术的最新发展及其应用情况;第5章扼要介绍几种采用定向生长方式制备金属单晶的技术和应用情况。

《西安交通大学"十一五"规划教材•晶体定向生长》适用于高等学校金属材料及其制备相关专业的本科生,也可作为材料工程相关专业的工程技术人员的参考读物。

晶体生长动力学与界面行为研究 作者: 张伟, 李明, 王芳 (虚构) 出版社: 科学技术出版社 字数: 约1500字 --- 内容提要 本书聚焦于晶体生长过程中的微观动力学机制、界面结构演化及其对宏观形貌的控制,旨在为材料科学、凝聚态物理及相关工程领域的研究人员和高级学生提供一套深入、系统的理论框架和前沿实验方法论。本书并非专注于描述单一材料体系的生长技术,而是致力于揭示普遍适用的物理化学原理,探讨在不同热力学和动力学条件下,原子尺度的物质输运、界面反应与晶格有序化之间的复杂耦合关系。全书内容紧密围绕界面迁移率、表面能的各向异性、生长过程中的缺陷形成与控制这三大核心议题展开,结合最新的计算模拟成果与高分辨率原位观测技术,构建了一个多尺度的晶体生长理论模型。 第一章:晶体生长的热力学基础与相场理论 本章首先回顾了晶体生长的基本热力学驱动力,重点分析了过饱和度(或过冷度)在驱动晶核形成和长大过程中的关键作用。我们详细阐述了吉布斯自由能的形核理论,并引入了偏摩尔量的概念来精确描述非理想溶液或熔体体系中的能量变化。 随后,章节的核心转向相场(Phase Field)方法在描述晶体生长界面演化中的应用。与传统的Sharp Interface模型不同,相场法能够自然地处理界面宽度、界面能和动力学系数的耦合。我们详细推导了用于描述非平衡生长的Cahn-Hilliard和Allen-Cahn方程的推广形式,并讨论了如何将热量输运和溶质扩散项耦合进相场方程中,以模拟真实生长环境下的耦合效应。特别地,本章引入了非局部相互作用项,用以描述原子间长程作用力对界面局部形貌的影响,并展示了如何利用这些模型来预测棱柱面、凹面和凸面在特定生长速率下的稳定性分析。 第二章:界面迁移率与非线性动力学 晶体生长的宏观速率主要受限于界面迁移率,即原子或分子从液相/气相进入固相界面的速率。本章深入剖析了决定界面迁移率的微观机制,超越了简单的线性反应速率理论。 我们详细探讨了表面扩散机制和步进机制(Step-wise Growth)。在步进机制下,生长主要发生在台阶边缘,迁移率高度依赖于台阶的几何形状和扩散长度。本章引入了Burton-Cabrera-Frank (BCF) 理论的现代修正版,重点分析了螺旋位错如何持续提供台阶边缘,从而在较低过饱和度下维持生长。我们利用分子动力学模拟(MD)的结果来校准BCF模型中的界面附着系数,并探讨了在高倾角界面(如孪晶边界附近)处,原子迁移的激活能壁垒如何被显著降低。 此外,本章还专门讨论了非线性动力学效应,包括由快速生长引发的界面失稳(Interface Instability)。我们分析了 Mullins-Sekerka 不稳定性理论,解释了在径向或平面生长过程中,热或溶质场的扰动如何导致枝晶(Dendrite)的形成。本书提供了详细的线性稳定性分析工具,用于计算临界波长和失稳速率,强调了界面能各向异性(Gamma-Anisotropy)在决定枝晶生长方向和分支模式中的决定性作用。 第三章:扩散控制与溶质排斥的形貌选择 在许多实际的晶体生长过程中,物质输运——主要是热量和溶质的扩散——而非界面反应速率,成为限制生长的主要因素。本章专注于扩散场与生长界面的相互作用。 我们从Fick第二定律出发,推导了在稳态和非稳态扩散场下,晶体生长前沿的溶质浓度分布。重点分析了溶质过饱和区(Solute Trapping)的形成,特别是在高生长速率下,溶质原子来不及从界面移开而被包裹进晶格的现象。本书详细阐述了溶质拖曳(Solute Drag)效应如何影响界面的有效粘滞系数,以及这如何导致生长速率的饱和。 一个核心部分是形貌选择(Morphology Selection)的理论解释。我们对比了在不同扩散系数比($D_L/D_S$)和不同热导率比下,由扩散场控制的生长。通过对Ivantsov函数的分析,本书解释了为什么枝晶会形成特定的尖锐的纵横比,并探讨了如何通过外部梯度(如电场或磁场)来调控扩散场,进而影响最终晶体的缺陷分布和宏观均匀性。 第四章:晶体界面缺陷的形成与控制 任何实际生长过程都伴随着缺陷的引入,这些缺陷(如位错、空位、夹杂物)严重制约了材料的最终性能。本章致力于从生长动力学的角度理解缺陷的起源和演化。 我们首先分类讨论了内生缺陷和外来缺陷。内生缺陷主要来源于界面失稳过程中形成的胞状或网状结构,以及由于界面快速推进时原子错排形成的位错源。本书特别关注了孪晶界(Twin Boundaries)的生成机制,解释了在特定的低指数面生长过程中,由于能量最小化驱动的原子堆垛失常(Stacking Faults)如何演化为稳定或非稳定的孪晶界。 对于外来缺陷,如来自母相(熔体或溶液)的杂质或非晶相夹杂,本章重点分析了它们在界面上的捕获动力学。我们运用了非线性扩散方程来模拟夹杂物被界面推移、最终被包裹的过程,并提出了通过界面倾斜(Facet Tilt)或改变生长速度的周期性波动来有效“洗涤”界面杂质的策略。 第五章:先进表征技术与计算模拟的集成 为验证和完善上述理论模型,本章介绍了当前研究晶体生长前沿的实验和计算工具。 在实验方面,本书详细介绍了原位拉曼光谱、同步辐射X射线衍射(XRD)在监测生长温度场和应力场方面的应用。重点阐述了高时间分辨的扫描透射电子显微镜(STEM)如何实现对原子级界面结构的实时成像,特别是在液相外延(LPE)和分子束外延(MBE)过程中的界面反应追踪。 在计算方面,本书重点讨论了密度泛函理论(DFT)在计算不同晶向上的表面能和原子迁移能垒中的作用,以及如何将这些微观参数反馈至相场模型。此外,我们还展示了如何利用格子玻尔兹曼方法(LBM)来高效模拟复杂流场下的大尺度晶体生长,以弥补传统有限元方法在处理快速移动界面时的计算瓶颈。 总结与展望 本书的结论部分总结了热力学驱动、动力学限制和扩散场耦合在决定晶体宏观形貌和微观缺陷结构中的相互制约关系。展望部分指出了未来研究方向,特别是在非平衡态相变、高熵合金的非平面生长以及界面能量在极端条件下的变化等方面,仍存在大量待解决的科学难题。本书力求为读者提供一个扎实的理论工具箱,以应对未来更复杂、多组分晶体生长系统的挑战。

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读后感

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拿到《晶体定向生长》这本书,我最先被吸引的是它所揭示的那些令人惊叹的精密控制能力。作者在书中不仅仅是罗列公式和理论,而是将我们带入一个充满挑战但又极具创造性的领域。对于“定向生长”这个概念,我之前仅有模糊的认识,认为只是让晶体按照某种方向生长而已。但这本书彻底颠覆了我的认知。作者深入浅出地讲解了为何晶体的特定取向如此重要,它直接关系到材料的电学、光学、力学性能,甚至影响到器件的效率和寿命。书中对各种生长技术,如CVD(化学气相沉积)、MBE(分子束外延)等,进行了细致的剖析,不仅解释了它们的物理过程,还着重强调了在实际操作中,如何通过精确调控生长温度、气体流量、基底材料等参数,来实现对晶体取向的精确控制。我尤其喜欢作者在讲述一些复杂工艺时,引入的类比和生活化的例子,让那些原本遥不可及的纳米尺度下的精细操作,变得生动易懂。比如,他将原子层的沉积过程比喻成砌砖匠砌墙,每一块“砖”(原子)都需要按照严谨的顺序和方向放置,才能建成稳固且符合要求的“墙体”(晶体)。书中的案例分析也很扎实,从半导体行业中的硅基材料,到光学领域的光子晶体,再到如今备受关注的新型二维材料,都展示了定向生长技术在推动这些领域发展中的核心作用。读完关于应力诱导取向改变的章节,我更是觉得,这门技术不仅仅是科学,更是一门艺术,需要在理论指导下,加上实践中的经验和对微观世界的深刻洞察。

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我抱着极大的好奇心翻开了《晶体定向生长》这本书,原本以为这会是一本充斥着专业术语和复杂公式的枯燥读物。然而,事实证明我的担忧是多余的。作者以一种极为生动且富有洞察力的方式,为我揭示了晶体世界的神奇之处。他不仅仅是在讲解“如何让晶体朝着某个方向生长”,更是深入探讨了“为什么”需要定向生长,以及这种生长方式如何直接影响到材料的宏观性能。书中对晶体取向与材料性能之间关系的阐述,简直可以用“醍醐灌顶”来形容。例如,在探讨半导体材料时,作者详细解释了为何特定取向的晶体能够提供更优异的载流子迁移率,从而提升芯片的运行速度和功耗效率。在光学领域,他也通过具体的例子,说明了定向生长如何影响材料的光学各向异性,进而影响到激光器、LED等器件的发光效率和光谱特性。我特别喜欢书中对于不同生长方法的比较分析,从传统的液相外延到先进的原子层沉积,作者都给出了详实的原理介绍,并且结合了实际应用中的挑战和解决方案。他用“搭积木”的比喻来形容原子层的精确堆积,形象地展示了 MBE 等技术的高精度控制能力。书中的一些案例分析,比如如何通过外延衬底来诱导目标晶体的特定取向,让我觉得这不仅仅是科学,更是一门精妙的工程艺术。这本书让我对晶体世界有了更深层次的认识,也为我打开了一扇探索材料科学新可能的大门。

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我抱着极大的期待阅读了《晶体定向生长》这本书,这本书并没有让我失望,反而让我对这个领域产生了浓厚的兴趣。作者以其深厚的专业知识和卓越的写作技巧,将晶体生长这个复杂而又迷人的主题,以一种清晰、生动且富有启发性的方式呈现给我。我特别欣赏书中对“核化”过程的深入讲解。作者详细阐述了晶体生长是如何从微小的“晶核”开始,然后在合适的条件下逐渐长大。他将核化过程比作“播种”,而定向生长的关键,就在于如何精准地在“土壤”中播下高质量的“种子”,并引导它们朝着我们期望的方向生长。书中对不同生长技术,如外延生长、自立生长、定向凝固等,都进行了详尽的介绍。我印象深刻的是,作者在讨论外延生长时,强调了基底材料的晶格结构与外延层晶格结构之间的“匹配度”对生长质量的重要性。他用“搭房子”的比喻,说明了基底就像地基,地基的稳定性直接影响着房子的稳固程度。书中也穿插了许多与定向生长相关的应用案例,比如在光学领域,如何通过定向生长来制备具有特定光学性能的晶体;在电子领域,如何通过定向生长来制造高性能的半导体器件。这本书让我深刻认识到,晶体定向生长不仅仅是一门科学,更是一门艺术,它融合了物理、化学、材料科学等多学科的知识,并且需要精密的实验操作和对微观世界的深刻理解。

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拿起《晶体定向生长》这本书,我首先就被它那严谨而又充满活力的语言风格所吸引。作者在书中并没有将复杂的科学原理简单化,而是以一种高度概括但又不失细节的方式,将晶体定向生长的奥秘展现在我眼前。我尤其欣赏书中对“能量最小化原理”在晶体生长中的应用阐释。作者巧妙地解释了原子在自由能的驱动下,如何倾向于选择最稳定的晶格结构,而定向生长技术正是利用了这一原理,通过外部调控来引导这种“选择”朝着我们期望的方向发展。书中对不同生长方法,如液相外延、气相外延、固相外延等,都进行了深入的探讨,并且着重分析了它们各自的优势、劣势以及适用范围。我印象深刻的是,作者在描述气相外延过程中,如何通过控制反应物分压和温度梯度来实现对晶体生长速率和取向的精确控制。他将这个过程比作“精准的化学反应配方”,每一种“原料”的比例和“烹饪”的温度都至关重要。书中还列举了许多实际应用案例,从集成电路中的硅片制造,到LED发光材料的制备,再到高性能激光器的开发,都离不开定向生长技术的支撑。读到关于界面能对取向的影响时,我才真正理解到,原来不同材料之间的“亲近程度”,也能够影响晶体的生长方向。这本书不仅拓展了我的科学视野,更让我对微观世界的精巧设计产生了由衷的赞叹。

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《晶体定向生长》这本书,对我而言,不仅仅是一本关于科学的书,更是一次关于“秩序”与“创造”的哲学探索。作者在书中并没有仅仅停留在技术层面,而是通过对晶体生长过程的深入剖析,揭示了物质世界内在的规律性和可塑性。我最受触动的是,作者在书中反复强调了“控制”的重要性。晶体定向生长,本质上就是一种对微观世界的精妙控制,它要求我们理解物质的基本属性,然后通过精确的手段,将其塑造成我们所需要的形态。书中对不同生长技术,如真空蒸镀、溅射、原子层沉积等,都进行了详尽的介绍。我尤其喜欢他对原子层沉积(ALD)的描述,将其比作“一层一层地给原子‘穿衣服’”,形象地展现了ALD技术以单原子层为单位进行精确沉积的能力,这种能力对于制备超薄、高均匀度的功能材料至关重要。书中也探讨了宏观环境因素,如温度、压力、气氛等,如何影响微观原子层的排列,以及如何通过调控这些因素来实现对晶体取向的引导。我印象深刻的是,作者在讨论晶体取向对磁性材料性能的影响时,提到了一些特殊取向的晶体能够表现出更加优异的磁学特性,这让我意识到,原来“方向”的力量,在微观世界中同样如此强大。这本书让我深刻体会到,科学的魅力在于揭示规律,而技术的精髓则在于利用规律来创造无限可能。

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读完《晶体定向生长》这本书,我感觉自己仿佛经历了一场关于物质演化的精彩旅程。作者以其深厚的学养和独特的视角,将晶体生长这一看似平凡的自然现象,描绘得如此生动而又深刻。我尤其欣赏书中对“晶格畸变”和“应力松弛”在定向生长中的作用的阐释。作者解释了当外延层与衬底之间的晶格不匹配时,会产生应力,而这种应力如果得不到有效的松弛,就会导致晶体质量下降。定向生长技术,不仅仅是让晶体按照某个方向生长,更要关注生长过程中的“内在和谐”,尽量减少不必要的“冲突”。书中对不同生长技术,如分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)等,都进行了深入的介绍。我印象深刻的是,作者在讨论MBE生长时,详细介绍了如何通过精确控制分子束的流量和基底温度,来实现原子级别的精确沉积,以获得高质量的单晶薄膜。他将MBE技术比作“在真空中的原子‘交响乐’”,每一种“乐器”(分子束)的演奏都必须精准协调,才能奏出和谐的乐章。书中也穿插了许多与定向生长相关的应用案例,比如在半导体领域,如何通过定向生长来制备高性能的晶体管和传感器;在光学领域,如何通过定向生长来制造具有特殊光学性能的薄膜材料。这本书让我深刻认识到,晶体定向生长不仅是一门科学,更是一门艺术,它需要理论的指导、精密的实验,以及对物质世界深刻的洞察力。

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《晶体定向生长》这本书,我可以说,它满足了我对一门前沿科学入门读物的所有期待,甚至超越了我最初的设想。一开始,我以为这会是一本纯粹的理论书籍,充满枯燥的数学公式和晦涩的物理概念。然而,作者用一种非常人性化的方式,将晶体生长的复杂世界娓娓道来。书中并没有回避理论的深度,但它通过丰富的图示、清晰的逻辑结构,以及恰到好处的例证,使得那些复杂的原理,例如表面能、晶格匹配、界面控制等,变得易于理解。我特别欣赏的是,作者在探讨不同生长技术时,并没有仅仅停留在原理介绍,而是深入到实际操作中的关键点,比如如何避免孪晶的形成,如何控制晶界的粗糙度,以及如何监测生长过程的实时状态。这些细节的描绘,让我深切感受到,在微观尺度上进行精确控制是多么不容易,也更加佩服那些在这个领域辛勤耕耘的科学家们。书中对不同材料体系的定向生长实例分析,也让我大开眼界,从传统的硅片,到用于显示技术的氧化铟锡,再到新能源领域的钙钛矿太阳能电池,都离不开晶体定向生长的技术支撑。我印象深刻的是,作者在描述如何通过改变衬底晶面来引导外延生长时,用到了“模具”的比喻,形象地解释了衬底表面原子排列对后续外延层原子排列的“约束”作用。这本书不仅仅是传授知识,更是激发了我对这个领域探索的兴趣,让我开始思考,在未来的材料科学和器件设计中,定向生长技术还能带来怎样的突破。

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《晶体定向生长》这本书,让我对微观世界的精巧与宏观世界的壮丽产生了更深的连接。作者并没有拘泥于枯燥的理论公式,而是以一种富有逻辑和画面感的方式,带领我一步步走进晶体生长的奇妙世界。我尤其喜欢书中关于“晶面能”对取向影响的解释。作者形象地将不同晶面比作一张张“脸”,而这些“脸”所感受到的“能量”(表面能)不同,也决定了它们更倾向于暴露在何种生长环境下。定向生长技术,正是利用了这种能量上的差异,通过调控生长条件,使得我们期望的特定晶面能够占据主导地位。书中对不同生长技术,如水热法、熔剂法、固相扩散等,都进行了详尽的介绍。我印象深刻的是,作者在讨论水热法生长石英晶体时,详细介绍了如何通过控制温度梯度和溶液浓度,来引导石英晶体沿着特定的晶轴方向生长。他将这个过程比作“在高温高压的‘温室’里,为晶体‘量身定制’生长环境”。书中也穿插了许多与定向生长相关的应用案例,比如在宝石学领域,如何通过定向生长来合成高质量的宝石;在催化领域,如何通过定向生长来制备具有高催化活性的晶体材料。这本书让我深刻体会到,即使是肉眼看不见的微观世界,也充满了精妙的设计和严谨的规律,而定向生长技术,正是我们理解和利用这些规律的强大工具。

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《晶体定向生长》这本书,对于我这个在相关领域并非专业人士的读者来说,无疑是一场精彩绝伦的知识盛宴。我原本抱着学习基础知识的目的开始阅读,却被作者深厚的功底和卓越的叙述能力所折服。书中并没有简单地罗列生长技术,而是通过溯源、对比和深入剖析,将晶体定向生长的发展脉络和关键技术一一呈现。我对书中关于“缺陷”的讨论尤为印象深刻。作者并没有回避生长过程中不可避免的缺陷,反而将其视为影响晶体性能的重要因素,并详细介绍了如何通过优化生长条件来减少或控制这些缺陷。他将缺陷的形成比作“生产线上的小插曲”,而解决这些“插曲”的办法,就是不断调整“生产流程”。书中对各种外延技术,如LPE、VPE、MBE、CVD等,都进行了细致的讲解,并且不仅仅是原理上的阐述,还包含了许多实际操作中的经验总结和技巧分享。例如,在讨论MBE生长时,作者花了很大篇幅去讲解如何精确控制分子束的流量和基底温度,以实现原子级别的精确沉积。读到关于表面重构对生长取向的影响时,我才意识到,原来微观世界的“表面形态”竟然能对宏观晶体的最终形态产生如此重大的影响。书中还穿插了一些历史上的重要发现和应用案例,比如首个高性能半导体材料的诞生,以及光电子器件的飞速发展,都离不开定向生长技术的进步。这本书让我对材料科学领域有了全新的认识,也让我更加敬佩那些在微观世界里默默探索的科学家们。

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这本《晶体定向生长》我拿到手上就迫不及待地翻开了,本来以为会是一本晦涩难懂的学术专著,结果惊喜地发现,虽然内容深入,但作者的叙述方式却相当引人入胜。开篇就用一个生动的比喻,将晶体生长比作大自然的鬼斧神工,从一颗微小的种子,通过精妙的分子排列,逐渐凝结成我们所见的璀璨宝石或功能强大的半导体材料。书中对于生长环境的探讨尤其让我着迷,例如温度、压力、化学成分以及溶液的过饱和度等等,这些看似微小的参数,却能直接影响到晶体的取向、尺寸、纯度乃至最终的性能。作者详细阐述了不同生长方法的原理,像是液相外延、气相沉积,以及它们各自的优势和局限性,并且还穿插了一些历史上重要晶体发现和应用的故事,让枯燥的科学原理变得鲜活起来。读到关于晶面应力对取向的影响时,我仿佛看到了那些看不见的微观世界里,原子们在不懈地寻求最稳定的排列方式,而这种“追求”最终塑造了宏观晶体的形态。而且,作者并没有止步于基础原理的介绍,他花了很大篇幅去讨论如何通过控制生长条件来“引导”晶体的特定取向,这对于电子器件、光学元件等高科技领域的应用至关重要。书中列举了许多具体的实例,比如如何在硅片上生长出特定取向的氮化镓,这对于制造高效LED和激光器起着决定性作用。我印象特别深刻的是,作者用图文并茂的方式,展示了不同生长参数下的晶体形貌差异,甚至是一些肉眼难以察觉的缺陷,是如何被精准地捕捉和分析的。这本书让我对“生长”这个词有了全新的理解,它不再仅仅是简单的物质堆积,而是一个充满智慧和艺术的过程。

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