Growth of Crystals

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出版者:
作者:Givargizov, E. I. (EDT)/ Melnikova, A. M. (EDT)
出品人:
页数:216
译者:
出版时间:2002-7
价格:$ 428.27
装帧:
isbn号码:9780306181214
丛书系列:
图书标签:
  • 晶体生长
  • 材料科学
  • 物理学
  • 化学
  • 固体物理
  • 材料工程
  • 纳米材料
  • 结晶学
  • 相变
  • 薄膜技术
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具体描述

"Growth of Crystals, Volume 21" presents a survey, with detailed analysis, of the scientific and technological approaches, and results obtained, by leading Russian crystal growth specialists from the late 1990's to date. The volume contains 16 reviewed chapters on various aspects of crystal and crystalline film growth from various phases (vapour, solution, liquid and solid). Both fundamental aspects, e.g. growth kinetics and mechanisms, and applied aspects, e.g. preparation of technically important materials in single-crystalline forms, are covered. A large portion of the volume is devoted to film growth, including film growth from eutectic melt, from amorphous solid state, kinetics of lateral epitaxy and film growth on specially structured substrates. An important chapter in this section covers heteroepitaxy of non-isovalent A3B5 semiconductor compounds, which have important applications in the field of photonics. The volume also includes a detailed analysis of the structural aspects of a broad range of laser crystals, information that is invaluable for successfully growing perfect, laser-effective, single crystals.

晶体生长:材料科学的精微之舞 图书简介 《晶体生长:材料科学的精微之舞》是一部深度剖析晶体形成过程、控制技术及其在现代科技中广泛应用的专著。本书旨在为材料科学家、物理学家、化学工程师以及高年级本科生和研究生提供一个全面而深入的理论框架与实践指导,尤其侧重于如何通过精确调控生长环境来塑造具有特定性能的理想晶体结构。 本书摒弃了对晶体“生长”这一过程的肤浅描述,转而聚焦于微观尺度的原子/分子自发有序化的复杂热力学和动力学机制。全书结构严谨,逻辑清晰,分为七个主要部分,层层递进地揭示了晶体工程学的核心奥秘。 --- 第一部分:晶体生长的基础理论与热力学基石 (Foundations and Thermodynamics) 本部分奠定了理解晶体生长的理论基础。我们首先回顾了固体物理学中晶体结构的本质,重点阐述了周期性、缺陷的类型(点缺陷、线缺陷、面缺陷)及其对宏观性能的影响。 随后,本书深入探讨了成核理论。这部分详细对比了均匀成核与异相成核的机制差异,并引入了经典的吉布斯自由能模型,精确计算了临界成核半径与过饱和度(或过冷度)之间的关系。我们讨论了成核势垒如何受表面能、几何形状的制约,并引入了更现代的非经典成核理论,以解释在实际复杂体系中观察到的快速成核现象。 在热力学方面,重点分析了固-液界面能的各向异性,这是决定晶体生长形态(如锐角、平滑面)的关键因素。通过计算晶体在不同温度下的相平衡曲线,读者可以掌握如何通过控制温度梯度来诱导或抑制特定相的生长。 第二部分:生长动力学与界面控制 (Kinetics and Interface Control) 晶体生长速度并非仅由热力学决定,动力学过程——即物质输运与界面反应——占据了核心地位。 本章详细分析了传质过程,包括扩散、对流在溶液生长、气相生长中的作用。我们利用菲克定律和纳维-斯托克斯方程的简化形式,建立了浓度梯度与生长速率之间的定量关系,尤其是在受限几何形状(如微重力环境)下的特殊表现。 界面动力学部分是本书的重点。我们探讨了步进机制 (Step Bunching)、螺旋生长以及表面重构现象。通过引入Rovaris-Burton-Cabrera (BCF) 模型及其后续的修正版本,我们能够解析在不同过饱和度下,晶体表面原子排列从二维成核向台阶扩展的转变过程。对于高指数面,我们引入了结点理论来解释其不稳定性导致的生长形态突变。 第三部分:溶液与熔体生长技术 (Solution and Melt Growth Techniques) 本部分专注于两种最常见的工业和科研生长方法:溶液法和熔体法。 溶液生长技术:我们系统地介绍了从室温饱和溶液生长(如蒸发法、降温法)到高温高压水热合成 (Hydrothermal Synthesis) 的全过程。对于水热法,本书详细解析了“溶解-迁移-沉淀”循环的机制,并特别讨论了矿物晶体生长中对酸碱度(pH值)的敏感性控制。 熔体生长技术:这是半导体工业的支柱。我们详细阐述了切赫劳斯基法 (Czochralski, Cz) 的工程实现,包括籽晶接触、拉拔速度、旋转速率对晶体质量(如位错密度、偏析)的影响。对于需要高纯度且不易受容器污染的材料,本书深入探讨了浮区法 (Floating Zone, FZ) 的热场设计,强调了如何利用表面张力维持熔体悬浮的稳定性。 第四部分:气相沉积与外延生长 (Vapor Deposition and Epitaxy) 气相生长,尤其是外延生长,是微电子、光电子器件制造的关键。 本书区分了物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD)。在PVD部分,我们详细比较了热蒸发和溅射的物理过程,重点分析了粒子能量对薄膜的致密性和应力的影响。 CVD部分是本书的难点与亮点。我们深入分析了反应物在基底表面的吸附、反应、脱附的化学动力学,并引入了MOCVD(金属有机化学气相沉积)中气相传热与传质的耦合模型。 外延生长:本章的核心是实现晶体与基底之间的完美晶格匹配。我们讨论了错配应变的演化,从弹性应变到形成失配位错的临界厚度概念。同时,对 MBE(分子束外延)中原子级精确控制的机理进行了深入剖析。 第五部分:非平衡生长与缺陷工程 (Non-Equilibrium Growth and Defect Engineering) 现代晶体生长往往发生在远离热力学平衡的非平衡态。本部分专门探讨了这种状态下的复杂现象。 我们探讨了快速凝固过程中可能出现的非晶化现象,以及枝晶生长 (Dendritic Growth) 的形态不稳定性。 缺陷工程:晶体性能(如导电性、光学特性)常常由精确掺杂的缺陷决定。本书详细分析了杂质的偏析系数在不同生长方法下的差异,以及如何利用过饱和度控制杂质的固溶极限。对于半导体材料,我们讨论了非化学计量比对载流子浓度的决定性影响。 第六部分:晶体质量表征与分析 (Characterization Techniques) 生长出晶体只是第一步,准确表征其质量至关重要。 本章系统介绍了无损与微损分析技术。重点讲解了X射线衍射 (XRD) 在确定晶体结构、晶格常数和微观应变方面的应用,特别是高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 在原子尺度缺陷成像上的能力。此外,还包括光致发光 (PL)、拉曼光谱对电子结构和晶格振动的敏感性分析,以及肖克尔缺陷计数法在评估半导体衬底质量中的应用。 第七部分:特定材料体系的生长挑战 (Growth Challenges in Specific Materials Systems) 本书最后一部分将理论与实践相结合,选取了几个具有挑战性的材料体系进行案例分析。 1. 半导体(如GaN, SiC):探讨了高熔点、高分解压力下外延层生长的难题,以及如何利用亚胺或特定衬底解决晶格失配问题。 2. 铁电/压电陶瓷:分析了非中心对称晶体生长中电畴结构的形成与调控。 3. 功能性氧化物:以钙钛矿结构为例,讨论了氧分压对晶体化学计量和缺陷产生的决定性影响。 通过这部全面而深入的论著,读者将不仅理解“晶体如何生长”,更重要的是掌握“如何精确控制晶体生长以实现所需功能”的精微科学与工程艺术。全书贯穿了从原子尺度的成核理论到宏观工业化生产的全过程,是晶体工程领域不可或缺的工具书。

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用户评价

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这本《晶体生长》的阅读体验,简直是一次对物质世界深层奥秘的探寻之旅。我原本以为这会是一本枯燥的技术手册,充满了晦涩难懂的公式和图表,但事实远非如此。作者以一种近乎诗意的笔触,将晶体从无序的溶液中自发有序地构建过程描绘得栩栩如生。初读之下,最吸引我的是它对“成核”现象的细致剖析。那种微小的、随机的初始结构如何凭借能量的微小优势,克服巨大的势垒,成为未来宏大晶体结构的基石,这种自然的创造力令人震撼。书中对不同温度梯度和过饱和度对晶体形态影响的论述,仿佛一位经验老到的园丁在讲述如何通过精心的环境调控,培育出形态各异、纯净美丽的“自然艺术品”。更令人称奇的是,书中并未止步于理论,而是穿插了大量实际案例,比如半导体材料中如何通过精确控制生长速率来优化电子性能,以及宝石培育中如何模拟地质压力来加速结晶过程。这种理论与实践的完美结合,让原本抽象的物理化学过程变得触手可及,极大地激发了我对材料科学更深层次的兴趣。

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如果要用一个词来概括这本书带给我的阅读体验,那便是“沉浸感”。作者的叙述风格非常富有画面感,他擅长用精确而富有感染力的语言来描述那些人眼无法直接观察到的原子尺度的舞蹈。想象一下,在超高真空和极高温度的环境下,原子如何“决定”它们下一步的落脚点,如何形成层层叠叠的完美堆垛结构——书中对此的描绘,让人仿佛置身于一个微观世界的实验室中。尽管涉及大量高阶数学模型,但作者总能巧妙地用物理直觉来解释这些模型的意义,避免了纯粹的符号堆砌。对于那些希望真正理解晶体生长“为什么”会发生,而不仅仅是“如何”操作的读者来说,这本书无疑是首选。它成功地架起了从量子力学基础到工业化生产之间的桥梁,让读者能够清晰地看到基础理论是如何转化为改变世界的实用技术的。

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阅读完《晶体生长》,我最大的收获在于它所蕴含的严谨的科学哲学思想。作者始终强调,晶体生长是一个充满竞争与妥协的过程——是能量最小化与动力学速率之间的博弈。书中对“孪晶”和“相变”的深入分析,揭示了材料在应力或温度变化下,其内部结构如何通过最经济的方式进行重组以适应新的环境。这种对“变化”和“适应”的关注,将原本静态的晶体结构描述赋予了动态的生命力。此外,书中对分析工具的介绍也非常到位,从电子显微镜的图像解析到X射线衍射数据的处理,作者没有把这些工具视为黑箱,而是教会读者如何“阅读”这些数据背后的物理意义。总而言之,这本书不仅是晶体生长领域的权威参考,更是一本极佳的科学思维训练手册,它教会我如何从微观层面去理解宏观物质的复杂性与和谐之美。

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深入研读这本书后,我最大的感受是它在方法论上的严谨和全面性。它不仅仅是简单罗列了各种生长技术,而是构建了一个完整的分析框架。书中详尽地对比了从溶液法、熔融法到气相沉积法(CVD)等主流技术的优缺点,尤其是在处理高纯度、大尺寸晶体方面的挑战和解决方案上,提供了许多独到的见解。例如,在讨论真空条件下薄膜沉积时,作者对基底表面的原子级粗糙度控制的强调,清晰地揭示了宏观材料性能如何最终取决于微观界面的质量。我特别欣赏其中关于“缺陷工程”的部分,即如何有意或无意地引入位错、孪晶界等结构性缺陷来调控晶体的机械或光学性质。这种从“追求完美”到“驾驭不完美”的思维转变,体现了作者对材料科学前沿的深刻理解。这本书的结构安排非常合理,从基础的热力学和动力学原理出发,逐步过渡到复杂的工程应用,使得即便是跨学科的读者也能循序渐进地掌握核心概念。

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这本书的学术深度和广度,让我不得不重新审视我对“晶体”这个概念的认知。它不仅仅是矿物学或材料学的一个分支,而是渗透到生命科学、物理学甚至信息技术的核心。书中关于生物矿化过程的章节,描述了贝壳、骨骼等生物体如何利用有机模板来精确控制无机晶体的生长,其复杂度和效率远超我们当前的人工合成技术,这无疑为仿生材料的设计提供了宝贵的灵感。此外,书中对非平衡态生长过程的讨论尤为精彩,它探讨了为什么在快速生长时会出现枝晶、树枝状结构,以及如何通过“动力学选择”来获得特殊的非热力学平衡相。这种对过程动态性的捕捉,使得这本书具有了强大的前瞻性。我感觉自己不是在阅读一本教科书,而是在参与一场由顶尖科学家引领的、对自然界基本规律的深度对话,每一次翻页都伴随着知识的刷新和认知的拓展。

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