一、课程简介

本课程是一门专业基础课程，主要介绍几类重要功能晶体材料的生长和应用。通过本课程学习，使学生掌握晶体生长的基本理论，了解相关人工晶体工业化生长设备的结构和工作原理，掌握几类重要功能晶体材料的生长和应用技术，掌握不同晶体生长方法的原理，具备鉴别和分析常见晶体缺陷的基本能力，为进行材料科学和工程方面的研究打下基础。

二、教学目标

(1)掌握晶体生长所涉及的热力学与动力学原理，以及晶体生长的基本理论；

(2)掌握晶体溶液生长方法的基本原理与技术，理解影响溶液稳定相的关键因素；

(3)掌握熔体法晶体生长原理与技术，包括提拉法和 坩埚下降法的生长设备控制原理和技术；

(4)掌握晶体的助溶剂法生长原理与技术，了解晶体的气相生长方法；

(5)掌握常见晶体缺陷的检测技术和分析方法；

(6)掌握激光晶体、非线性光学晶体、半导体晶体的的生长技术、结构、性能、应用与发展；

(7)了解闪烁晶体、声光晶体、磁光晶体、单晶光纤、宝石晶体、压电晶体的发展现状。

三、教学内容、要求和学时分配

（一）课程概述（或绪论、概论等）     学时：4

教学内容：

1.课程简介：课程总学时数、课程的目的与任务、课程要求与考试、主要参考书等

2.人工晶体综述 ：晶体的性质和结构特点、人工晶体发展历史、晶体生长方法（溶液法、提拉法、熔盐法……）等

3. 晶体的宏观性质,

4. 晶体的用途

教学要求：

1. 七大晶系的结构特点。

2. 掌握晶体的主要宏观性质；了解工业化生产中几大类晶体的重要用途。

重点、难点：晶体的应用与晶体宏观性质的关系

（二）晶体的微观结构和表征方法     学时：2

1. 晶体的微观结构特点

2. 晶体结构的实验表示方法；

教学要求：

掌握七大晶系的微观结构参数特点；

掌握三种晶体结构X射线实验测试方法的基本原理。

重点、难点：

晶向和晶面的表示方法；

晶体结构表征方法的原理；

晶体的宏观性质与微观结构的关系。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：讨论课

（三）晶体的溶液法生长        学时：2

教学内容：

1. 晶体生长方法的分类，溶液法晶体生长的基本原理；

2. 溶解度和溶液过饱和度的定义，溶液亚稳区宽度的定义；

3. 溶液稳定性的表征（稳定区、亚稳区和不稳区的划分与定义）。

教学要求：

掌握溶液法晶体生长的基本原理；

会计算溶液过饱和度、亚稳区宽度等参数；

理解溶液稳定性的含义。

重点、难点：

溶液稳定性和溶液亚稳态的理解。

（四）溶液中的成核过程    学时：3

教学内容：

1.均匀成核过程的理论分析；

2. 溶液诱导期理论计算和实验测试方法；

3. 提高溶液稳定性的方法和其它的溶液生长方法。

教学要求：

1.熟练掌握过饱和溶液中的主要成核过程的分类；

2.了解过饱和溶液中的均匀成核过程的计算过程；

3.了解过饱和溶液的诱导期的理论计算和实验测试方法，掌握提高溶液稳定性的方法。

重点、难点：

1.过饱和溶液中的主要成核过程；

2.过饱和溶液的诱导期的理论计算和实验测试方法。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：结合实验和讨论

（五）晶体的熔体法生长     学时：4

教学内容：

1熔体法晶体生长的基本原理；

2提拉法晶体生长设备；

3提拉法晶体生长的工艺流程；

4溶质分凝以及晶体和熔体中的溶质分布。

教学要求：

1.掌握熔体法生长晶体的基本原理；

2.了解提拉法生长晶体的设备，掌握提拉法生长晶体的工艺流程；

3.掌握晶体生长过程中的组分分凝和熔体中的溶质分布。

重点、难点：

组分分凝和溶质分布；

（六）组分过冷与热量输运          学时： 3

教学内容：

1.提拉法晶体生长固液界面稳定性和组分过冷；

2. 提拉法晶体生长过程中的温度分布；

3..提拉法晶体生长的温场设计。

教学要求：

1.掌握温场设计对于提拉法晶体生长的重要性；

2.理解晶体生长过程中的热量传输原理和界面形状以及对晶体质量的影响。

重点、难点：

界面稳定性和组分过冷以及对晶体质量的影响

实验课、习题课、讨论课等教学形式：结合实验演示和讨论

（七）提拉法中晶体直径的控制    学时：2

教学内容：

1.提拉法晶体生长过程中固-液界面处的能量守恒；

2.提拉法晶体生长过程中直径自动控制。

教学要求：

掌握晶体生长过程中固-液界面处的能量守恒方程；

了解提拉法晶体生长过程中直径自动控制原理。

重点、难点：

固-液界面处的能量守恒方程的理解

（八）其它熔体晶体生长方法    学时：3

教学内容：

布里奇曼(Bridgman)法

冷坩埚法和导模法

光学浮区法和水平区熔法

教学要求：

掌握三种晶体生长方法的基本原理和主要工艺要点；

了解三种方法生长晶体的优点和缺点。

重点、难点：

不同熔体晶体生长方法之间的关系和区别

实验课、习题课、讨论课等教学形式：理论讲授结合讨论课

（九）晶体的助熔剂法生长    学时：2

教学内容：

助熔剂法晶体生长原理和助熔剂选择依据

助熔剂法生长装置、主要影响因素和应用举例

教学要求：

掌握助熔剂法晶体生长原理和助熔剂选择依据

熟悉助熔剂法生长装置、关键工艺参数。

重点、难点：

助熔剂法生长关键工艺技术。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：讲授和讨论

（十）晶体的水热法生长    学时：2

教学内容：

水热法晶体生长的基本原理和特点；

水热法晶体生长的装置和关键技术教学要求。

教学要求

掌握水热法晶体生长的基本原理和特点；

熟悉水热法晶体生长的装置和关键技术。

重点、难点：

水热法晶体生长的关键技术。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：讲授和讨论

（十一）晶体的气相生长方法    学时：4

教学内容：

气相法生长晶体的基本原理和特点

真空的基本知识

真空蒸发镀膜法

化学气相沉积法

脉冲激光沉积和分子束外延技术

教学要求：

掌握晶体气相生长方法基本原理；

了解几种常见的晶体气相生长方法的基本原理和关键技术。

重点、难点：

真空对于气相法生长的重要性；

影响晶体气相生长的关键因素；

分子束外延法的原理。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：实验演示加讨论

（十二）晶体的品质（组成、物相、质量）鉴定     学时：6

教学内容：

    晶体的组成分析方法：等离子体发射光谱、X射线荧光光谱及X-射线光电子能谱分析

    晶体的物相分析方法：X射线粉末衍射仪的工作原理和数据处理简介；X射线单晶衍射仪的工作原理和应用。

    晶体质量的表征方法：激光移相平面干涉仪，X射线摇摆曲线

    晶体缺陷的分类

    点缺陷的种类及分析方法

    线缺陷（刃型位错、螺型位错）的分析测试方法

    面缺陷（小角度晶界、孪晶界面）的分析测试方法

    体缺陷（晶体开裂、包裹体、生长条纹、生长扇形界）的分析测试方法

教学要求：

学会几种确定晶体的成分和晶相的方法;

掌握晶体质量的鉴定方法;

理解晶体中的主要的缺陷种类;

掌握晶体中缺陷的分析方法。

重点、难点：

X射线粉末衍射仪在晶体物相分析中应用。

晶界的位错模型和扇形界的形成。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：实验课结合讨论

（十三）同步辐射X射线形貌术在晶体缺陷测试中的应用    学时：2

教学内容：

    同步辐射的工作原理；

    同步辐射X射线形貌术的实验装置；

    同步辐射X射线形貌术的数据处理方法；

同步辐射X射线形貌术在晶体缺陷分析中的应用举例；

教学要求：

掌握同步辐射的工作原理；了解同步辐射X射线形貌术的实验装置;了解我国的几大同步辐射实验装置的主要性能参数。

重点、难点：

同步辐射X射线形貌术的实验装置及工作原理；

同步辐射X射线形貌术的数据处理方法。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：同步辐射实验图片展示和讨论

（十四）晶体生长基本理论     学时：4

教学内容：

介绍晶体生长理论的发展历史和研究对象;

晶体平衡形态理论;

界面生长理论;

周期键链理论;

教学要求：

掌握晶体平衡态生长理论的主要规律。

掌握界面生长理论和PBC（周期键链）理论的物理思想。

理解传统晶体生长理论存在的局限性。

重点、难点：

布拉维法则（Law of Bravais）

Curie-Wulff生长定律

完整光滑界面模型

周期键链理论中，F面、S面和K面的划分。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：理论讲授结合讨论

（十五）晶体生长理论的最新进展     学时：2

教学内容：

几种晶体生长机理研究实验方法介绍；

晶体棱边生长机制简介；

负离子配位多面体生长基元模型.

教学要求：

了解晶体生长理论的最新进展。

重点、难点：

负离子配位多面体生长基元模型。

实验课、习题课、讨论课等教学形式：理论讲授结合讨论

（十六）几种重要的激光晶体的生长、表征及其应用     学时：3

教学内容：

课程总复习

考试

四、教材与学习资源

青岛大学图书馆和主讲老师现有以下主要参考教材：

1.晶体生长原理与技术，介万奇著，科学出版社，2010年；

2.人工晶体：生长技术性能与应用，张玉龙，唐磊著，化学工业出版社，2005年；

3.晶体生长科学与技术（上下册），张克从，张乐潓编，科学出版社，1997年。

另外，青岛大学图书馆还有多本涉及晶体结构的X射线分析、同步辐射原理、晶体缺陷分析的专业参考书可供借阅，可以满足课程学习的需要。

实验条件方面：

青岛大学功能晶体材料实验室是“十二五”山东省高校光子学材料与技术强化重点实验室的重要组成部分。目前实验室拥有120平米的实验场地，有超纯水系统、通风实验系统等实验配套设施，有10余台熔盐法、提拉法、溶液法晶体生长设备。另有X射线单晶定向仪、激光数字移相干涉仪、金刚石线切割机、外圆切割机、Unipol系列手动和自动晶体抛光机、激光平面干涉仪、正反透射金相显微镜等小型加工测试设备，可以满足晶体样品的定向、切割、抛光及质量检测等基本处理。

综上所述，目前的实验条件完全可以满足学生开展所需的课程实验的需要。

五、考核方式

课程结束后将组织闭卷考试，另外将学生分成若干小组撰写课程论文并按小组组织答辩，课程的最后成绩包括期末试卷成绩、课程论文和平时成绩。

六、教学策略与方法建议

该课程应该是理论和技术并重，晶体生长本身涉及到很多的技术和工艺问题，需要综合机械仪器设备、物理、化学等诸多学科，是一门综合的科学，因此讲授过程中必须注重理论教学和实验演示、实验室动手参与实验相结合的方法，才能使学生更好的理解所教授的内容。另外，该课程涉及到很多的晶体的现实应用问题，因此必须注意与现实生活和生产中的相关仪器设备和技术应用相结合，注重联系实际，激发学生的学习兴趣。

该课程应该是理论和技术并重，晶体生长本身涉及到很多的技术和工艺问题，需要综合机械仪器设备、物理、化学等诸多学科，是一门综合的科学，因此讲授过程中必须注重理论教学和实验演示、实验室动手参与实验相结合的方法，才能使学生更好的理解所教授的内容。另外，该课程涉及到很多的晶体的现实应用问题，因此必须注意与现实生活和生产中的相关仪器设备和技术应用相结合，注重联系实际，激发学生的学习兴趣。

青岛大学图书馆和主讲老师现有以下主要参考教材：

1.晶体生长原理与技术，介万奇著，科学出版社，2010年；

2.人工晶体：生长技术性能与应用，张玉龙，唐磊 著，化学工业出版社，2005年；

3.晶体生长科学与技术（上下册），张克从，张乐潓编，科学出版社，1997年。

另外，青岛大学图书馆还有多本涉及晶体结构的X射线分析、同步辐射原理、晶体缺陷分析的专业参考书可供借阅，可以满足课程学习的需要。

实验条件方面：

青岛大学功能晶体材料实验室是“十二五”山东省高校光子学材料与技术强化重点实验室的重要组成部分。目前实验室拥有120平米的实验场地，有超纯水系统、通风实验系统等实验配套设施，有10余台熔盐法、提拉法、溶液法晶体生长设备。另有X射线单晶定向仪、激光数字移相干涉仪、金刚石线切割机、外圆切割机、Unipol系列手动和自动晶体抛光机、激光平面干涉仪、正反透射金相显微镜等小型加工测试设备，可以满足晶体样品的定向、切割、抛光及质量检测等基本处理。

综上所述，目前的实验条件完全可以满足学生开展所需的课程实验的需要。

(1)掌握晶体生长所涉及的热力学与动力学原理，以及晶体生长的基本理论；

(2)掌握晶体溶液生长方法的基本原理与技术，理解影响溶液稳定相的关键因素；

(3)掌握熔体法晶体生长原理与技术，包括提拉法和 坩埚下降法的生长设备控制原理和技术；

(4)掌握晶体的助溶剂法生长原理与技术，了解晶体的气相生长方法；

(5)掌握常见晶体缺陷的检测技术和分析方法；

(6)掌握激光晶体、非线性光学晶体、半导体晶体的的生长技术、结构、性能、应用与发展；

(7)了解闪烁晶体、声光晶体、磁光晶体、单晶光纤、宝石晶体、压电晶体的发展现状。

1.晶体生长原理与技术，介万奇著，科学出版社，2010年；

2.人工晶体：生长技术性能与应用，张玉龙，唐磊 著，化学工业出版社，2005年；

3.晶体生长科学与技术（上下册），张克从，张乐潓编，科学出版社，1997年。