晶体培育(卷名：矿冶)
crystal growth
研究晶体特别是单晶体生长方法和晶体生长机理的化学、物理学及晶体学，以及晶体质量的检验和控制等。是现代科学的一个重要领域。单晶体通常是指在宏观尺度范围内不包含大角度晶界的晶体。在自然界中存在着许多大的单晶体，如水晶、方解石、金刚石等。但多数金属、氧化物、盐类等均不以单晶体的形式存在，这些物质的单晶往往需要用人工的方法加以培育。随着现代科学和工程技术的发展，单晶在理论上和实用上都占有重要的地位，例如：许多半金属（锗、硅等）和Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ-Ⅵ族化合物单晶是制作电子、 激光和红外器件的材料。在金属物理和材料科学领域内，如金属强度、形变、相变、晶体缺陷和扩散等，单晶也是重要的研究对象。由于研究的内容不同和实际应用的差别，对晶体的大小和质量的要求也各不相同，因此出现许多培育晶体的方法。
从熔体中培育单晶 ①提拉法 将金属或合金在保护气氛下加热熔化，然后用一定取向的籽晶引提熔体，一面旋转，一面按一定速度上升，溶体在上升过程中逐渐凝固结晶成单晶。这种方法是1918年波兰的乔赫拉斯基(J.Czochraski)首先提出的，故称为乔赫拉斯基法（或称提拉法），见图1。由于这种方法比较简便，能生长质地优良的近完整单晶，特别是美国达什(W.C.Dash)提出缩颈-细颈工艺之后，能生长无位错和少位错大直径单晶。在没有籽晶时，也可慢速拉成细颈使得某一晶粒充分发育，以至细颈仅包含一个晶粒，这样继续生长也可得到单晶。现在此法在控制单晶体的质量、制取大直径单晶和自动化操作方面取得很大进展。
②区域熔化(简称区熔)法 是培育单晶的另一类方法。它用可移动的加热线圈形成可移动的熔区，以多晶棒为原料。在加热多晶棒端部形成熔区时，用比多晶棒小很多的籽晶引晶，然后以适当速度缓慢移动熔区，使多晶棒经熔融-凝固而长成单晶，见图2。培育金属晶体还常采用如图3所示的布里奇曼(Bridgman)法，模子中的液态金属缓慢进入低温区而结晶成单晶。
在固态下培育单晶 根据形变量较小（相当于某临界值）的多晶材料再结晶退火时，可以获得很大晶粒的原理，发展了形变-再结晶退火固态培育单晶的方法。其要点是把多晶材料制成一定形状（一般为丝状或长的薄片状），给其一定的形变量后，在再结晶温度下进行长时间退火，可以得到单晶。
在气态下培育单晶 许多金属的卤化物在高温下分解出金属蒸气，也可以用蒸发、溅射等方法获得金属或合金的蒸气。如果在金属蒸气中引入籽晶并使其保持一定温度，同时控制蒸气浓度，籽晶可以从蒸气中吸取金属原子而继续长大。如果籽晶呈棒状，且仅沿径向长大，则可得到棒状单晶，称为气相生长单晶；如果籽晶为片状，且仅在片的一个表面生长，称为气相外延生长。由于蒸气来源和衬底籽晶不同，外延方法有多种多样。如果外延层与衬底相同，称为同质外延，否则称为异质外延。如果外延层与衬底物质不同，但晶体结构相同，虽然点阵参数的差别使界面附近存在点阵错配，但仍获得单晶外延层。如果外延层与衬底物质不同，晶体结构也不同，则只能在某些有较好匹配关系的晶面上外延，得不到单晶外延层。
晶须培育 晶须是一种在一定条件下生长的细丝状单晶。金属晶须直径小到1微米时，它的强度比普通大块金属晶体的强度高100倍以上。有自然生长的晶须，但可供研究的晶须多用人工方法培育。常用的有金属蒸气凝聚法和金属卤化物还原法。前一方法通过过饱和金属蒸气在较低温度的凝聚头上凝聚，开始时生长端向前（轴向）生长的速度远大于横向（径向）生长速度，至达到晶须的最后长度，即当径向开始生长时应停止培育。
另一方法是把卤化物装入一小舟中，放在通氢气的炉内，经化学反应，便可从中生长出长度达几厘米、直径由几微米到几十微米的晶须。此外，还有各种沉淀（包括由熔态、溶液、电解槽中及固态中沉淀）的方法。
参考书目
J.J.Gilman ed.，The Art and Science of Growing Crystals，Wiley，London，1963.
B.R.Pamplin， Crystal Growth， Pergamon Press，Oxford，1975.
张克从、张乐潓主编：《晶体生长》，科学出版社，北京，1981。