晶体生长原理与技术.docx

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晶体生长原理与技术

晶体生长原理与技术课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；

课程名称：

晶体生长原理及电化学基础

所属专业：

金属材料物理学

课程性质：

专业方向选修课，学位课，必修环节

学分：

4学时：

72

（二）课程简介、目标与任务；

课程简介：

本课程将在绪论中，对人工晶体生长的基本概念，研究范畴，研究历史和晶体生长方法分类等基本概念进行简要介绍。

然后分4篇进行论述。

第一篇为晶体生长的基本原理，将分5章，对晶体生长过程的热力学和动力学原理，结晶界面形貌与结构，形核与生长的动力学过程进行描述。

第二篇为晶体生长的技术基础，将分3章，对晶体生长过程的涉及的传热、传质及流体流动原理，晶体生长过程的化学原理和晶体生长过程控制涉及的物理原理进行论述。

第三篇为晶体生长技术，将分4章对熔体生长、溶液生长、气相生长的主要方法及其控制原理进行论述。

第四篇，晶体的性能表征与缺陷，将分2章，分别对晶体的结构、性能的主要表征方法，晶体的结构缺陷形成与控制原理进行论述。

目标与任务：

掌握晶体生长的基本物理原理，学会将基本物理知识运用与晶体生长过程分析讨论。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；

修完普通物理学及四大力学课程、固体物理课程后才可学习该课程，该课程向前联系基本物理知识的运用，向后衔接研究生科学研究中遇到的实际结晶学问题。

（四）教材与主要参考书。

教材两本：

《晶体生长原理与技术》，介万奇，北京：

科学出版社，2010

参考书：

《晶体生长科学与技术》[上、下册]，张克从，凝聚态物理学丛书，北京：

科学出版社，1997

《人工晶体：

生长技术、性能与应用》，张玉龙，唐磊，化学工业出版社，2005

《晶体生长基础》，姚连增，中国科学技术大学出版社，1995

《晶体生长的物理基础》，闵乃本，上海科学技术出版社，1982

（五）主讲教师。

主讲：

王君

教师梯队：

闫徳，耿柏松，卓仁富，吴志国

二、课程内容与安排

绪论（1学时）

交代本课程的主要内容，讲授方式，学生需要掌握和了解的内容，与已经学过的课程的相关性，在后续的学习中的地位和作用。

第一篇晶体生长的基本原理

第1章晶体

1.1晶体的基本概念

1.1.1晶体的结构特征

1.1.2晶体结构与点阵

1.1.3晶向与晶面

1.1.4晶体的结构缺陷概述

1.2晶体材料

1.2.1常见晶体材料的晶体结构

1.2.2按照功能分类的晶体材料

1.3晶体生长技术的发展

1.4晶体生长技术基础及其与其他学科的联系

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，3学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体的基本结构及表示方法，晶体中常见的缺陷及产生，常见晶体结构及材料。

【重点掌握】：

晶体中的缺陷及晶体结构。

【掌握】：

常见晶体结构即材料。

【难点】：

晶体缺陷。

第2章晶体生长的热力学原理

2.1晶体生长过程的物相及其热力学描述

2.1.1气体的结构及热力学描述

2.1.2液体的结构及热力学描述

2.1.3固体的结构及其热力学参数

2.1.4相界面及其热力学分析

2.1.5晶体生长的热力学条件

2.2单质晶体生长热力学原理

2.2.1单质晶体生长过程中的热力学平衡

2.2.2液相及气相生长的热力学条件及驱动力

2.2.3固态再结晶的热力学条件

2.3二元系的晶体生长热力学原理

2.3.1二元合金中的化学位

2.3.2液-固界面的平衡与溶质分凝

2.3.3气-液及气-固平衡

2.4多组元系晶体生长热力学分析

2.4.1多元体系的自由能

2.4.2多元系结晶过程的热力学平衡条件

2.4.3相图计算技术的应用

2.5化合物晶体生长热力学原理

2.5.1化合物分解与合成过程的热力学分析

2.5.2复杂二元及多元化合物体系的简化处理

2.5.3化合物晶体非化学计量比的成分偏离与晶体结构缺陷

2.5.4熔体中的短程序及缔合物

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论及讲授，8学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

描述不同结构的热力学参数，晶体生长的热力学条件，单质、合金、多元晶体生长的热力学原理。

【重点掌握】：

单质及二元合金生长的热力学条件。

【掌握】：

多元合金生长热力学条件分析过程。

【难点】：

晶体生长的热力学原理。

第3章晶体生长的动力学原理

3.1结晶界面的微观结构

3.1.1结晶界面结构的经典模型

3.2结晶界面的原子迁移过程与生长速率

3.3晶体生长的本征形态

3.3.1晶体生长形态的热力学分析

3.3.2晶体生长形态的动力学描述

（一）教学方法与学时分配

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，4学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体界面的结构及模型，晶体生长时界面原子的迁移过程及晶体的生长速率，晶体生长的形态与界面微观结构及生长热力学分析和动力学描述。

【重点掌握】：

晶体生长过程中原子的迁移过程及生长热力学和动力学。

【掌握】：

结晶界面的微观结构及生长形态。

【难点】：

晶体生长的动力学过程。

第4章实际晶体生长形态的形成原理

4.1晶体生长驱动力与平面结晶界面的失稳

4.2枝晶的形成条件与生长形态

4.3枝晶阵列的生长

4.3.1Hunt模型

4.3.2KurZ-Fisher模型

4.3.3Lu-Hunt数值模型

4.4强各向异性晶体强制生长形态

4.5多相协同生长

4.5.1亚共晶生长

4.5.2共晶生长

4.5.3偏晶生长

4.5.4包晶生长

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论及讲授，8学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体生长形态及模型原理，晶体生长形态与相图的关系。

【重点掌握】：

晶体生长形态的模型及生长形态与相图的关系。

【掌握】：

二元合金相图。

【难点】：

晶体生长形态的形成原理。

第5章晶体生长过程的形核原理

5.1均质形核理论

5.1.1熔体中的均质形核理论

5.1.2气相与固相中的均质形核

5.1.3均质形核理论的发展

5.2异质形核

5.2.1异质形核的基本原理

5.2.2异质外延生长过程中的形核

5.3多元多相合金结晶过程中的形核

5.3.1多组元介质中的形核

5.3.2多相形核过程的分析

5.4特殊条件下的形核问题

5.4.1溶液中的形核

5.4.2电化学形核

5.4.3超临界液体结晶过程中的形核

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论及讲授，8学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

均匀形核、非均匀形核，多组元合金的形核及特殊条件下的形核。

【重点掌握】：

晶体形核的热力学原理。

【掌握】：

特殊条件下的形核。

【难点】：

晶体生长形态的形成原理。

第二篇晶体生长的技术基础

第6章晶体生长过程的传输问题

6.1晶体生长过程的传质原理

6.1.1溶质扩散的基本方程

6.1.2扩散过程的求解条件与分析方法

6.1.3扩散系数的本质及其处理方法

6.1.4晶体生长过程扩散的特性

6.1.5多组元的协同扩散

6.1.6外场作用下的扩散

6.2晶体生长过程的传热原理

6.2.1晶体生长过程的导热

6.2.2晶体生长过程的辐射换热

6.2.3晶体生长过程的对流换热与界面换热

6.2.4晶体生长过程温度场的测控方法与技术

6.3晶体生长过程的液相流动

6.3.1流动的起因与分类

6.3.2流体的黏度

6.3.3流体流动的控制方程

6.3.4流体流动过程的求解条件与分析方法

6.3.5层流与紊流的概念及典型层流过程分析

6.3.6双扩散对流

6.3.7Marangoni对流

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，8学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体生长过程中的扩散问题、导热问题、流动问题。

【重点掌握】：

晶体生长过程的扩散及生长热力学。

【掌握】：

导热及液体流动对晶体生长的影响。

【难点】：

晶体生长的扩散及热力学

第7章晶体生长过程中的化学问题

7.1晶体生长过程相关的化学原理

7.1.1晶体生长过程的化学反应

7.1.2物质的主要化学性质和化学定律

7.1.3化学反应动力学原理

7.1.4化学反应过程的热效应

7.1.5化学反应的尺寸效应

7.1.6晶体生长过程的其他化学问题

7.2原料的提纯

7.2.1气化－凝结法

7.2.2萃取法

7.2.3电解提纯法

7.2.4区熔法

7.3晶体生长原料的合成原理

7.3.1熔体直接反应合成

7.3.2溶液中的反应合成

7.3.3气相反应合成

7.3.4固相反应合成

7.3.5自蔓延合成

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，8学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体生长过程中的一些与化学相关的反应、定律及原理，原料的提纯及合成原理。

【重点掌握】：

晶体生长过程中的化学问题。

【掌握】：

原料的提纯及合成原理。

【难点】：

晶体生长中的化学问题。

第8章晶体生长过程物理场的作用

8.1晶体生长过程的压力作用原理

8.1.1重力场中的压力

8.1.2微重力场的特性与影响

8.1.3超重力场的特性与影响

8.1.4晶体生长过程的高压技术

8.2晶体生长过程中的应力分析

8.2.1应力场计算的基本方程

8.2.2应力场的分析方法

8.2.3应力作用下的塑性变形

8.2.4薄膜材料中的应力

8.3电场在晶体生长过程中的作用原理

8.3.1材料的电导特性

8.3.2材料的电介质特性

8.3.3晶体生长相关的电学原理

8.3.4电场在晶体生长过程应用的实例

8.4电磁场在晶体生长过程中应用的基本原理

8.4.1电磁效应及磁介质的性质

8.4.2电磁场的作用原理

8.4.3电磁悬浮技术

8.4.4电磁场对对流的控制作用

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，6学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

晶体生长过程中的压力作用原理，应力分析以及重力场、电场、电磁场对晶体生长的影响及作用原理。

【重点掌握】：

晶体生长过程中应力的影响。

【掌握】：

重力场、电场、电磁场对晶体生长的影响。

【难点】：

应力分析。

第三篇晶体生长技术

第9章熔体法晶体生长

（1）——Bridgman法及其相似方法

第10章熔体法晶体生长

（2）——CZ法及其他熔体生长方法

第11章溶液法晶体生长

第12章气相晶体生长方法

（一）教学方法与学时分配

课堂讨论，10学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

熔体、液体及气相晶体生长方法。

【重点掌握】：

熔体法及气相生长过程。

【掌握】：

溶液法晶体生长过程。

【难点】：

晶体生长过程中的物理问题。

第四篇晶体缺陷分析与性能表征

第13章晶体缺陷的形成与控制

第14章晶体的结构与性能表征

（一）教学方法与学时分配

课堂授课，6学时

（二）内容及基本要求

主要内容：

点缺陷、线缺陷及面缺陷的形成与控制方法，对晶体性能的影响；晶体结构及性能表征方法。

【重点掌握】：

缺陷的形成与控制。

【掌握】：

晶体性能表征。

【难点】：

晶体缺陷。

复习2学时

（重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次）

三、课程考试安排与成绩记分办法

（一）考试安排：

考试时间：

无固定时间，在主要章节讲授完成后随机。

考试形式：

考核，为学生安排一些小课题，学生充分阅读后以ppt形式汇报，以答辩的形式考核。

（二）记分办法：

平时成绩30%+ppt汇报70%

制定人：

王君

审定人：

批准人：

日期：