2017-03-14 11:14:30

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所谓单晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal),即结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列,或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成,整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的,具有重要的工业应用。由于熵效应导致了固体微观结构的不理想,例如杂质,不均匀应变和晶体缺陷,有一定大小的理想单晶在自然界中是极为罕见的,而且也很难在实验室中生产。另一方面,在自然界中,不理想的单晶可以非常巨大,例如已知一些矿物,如绿宝石,石膏,长石形成的晶体可达数米。

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基本信息

  • 中文名

    单晶

  • 英文名称

    single crystal

  • 应用学科

    化学(一级学科);无机化学(二级学科)

  • 定义

    单一的晶体多面体叫做单晶。

折叠 编辑本段 特点

一定外形、长程有序。

的单晶,硅的单晶等。很多取向不同而机遇的单晶颗粒可以拼凑成多晶体。

折叠 编辑本段 简介

折叠 概念

自然界中物质的存在状态有三种:气态液态固态

固体又可分为两种存在形式:晶体和非晶体

晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体;晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

折叠 性质

均 匀 性: 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

各向异性: 晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

固定熔点: 晶体具有周期性结构,熔化时,各部分需要同样的温度。

规则外形: 理想环境中生长的晶体应为凸多边形

对 称 性: 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性

折叠 分类

对晶体的研究,固体物理学家从成健角度分为

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

显微学则从空间几何上来分,有七大晶系,十四种布拉菲点阵,230种空间群,用拓扑学,群论知识去研究理解。可参考《晶体学中的对称群》一书 (郭可信,王仁卉著)。

折叠 晶粒

晶粒是另外一个概念,首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核,然后生长,这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的,所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒,每个晶粒的大小和形状不同,而且取向也是凌乱的,没有明显的外形,也不表现各向异性,是多晶。英文晶粒用Grain表示,注意与Particle是有区别的。

有了晶粒,那么晶粒大小(晶粒度),均匀程度,各个晶粒的取向关系都是很重要的组织(组织简单说就是指固体微观形貌特征)参数。对于大多数的金属材料,晶粒越细,材料性能(力学性能)越好,好比面团,颗粒粗的面团肯定不好成型,容易断裂。所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。

科学总是喜欢极端,看得越远的镜子叫望远镜;看得越细的镜子叫显微镜。晶粒度也是这样的,很小的晶粒度我们喜欢,很大的我们也喜欢。最初,显微镜倍数还不是很高的时候,能看到微米级的时候,觉得晶粒小的微米数量是非常小的了,而且这个时候材料的力学性能特别好。人们习惯把这种小尺度晶粒叫微晶。然而科学总是发展的,有一天人们发现如果晶粒度再小呢,材料性能变得不可思议了,什么量子效应,隧道效应,超延展性等等很多小尺寸效应都出来了,这就是现在很热的,热得不得了的纳米,晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒我们叫纳米晶

折叠 准晶

准晶体的发现,是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做电镜的人的功劳。1984年底,D.Shechtman等人宣布,他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无平移周期性的合金相,在晶体学及相关的学术界引起了很大的震动。不久,这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。后来,郭先生一看,哇,我们这里有很多这种东西啊,抓紧分析,马上写文章,那段金属固体原子像的APL,PRL多的不得了,基本上是这方面的内容。准晶因此也被D.Shechtman称为"中国像"。

一般晶体不会有五次对称,只有1,2,3,4,6次旋转对称。所以看到衍射斑点是五次对称的,10对称的啊,其他什么的,可能就是准晶

折叠 孪晶

英文叫twinning,孪晶其实是金属塑性变形里的一个重要概念。孪生与滑移是两种基本的形变机制。从微观上看,晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫孪晶面。很多教科书有介绍。一般面心立方结构的金属材料,滑移系多,易发生滑移,但是特定条件下也有孪生。加上面心立方结构层错能高,不容易出现孪晶,曾经一段能够在面心立方里发现孪晶也可以发很好的文章。前两年,马恩就因为在铝里面发现了孪晶,在科学杂志上发了篇论文。卢柯去年也因为在纳米铜里做出了很多孪晶,既提高了铜的强度,又保持了铜良好导电性(通常这是一对矛盾),也在科学杂志上发了篇论文。

折叠 编辑本段 制备方法

单晶生长制备方法大致可以分为气相生长、溶液生长、水热生长、熔盐法、熔体法。最常见的技术有提拉法、坩埚下降法、区熔法、定向凝固法等;

目前除了众多的实际工程应用方法外,借助于计算机和数值计算方法的发展,也诞生了不同的晶体生长数值模拟方法。特别是生产前期的分析和优化大直径单晶时,数值计算尤为重要。

一、挥发法

原理:依靠溶液的不断挥发,使溶液由不饱和达到饱和过饱和状态。

条件:固体能溶解于较易挥发的有机溶剂理论上,所有溶剂都可以,但一般选择60~120℃。

注意:不同溶剂可能培养出的单晶结构不同方法:将固体溶解于所选有机溶剂,有时可采用加热的办法使固体完全溶解,冷却至室温或者再加溶剂使之不饱和,过滤,封口,静置培养。

二、扩散法

原理:利用二种完全互溶的沸点相差较大的有机溶剂。固体易溶于高沸点的溶剂,难溶或不溶于低沸点溶剂。在密封容器中,使低沸点溶剂挥发进入高沸点溶剂中,降低固体的溶解度,从而析出晶核,生长成单晶。液体等。一般选难挥发的溶剂,如DMF,DMSO,甘油甚至离子。

条件:固体在难挥发的溶剂中溶解度较大或者很大,在易挥发溶剂中不溶或难溶。经验:固体在难挥发溶剂中溶解度越大越好。培养时,固体在高沸点溶剂中必须达到饱和或接近过饱和。

方法:将固体加热溶解于高沸点溶剂,接近饱和,放置于密封容器中,密封容器中放入易挥发溶剂,密封好,静置培养。

三、温差法

原理:利用固体在某一有机溶剂中的溶解度,随温度的变化,有很大的变化,使其在高温下达到饱和或接近饱和,然后缓慢冷却,析出晶核,生长成单晶。一般,水,DMF,DMSO,尤其是离子液体适用此方法。条件:溶解度随温度变化比较大。经验:高温中溶解度越大越好,完全溶解。推广:建议大家考虑使用离子液体做溶剂,尤其是对多核或者难溶性的配合物。

四、接触法

原理:如果配合物极易由二种或二种以上的物种合成,选择性高且所形成的配合物很难找到溶剂溶解,则可使原料缓慢接触,在接触处形成晶核,再长大形成单晶。一般无机合成,快反应使用此方法。

方法:1.用U形管,可采用琼脂降低离子扩散速度。2.用直管,可做成两头粗中间细。3.用缓慢滴加法或稀释溶液法(对反应不很快的体系可采用)4.缓慢升温度(对温度有要求的体系适用)经验:原料的浓度尽可能的降低,可以人为的设定浓度或比例。0.1g~0.5g的溶质量即可。

五、高压釜法

原理:利用水热或溶剂热,在高温高压下,是体系经过一个析出晶核,生长成单晶的过程,因高温高压条件下,可发生许多不可预料的反应。方法:将原料按组合比例放入高压釜中,选择好溶剂,利用溶剂的沸点选择体系的温度,高压釜密封好后放入烘箱中,调好温度,反应1~4小时均可。然后,关闭烘箱,冷至室温,打开反应釜,观察情况按如下过程处理:1.没有反应--重新组合比例,调节条件,包括换溶剂,调pH值,加入新组分等。2.反应但全是粉末,且粉末什么都不溶解,首先从粉末中挑选单晶或晶体,若不成,A:改变条件,换配体或加入新的盐,如季铵盐,羧酸盐等;B:破坏性实验,设法使其反应变成新物质。3.部分固体,部分在溶液中:首先通过颜色或条件变化推断两部分的大致组分,是否相同组成,固体挑单晶,溶液挥发培养单晶,若组成不同固体按1或2的方法处理。4.全部为溶液--旋蒸得到固体,将固体提纯,将主要组成纯化,再根据特点接上述四种单晶培养方法培养单晶。

折叠 编辑本段 区别

单晶硅和多晶硅的区别是,当熔融的单质硅凝固时,硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶硅。如果这些晶核长成晶面取向不同的晶粒,则形成多晶硅。多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如在力学性质、电学性质等方面,多晶硅均不如单晶硅。多晶硅可作为拉制单晶硅的原料。单晶硅可算得上是世界上最纯净的物质了,一般的半导体器件要求硅的纯度六个9以上。大规模集成电路的要求更高,硅的纯度必须达到九个9。目前,人们已经能制造出纯度为十二个9的单晶硅。单晶硅是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。

多晶硅的生产工艺主要由高纯石英(经高温焦碳还原)→工业硅(酸洗)→硅粉(加HCL)→SiHCL3(经过粗馏精馏)→高纯SiHCL3(和H2反应CVD工艺)→高纯多晶硅。

折叠 编辑本段 市场优势

统计数据显示,2013年全球单晶装机约8.5-9GW,占全球光伏装机的22%-23%,相比2012年占比基本维持平稳。但是,如果不考虑中国市场主要使用多晶拉低了整体水平的因素,则单晶占比超过30%,相比2012年25%左右的水平明显提升。

日本和美国是支撑去年单晶需求的两大主要市场。在日本,受益于高电价补贴政策,2013年光伏装机大幅增长,全年装机7.5GW,同比增长204%。其中,单晶装机2.48GW,同比增长130.43%。美国方面,2013年实现装机4.75GW,同比增长41.02%,单晶约占总装机量的31%。

业内人士介绍,在分布式光伏发电上,使用单晶的优势十分突出。"比如建相同功率的电站,单晶使用的电池片更少,这就降低了安装、调试、配件等非组件成本。所以在非组件成本占整体电站成本比例高的地方,一般会选用单晶。比如日本,非组件成本比中国高两倍,所以电站建造过程中主要目的是降低非组件成本,而不是组件成本。"上述电站投资人表示。

此外,由于分布式光伏电站都是建立在面积有限的屋顶,在单位面积上能够发出更多的电将直接决定屋顶电站的收益,因此在单位面积上效率更高的单晶电池将更具有吸引力。

随着去年国家有关分布式光伏发电上网补贴价格正式落地,分布式光伏发电的发展骤然升温。

今年1月,国家能源局公布今年国内光伏新增装机目标为14GW,其中分布式光伏电站为8GW、地面电站6GW,正式宣告我国分布式光伏发电应用的大规模启动。

吴新雄日前在嘉兴分布式光伏会议上表示,年初已将2014年新增备案规模下达到各地区,各地方要加大执行力度,力争全年光伏发电新增并网容量达到13GW以上。

与此同时,今年政府持续出台了多项政策支持分布式光伏的发展,尤其是近期国家能源局发布的《关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》,将有望带动国内分布式光伏发电的快速发展。

国内光伏终端市场主要以西部地区大型地面电站为主,存在大规模开发就地消纳困难和电力长距离输送损耗较高等问题,而中、东部地区发展分布式光伏发电,易于就地消纳,且网购电价高、度电补贴需求低,应用推广的经济性更高,因此,大力推进分布式光伏发电是拓展国内光伏市场的有效途径。

折叠 编辑本段 数值模拟

工程背景:

1、提拉法

2、定向凝固法

3、区熔法

涉及到的问题:

1、传热、传质、湍流、热辐射等;

2、准稳态、动态问题;

3、存在急剧扩散、粘性、辐射、热边界层问题;

4、缺陷预测等;

数学模型:

热流和掺杂物的输运由动量守恒、能量守恒和质量守恒方程描述。

提拉法数值模拟提拉法数值模拟

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