[笔记]固体无机化学部分复习题.docx.pdf

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1、第一章绪论 1、 固体化学的研究内容是什么？ 基本内容包括：固体物质的合成，固体的组成和结构，固相中的化学反应，固体中的缺陷，固体表面化学, 固体的 性质与新材料等。 固体化学主要是研究固体物质（包拆材料）的合成、反应、组成和性能及和关现彖、规律和原因的科学。 固体化学的研究内容十分广泛。它与尚体物理及其他许多学科相互交叉渗透，因此很难给出明确的，全面的研究 范围。它着重于研究固态物质（包括单晶、多晶、玻璃、陶瓷、薄膜、超微粒子等）的介成、反应、组成、结构和 各种宏观和微观性质。 2、 假如你是从事无机材料方而的研究者，你的研究成果可以在哪些国内外期刊上投稿，试列举 出其中的 20种期刊。 屮

2、国稀土学报功能材料无机材料学报无机化学学报人工晶体学学报硅酸盐通报材料 科学与工艺SCI材料科学技术学报（英文版）材料工程材料导报纳米科技Chemistry of MaterialsCrystal Growth 非线性光学晶体KDP BBO LBO等；光折 变晶体（2）电功能品体如闪烁品体BGO PbW03 ；压电材料、铁电材料、热科电材料及介电材料。 （3）声光晶体TcO2 PbMoO4 （4）磁光晶体如锂铁右榴右锂隊右榴右（4）半导体品体GdAs HgS （5） 其他晶体金刚石水晶 单品材料可分为激光品体、非线性光学品体、闪烁晶体、磁光晶体、声光晶体、电光晶体、压电晶体、热释 电晶体、铁电

3、晶体、光折变晶体、以及半导体晶体和超导晶体。 2、试简述激光品体、非线性光学品体、闪烁品体的相关物理效应基础，这些功能品体材料在光 电了技术领域有哪些主要应用？ 激光品体、非线性光学品体、闪烁品体的柑关物理效应基础依次是在外界光源的照射下分别发出激光、强相 干光、以及荧光的过程。这些晶休材料可广泛应用与光放人激光器、频率转换和信号处理系统、以及射线探 测技术，其中包括高能物理、核物理、核医学成像仪器以及安全检测系统的探测材料。 （1）激光晶体使物质中的多数粒子处于激发态，用外界光感应，使所有处于激发态粒子几乎同时完成受激 辐射冋到低能态，物质将发出一束强人的光束，这称为激光。激光品休由两部分组

4、成，一部分是作为“发光 中心”的激活离子， 另一部分是作为激活离子“载体”的基质晶体。慕质晶体主耍是氧化物和氟化物单 ?晶， 而激活离子主要是过渡族金属和三价稀土离子。同一种激活离子在不同的基质晶体屮可能有不同的激光行为。 应用范围很广，材料加工、激光检测、研究与发展、激光治疗和军事应用 （2）非线性光学品体激光器发出的强相干光，光频电场的数值可能很人（10KV/cm）,因此E2、 E3. 等非线性相不可忽略，即极化强度P和光电场强度E的关系为：P=ctE+卩E2+y E3+ 这是非线性 光学效应的数学表达式, 这种与强光有关的效应叫非线性光学效应。具有非线性光学效应的晶体叫非线性光 学晶体。

5、 非线性光学晶体主要应用冇两个方面：频率转换和信号处理。利用非线性材料可产生倍频、和频、差 频、四频混频和参量震荡等效应, 可以拓宽激光波长的范围，并开辟新的激光光源。利用非线性材料可实现 波前畸变补偿、光信号的处理与控制、光调制、光开关、光偏转、图像放人、光计算、光记忆等。 （3）闪烁晶体当射线（X射线，丫射线等）或放射性粒子通过某些晶体时，晶体发出荧光，波段在紫外 或可见。这些晶体就叫做荧光晶体或闪烁晶体。 闪烁品体在核医学、為能物理、核技术、空间物理及石油勒探等领域获得广泛的应用。核医学诊 断技术 3、试简述压迫品体的相关物理效应基础，压电品体材料在现代电子信息技术领域有哪些主要应 用？

6、 冇一类十分冇趣的品体， 当你对它挤压或拉伸时， 它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。 能产生压电效应的品体就叫压电晶体。水晶（a?石英）是-?种有名的压电晶体。 压电晶体的物理效应基础是压电效应，即在被挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。压电晶体广泛 应用于无线电技术（如彩色电视机等许多电器设备屮的滤波器）；右英电子表中的核心部件右英振子；研究 熬汽机、内燃机及各种化工设备屮压力的变化，其至可以测量管道屮流体的压力、人炮炮简在发射炮弹时承 受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等; 压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送（如手机，麦克风， 扬声器等），安装在麦克风上的压电

7、晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使 薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压屯晶片上电荷的变化，再通过屯子 装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压 电品体薄片的振动，乂变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音,而 扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。 6名词解释：（1）闪烁效应；当射线（X射线、丫射线等）或放射性粒子通过某些晶体时，品体会发出荧 光，波段在紫外或可见。 （2）非线性光学效应 ;激光器发出的强相干光，光频场的数值可能很大，光通过介质

8、时引起介质极化的极 化强度，除了正比于光的电场强度E夕卜，还与它的二次方（E2）、三次方（E3）等非线性项有关，即极化强 度P和光电场强度E的关系为：P=A E+卩E2+ Y E3+这种与光强有关的效应称为非线性光学效应。 （3）晶体生长 ;晶体原料处丁 ?气相或液和状态后，在适当条件卜 - 形成晶核， 各个晶而按特立速度向外生 长形成特定线度尺寸品体的过程。 （4）高温溶液法：助熔剂法乂称作高温溶液法, 它是将晶体的原冇成分在高温下溶解于低熔点助熔剂熔夜 内，形成均匀的饱和溶液，然后通过缓慢降温或其他办法形成过饱和溶液，使晶体析岀。 参考阅读材料：侯印春，光功能品体，中国计量出版社 第三章玻

9、璃材料 1、试比较玻璃的晶子学说与无规网络学说异同点。 答：两种学说统一的看法是玻璃是具有近程有序、远程无序这样一个结构特点的无定形物质。无规网络学说 与晶子学说都能解释玻璃的一些性质变化规律。 无规网络学说着重于玻璃结构的无序、连续、均匀和统计性。晶子假说着重于玻璃结构的微不均匀和冇序性。 1932年杳哈里阿森发表J.Am.Ceram.Soc,某于离子结晶化学原理, 认为玻璃的某些性能与和应的晶体相似, 该学说 的理论要点为： （1）形成玻璃的物质与相应的晶体类似，形成相似的三维空间网络。 三维空间网络是山离子多面体通过桥氧相连，向三维空间无规律的发展而构筑起來的。 电荷高的网络形成离子位丁

10、?多面体中心，半径大的变性离子，在网络空隙中统计分布，对于每一个变价离子 则有一定的配位数。 成功之处：说明玻璃结构宏观上是均匀的，解释了结构的远程无序性，揭示了玻璃各向同性等性质。 不足Z处：对分相研究不利，不能惻满地解释玻璃的微观不均匀性和分相现象。 晶子学说的要点 玻璃是由 晶子 和无定形物质组成； 晶子 是带冇晶格变形的冇序区而井微晶； 晶子 分散在无定型介质中，二者Z间是逐渐过渡的。 晶子学说懑 : 义及评价：第-次揭示了玻璃的微不均匀性，描述了玻璃结构近程有序的特点。 晶子学说的不足Z处：晶子尺寸太小，无法用X射线检测，晶子的含量、组成也无法得知。 玻璃的晶子学说认为：玻璃是由无数

11、 “ 晶子”组成的。所谓“晶子”不同于- ?般的微晶，而是带有 点阵变形的有序排列区域，它们分散在无定形的介质中，并且从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的, 两者间 没有明显的界限。 而无规则网络学说则强调菲晶态固体小的键合特点、配位数、及近程冇序和长程无序的结构特点。是描述以 共价键结合的非晶固体结构的模型。 2、 试比较硅酸盐玻璃与硼酸盐玻璃在结构与性能上的差异。 答：硅酸盐玻璃是指SiO2与另一种氣化物在一起，莫中硅以SiO4四而体形式存在，其结构和性质在极大程度 上取决于第二种氧化物的木性。向SiO2中加入外来氧离子时，Si-O-Si桥状连接便被打断而生成非成桥的氧离 子, 当氧离子含

12、量进一步增多时，氧化硅网络结构就更多地打开, 熔体变得更易流动，热膨胀系数稳步增长，其 冷却时失透的倾向也增大。 硼酸盐玻璃的重要纽 ?成物质是B2O3, B2O3玻璃体中含冇B03三角形单元，在硅酸盐玻璃屮依纽?成的不同 而含有B03三角和B04四面体的混合物。玻璃态B2O3中一个巫要的组成是硼氧基因：即由交替的硼原子和氧 原子组成的平面六元坏，这些基团通过成桥氧原子连接起来成为三维网络结构。由于硼的平面状配位，与硅在 SiO2屮的四面体配位相比，玻璃态B2O3具有更开放的结构，熔融的B2O3比熔融Si02较易流动。但是向玻璃 态B2O3中加入碱金属氧化物所产生的结果颇不同于相应的碱金属硅酸

13、盐，随着碱金属氧化物含量的増人，熔 体黏度和热膨胀系数会在某处出现极人和极小值，这种现彖称为硼酸盐玻璃的氧化硼反常现象。 3、 从取代式掺杂的角度出发，说明非晶态鰭和晶态错结构上的特点。 答：非晶态箔结构中心在一种结构缺陷，称之为悬键，它是指正常配位数未达到饱和时的一种成键状态。错冇 四个价屯子，其正常配位数为四，非晶态错中仍冇少部分原子的周用只冇三个可与Z进行共价结合的近邻，从 而产生一个悬键 晶休错中掺杂砌时，有五个价电子的碑原子进入一个四配位的位置代替一个错原子，并与和邻的四个错原子形 成四个共价键，由于As有5个价电子，所以在Ge晶体中掺As以后，As原子的第五个价电子能进入导带，从

14、而使晶体铭 ?成为n型半导体。 冇悬键心在的非晶态错中，当掺杂碑时，碑原子较易进入三配位结构，从而使砒原子外层的五个价电子屮只冇 三个用于形成共价键，剩下的两个价电子形成一个孤屯子对。由于此时碑原子是电屮性的，没冇进入导带参与 导电的自由电子，因此取代式掺杂对丁?半导体玻璃的电导率影响不大。 晶态错是规则的四配位正四面体结构。当向其中掺入杂原子形成非晶态箔时，址然绝大部分原子仍按正规的四 配位成键，但仍冇一些饼原子仅为三配位，冇一个成单电子，形成悬键。 4、简述溶胶凝胶法的基木原理，兼评述溶胶凝胶法的特点。 答金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而周化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，

15、产物颗粒均 一，过程易控制， 适于氧化物和II?VI族化合物的制备。 溶胶一凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中， 然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合， 开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶， 经过 下燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。简单的讲，溶胶一凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前 驱体，在液和卜 ?将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶 经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网 络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。 凝胶 经过干燥、烧结尚化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。 由金属冇机物或无机

16、物的溶液为初始物，在较低温度下，通过在溶液中发生水解、聚合等化学反应，先生成溶 胶（SOL）,再生成具有一定空间结构的凝胶（GEL）,然后经过热处理，制备出各种无机材料或复合材料 ）水解反应M（OR）n + H20一M（OH） （OR）+ xROH ）缩合反应一M一OH + HO一M - 一M一OM + H20 MOR + HOM - _M0M + ROH MJCOR）, +M2（OR ，） W +H2o （RO）“M OMzgR hi+ROH+ROH 优点原料被分散在溶剂中而形成低黏度溶液，可以在很短时间内获得分子水平上的均匀性，在形成凝胶时，反 应物Z间能在分子水平上被均匀地混合，容易均匀

17、定量地进行功能基团掺杂，实现分子水平上的均匀掺杂。 通常认为溶胶一凝胶体系屮组分扩散是在纳米范围内，而尚相反应时组分扩散是在微米范帀内，溶液屮化学反 应更易进行，仅需较低介成温度，选择介适的条件可以制备出各种新型材料，特别是各类新型功能材料。 缺点须用到金屈醇盐等价格较贵、可能有害的原料。溶胶- 凝胶制备过程很长，特别是溶胶陈化时间长。凝胶 中存在大量微孔，经热处理易于产生开裂。 溶胶一凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点： （1）由于溶胶一凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就町以在很短的时 间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物Z间很可能是在分子水平上被

18、均匀地混合。 （2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元索，实现分子水平上的沟匀掺杂。 （3）与固相反应相比， 化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系小组 分的扩散在纳米范围内，而固相反应时纽?分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。 (4)选择合适的条件可以制备各种新型材料。 溶胶一凝胶法也存在某些问题：首先是目前所使用的原料价格比较印贵，冇些原料为冇机物，对健康冇害；其 次通常整个溶胶一凝胶过程所需时间较长，常需要儿天或儿儿周：第三是凝胶屮存在人量微孔，在干燥过程中 又将会逸出许多气体及有机物，并: 产生收缩。 5、如下文献报道

19、了Sb2S3微晶掺杂硅酸盐玻璃的制备与光学性质，结合阅读文献简答以下问 题： (1)简述制备 Sb2S3微晶掺杂硅酸盐玻璃的化学过程； (2)此论文工作是如何分析表征玻璃中所掺杂Sb2S3微品相的？ 文献: Hongbing Chen, Congshan Zhu, Fuxi Gan. Preparation and optical properties of Sb 2S3 microcrystallite doped silica glass by the sol-gel process. Journal of So I-Ge I Science and a) 自由电子 (b) ?恳谜 tec

20、hnology, 1998,12: 181 (1) 答：按化学剂量比称収一定量的Si(OC2H5)4, SbCl3和 SC(NH2)2, Si(OC2H5)4溶解在 无水乙 醇中，加入 0.15M 的 HC1 溶液使其部分水解，并搅拌一个小时，SC(NH2)2用无水乙醇溶解， SbClJIJ 定量的水溶解，并滴加6? 9滴硝酸溶液，溶液和悬浮液均匀混合并搅拌2? 3 个小时， 便得到无色均一含有二氧化硅的溶胶，经过3? 4 天的陈化，溶胶被涂抹在光滑的玻璃表面，其 厚度是玻璃的四倍，这种涂层物在100度加热一个小时，空气中340度加热 10分钟, 最后在氮 气的氛 I 韦 I 下，400-50

21、0度加热 2个小时。经过 30? 40天的陈化后，空气氛围下，在30? 100 度加热一 ?天，然后在氮气氛围下，400? 600度加热 2小时，便得到咖啡色的玻璃样品。 (2)答：差分扫描实验： 在 Rigaku(TG/DSC)分析仪上对如上含1 %Sb2S3硅凝胶样品的粉末进行了差分扫描实验， 将凝胶粉末置于小型垃圳内升温，升温速率为10 C/min,由 30 C 升至 700 C,以 AI2O3 为参比 物，并加以氨气保护 . 在 145 C 左右有一个较大的吸热峰，该吸热峰来源于凝胶孔洞屮残余水的脱去; 在 288 C 左右存在一个较小的放热峰，该放热峰显示出Sb SC(NH2) 13

22、复合体分解反应热 , 而 在 400 C 左右的放热峰则对应于凝胶屮有机物的燃烧而释放热. 对照差分扌彳描结果，制定出热处理方 案, 在较高温度的热处理Z 前，先将凝胶置 J*150 C以下作较长吋间的烘干处理，以除去大量 的水分 ; 在 340 C 下保温是为了使复合体分解以及脱去残余的冇机物，在400 600 C 卜?保温 则提供了凝胶基质 Sb2S3微晶的牛长条件，同时使基质结构致密化. 在较高 温度的热处理过程 中，可能因氧化作用而发牛$2-的部分散失 , 因此体系屮引入过量的SC(NH 2,并施以氮气保护。 X 射线粉末衍射和高分辨透射电镜分析： X 射线衍射分析采用Rigaku X

23、 射线衍射仪，用CuKa靶，工作电压 40k V ,工作电流 150mA, 以步 进扫描方式，步宽0. 02 .高分辨透射电镜分析是在J EM - 200CX 型高分辨透射电镜上进行的， 工作电压为 200kV,相机长度 82cm.将凝胶玻璃磨成粉末，均匀地分散在载网上. 以上 分析实验的 样品为含 1. 5 %Sb2S3硅凝胶玻璃 . 晶体的较弱衍射峰叠加在玻璃基质的衍射包络线之上，表明微小的晶体弥散地分布在玻璃基质 中. 图中可辨识出的三个衍射峰分别位于2。=25 ,29 , 32 ，其衍射峰的位置和相对强度与止交Sb2S3晶体的相应衍射峰极接近，并指标化为 0) ,(211),(221)

24、.因此，凝胶玻璃屮析岀的微晶可确定为正交SbzSs晶体. 通过高分辨透射电镜分析发现，样品的电子衍射图存在着弥散的衍射环, 表明玻璃基质中存在微 晶，这与 X 射线衍射分析的结果一致. 由电了显微镜照片看出 , 掺杂于基质中的微晶尺寸约为数 纳米. 室温透射光谱的测量： 在 Lambda 9型紫外 ?可见分光光度仪上对1 %Sb2S3硅凝胶薄膜（连同基片）进行室温透射光 谱测量，波长范围为300 800nm. 为了研究该玻璃的光吸收性与热处理条件的关系，测量了经不同条件热处理的薄膜的室温透射 光谱（如图 4 ,5所示） . 山图中可见，随着热处理温度的提高和时间的延长，其特征透射谱谷逐 渐向长

25、波方向移动（红移）. 6名词解释： （1）非晶态材料 ;物质原子的排列所具冇的近程冇序、长程无序的状态的材料。 （2）无机玻璃 ;无机玻璃是指经熔融、冷却、I卉I化的非品态无机物 . （3）晶体:晶体屮的结构单元呈三维周期性长程有序排列 （4）软化温度 : 它是玻璃开始出现液体状态典型件质的温度，也是玻璃可拉成丝的最低温度。 （5）玻璃态转变温度 ;乂称脆性温度。它是玻璃出现脆性的最高温度，山r在这个温度卜 ?可以消除玻 璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，所以也称退火温度上限。 （6）退火处理 :将品体加热到其固和线以下的某个温度（一般为固和线以下50-100度），恒温一段时间 后再缓慢降至室

26、温。 第四章超微粉末与纳米粒子 1、试述纳米粒子的奇异特性以及造成这些特性的原因。 答（1）比表面积特别大山于比表面特别大，表面张力也很大，对其内部会产生很高的压力，从而使微粒内部的 原子间距比块体材料要小。 （2）熔点降低由于颗粒小， 纳米微粒表而能高、 比衣面原子数多， 这些衣而原子近邻配位不全，造成活 性较大， 以及纳米微粒体枳远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多。 （3）磁性变化纳米粒子通常处于单磁畴结构，抗磁力He增大，即使不磁化也是永久磁体。当抗磁性物质纳米 化后可变为顺磁性。当纳米颗粒达到足够小时，物质则呈现出超顺磁性，磁性超细微颗粒具冇窩的矫顽力 （4）光学性质

27、宽频带强吸收：纳米金属粉末通常呈现黑色 蓝移现象：当纳米粒子的粒径与玻尔半径以及电子的徳布罗意波长相当时，它的光吸收就发生各种各样的“蓝 移”现象 新谱带的产生：纳米微粒通常会出现了常规材料不易出现的新谱带 （5）超导性随着粒径的纳米化，超导临界温度Tc逐渐提高。 （6）离子导电性（7）低温下热导性好（8）比热容增加 （9）化学反应性能提高随着粒径减小，表面原子数迅速增加，农面能增加的同时，表面原子配位不足，从而导 致表面原子冇很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，从而进行多种化学反应 （10）催化性能纳米粒子的比衣而积人，衣面活化屮心多，故催化效率高 （11）力学性能一方而，颗粒尺

28、寸小于50 rnn的软金屈，位错源在通常应力下难以起作用，从而使得金属强 度增大。 另一方面， 由于纳米粒子具有很大的比界面，而界面的原子序列是相当混乱的，这就导致了原子在外力作 用下容易迁移，从而使其表现出很强的韧性及延展性 造成上述现彖的原因可归结于以下四个方面的纳米效应： （1）衣而与界而效应；（2）小尺寸效应；（3）量子尺寸效应；（4）宏观量子隧道效应。 2、表征纳米粒了的方法很多，其中通过XRD、SEM、TEM 可得到样品哪些方面的信息？ 答X射线衍射（XRD）测量粒子尺寸和晶格畸变率 （DX射线粉末物质衍射是鉴定物质品相的冇效手段，可以根据特征峰的位置鉴定样品的物和。 （2）依据X

29、RD衍射图谱，根据Scherrer公式，利用衍射峰半高宽和位置（2 ）, 可以计算出纳米粒子的粒径。 （3） XRD还用于晶体结构的分析，对于简单的晶体结构，根据粉末衍射图可确定晶胞中的原子位置、晶 胞参数以及品胞中的原子数。透射电子显微镜（TEN1） 可川于研究纳米材料的结晶情况，可观察纳米粒子的形貌、分散情况，测量纳米粒子的粒径。用TEM可以 得到原 子级的形貌图像 扫描电子显微镜（SEM ）主要用于观察纳米粒子的形貌、在基体中的分散情况，测量粒径大小等。SEM 通常只能 提供微米或亚微米的形貌信息。 4、如下文献报道了Cui 微晶掺杂硼硅酸盐玻璃的制备与光学性质，结合阅读文献简答以下问

30、题： （1）简述制备 Cui 微品掺朵硼硅酸盐玻璃的物理化学过程； （2）此论文工作是如何分析表征玻璃中所掺杂Cui 微晶相的？ （3）按照此论文研究结果，玻璃的退火热处理条件、Cui 微晶人小与透射光谱吸收边之间 存在怎样的相关性？ 文献： Hongbing Chen, Congshan Zhu,Baolong Yu,Haihc Lu,Fuxi Gan.Preparation and optical properties of Cui microcrystallitc doped borosilicate glasses, Non-crystallinc Solids, 2000, 262:

31、282 答（1）采用可分相的 Na2O-Al2O3-B2O3-SiO?系为基础玻璃，以CuO/SnO. Nal为原 料分别引入 cu r,成功地制备出 cm微晶掺杂硼硅酸盐玻璃 . 采用高温熔融法：按比例配制粉料髙纯石英砂，化学纯NaCO3、H3BO3、AI2O3、CuO、NaL SnO、AIF3、3.5H2OO在 1100-1300 C 下, 将原料分三次加入刚玉tft 璃预烧；在 1300-1400 C 下 经 2h熔制，并充分搅拌。停止搅拌使玻璃液在1400-1420 C 下澄清 lh,然后出炉浇铸。稍冷，将 玻璃證于退火炉内，在580 C 卜- 保温 2h后，使玻璃随炉降温至室温，取出

32、玻璃无色, 透明。 （2） 用 X射线衍射分析 （XRD）和透射电镜 （TEM）ffi 实在玻璃体系中存在Cui 微晶相。 山图中看到，品体的弱衍射峰叠加在玻璃基质的弥散图形之上，表明微小的品体分布在玻璃基质 屮，图中可辨识出的三个衍射峰，分别位于20=36, 42, 50,具衍射峰的位置和相对强度与立方 Cui 晶体的相应衍射峰接近 , 并指标化为 （111）, （220）, （311）. 所以玻璃中析出的微晶可确定为 立方 Cui 晶体。 上图是透射电镜图，在较为清楚的背景上出现的黑点，证实Cui 纳米微晶均匀扩散在基质屮。 （3） 由上述两图可见，透射光谱吸收边非常窄，在300-400n

33、mo随着热处理温度的提高和时间 的延长，逐渐向长波方向移动（红移）从文献屮可知，玻璃退火处理的时间不能过长或过短，而 且 SnO的屋要适度，否则就会造成所致产品的不纯含冇Cu2+或 Cu,而使玻璃体带有特殊颜色， 经实验证明，材料的制备应控制在2? 3 个小吋左右；由于半导体微品掺杂到玻璃矩阵中而使玻 璃产牛波段缺口形成了透射光谱吸收边，而透射光谱吸收边与微品的大小有一定的关系，随着增 加热处理的温度与时间，微晶的体积不断增加，边缘裂口减小，因此 在发射图谱中吸收边缘向长波方向迁移。 5名词解释： （1）超微粉末 ; 超微粒子的集介体称为超微粉末。 （2）纳米粒子 ;粒径为1?100nm的微细

34、粒子称为超微粒子，也称作纳米粒子。纳米粒了是山大量处于 亚稳态的原子或分子群组成，故在热力学上是不稳定的。它处于宏观物质和微观原子、分子Z间的介观领域。 纳米粒了多为单晶，在较大的纳米粒了中可看到弯晶界、层错、位错及介稳相的存在，故纳米 粒子也称作纳米晶 （3）纳米材料 ;纳米材料是指纳米颗粒及其构成的纳米薄膜和块体材料。广义上是指，在三维空间中 至少有一维处于纳米尺度范围，或由它们作为基本单元构成的材料（4）溶胶凝胶法 ; 由金属有机物或无机物的溶液为初始物，在较低温度下，通过在溶液中发牛?水解、聚合等化学反应，先牛成溶 胶（SOL）,再生成具有一定空间结构的凝胶（GEL）,然后经过热处理，

35、制备出各种无机材料或复合材料，这种 方法称为溶胶凝胶法 （5）化学气相沉积法 ;化学气和沉积法是利用挥发性金屈化合物蒸气的化学反应來合成所需物质的方 法 （6）X射线粉末衍射分析 :X射线粉末物质衍射是鉴定物质品相的仃效于段，町以根据特征峰的位置鉴 定样品的物相。依据XRD衍射图谱，根据Scherrer公式，利用衍射峰半高宽和位置（20）,可以计算出纳米粒 子的粒径。，还用于晶体结构的分析，对于简单的晶体结构，根据粉末衍射图可确定晶胞屮的原子位置、晶胞 参数以及晶胞中的原子数。 （7）差热/ 热重分析 ;差热分析是在程序控制温度下，测量试样与参比物（一种在测量温度范南内不发 牛任何热效应的物质

36、）Z间的温度差与温度或时间的关系的一利咖试技术技术。热重分析测量的是升温、恒温 或降温过程中样品的质量随温度与时间的变化关系的技术。 （8）扫描电镜 :利用二次电子信号成像來观察样品的农面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电 子束与样品的和互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。 第5章晶体生长基础 1 简述晶体生氏体系的均匀成核与非均匀成核？ 答均匀成核在一个体系内各个地方成核的儿率均相等。晶核在母相区域内各处的成核儿率是相同的，成核时必 须克服相当大的表面能位金。H发产生晶核的过程，指在理想体系小各处冇相同的成核几率 非均匀成核从外界某些不均匀处（如容器壁或外來杂质等）产牛

37、晶核的过程。成核的过冷度和过饱和度并不需 要那么大。因为在通常的生长系统中总是存在不均匀的部位（如容器壁、外来的微粒等），它有效降低了成核时 的表面位垒，使晶核优先在这些不均匀部位形成 2 运用非均相成核理论來分析区熔法中界血形状対品体生长的影响。 答 在区熔法制备单晶的过程屮，固液界而的形状对杂散品核的形成产生一定的影响。固态在接近器壁处温度 较内部低，固液界而凸向固方，090 C,非均匀成核的杂散晶核容易形成，单晶生长被干扰。（）界面越凸向固 方，干扰仁为生长优质单晶，必须抑制杂散晶核的产生，使单晶生长占主导地位，0 应大于或等于90 C,界面呈 平直状或凸向液方。 3 什么是自然对流？什

38、么是强迫对流？它们是如何形成的？它们对品体生长有什么影响？ 答自然对流：完全由巫力场引起的流体流动称为自然对流，乂分为热对?流和溶质对流。热对流的驱动力是温度 梯度；溶质对流是由溶质浓度梯度而引起的。 强迫对流：生长晶体时，山于晶体的驱动或包围晶体的流体的旋转，均可产生强迫对流。 要想工长出优质完整的品体，在熔体生长体系屮，必须建立合理的温度梯度分布，而这是和热量输运中的 热传输机制相联系的，因此晶体生长时所释放出的结晶潜热必须及时地从界面处输运出去。 4 试述品体生长体系中组分过冷的形成原因。 答固液界而前沿的溶质改变了边界层内熔体的凝点，从而形成一个狭窄的过冷区，使熔体实际温度低于凝固 点

39、，形成组分过冷 组分过冷临界条件：同液界面处温度分布曲线9凝同点曲线相切 mC (Kc-1) D fKO+ (1-KO) exo (-V/D6 ) 对不同的溶液系统，CLl , | m | I , Dt , KO-1,则不等式右边常数I ,越不易产生组分过冷。 极限情况F,若CL=0,熔体无溶质；或K0=l,即无分凝现彖，不等式右边为零，不管G/V大小如何，该式都不成 立，无溶质分凝自然不会产生组分过冷。 液流状态对组分过冷的影响主要通过边界层厚度反映出來，因而产生组分过冷的条件适用于任何液流状态。 由于6T X 3 1/2 ,所以从（3-11）可看出品体旋转对组分过冷的影响：转速3 t ,溶

40、质边界层厚度6 I ,不等式右 边常数I ,越难产生组分过冷。 5名词解释：（1）平衡分凝系数 ;在晶体生长过程中，固相、液相中的溶质平衡浓度Cs和CL可能 不 同，其比值K0为常数：K0 = Cs/CL K0与温度、溶液的浓 度无关 , 只取决于溶剂和溶液性质。K0表征了溶液和固溶体共存的热力学平衡性质，称平衡分凝系数。 （2）均匀成核 ;气相、液相（溶液或熔体）、同相物质通过相变可以形成晶体。相变时，先形成晶核， 然后再围绕晶核慢慢长大。自发产生晶核的过程称为均匀成核 （3）非均匀成核从外界某些不均匀处（如容器壁或外來杂质等）产生晶核的过程称非均匀成核。 （4）晶核;在均匀均匀成核的理想体

41、系中，某一瞬间由于热起伏，局部区域里分子分布可能出现不均匀， 一些分子可能聚集成团而形成胚芽，据热力学计算，当胚芽半径r人于品核临界尺寸0时，就可以稳定的继 续长大，不会自行消失，这种稳定的胚芽称为晶核。（5）温度梯度 ;过等温面上任 一点做该点法线，沿此法线单位长度的温度变化称为该点的温度梯度。 （6）边界层效应 :在固体 -流体系统屮，靠近固体农血?的一个极薄液体层内，溶质的浓度、速度、温度 均有较大变化，该薄层称为边界层。 第6章 晶体生长技术 5试述提拉法牛长晶体的优缺点及其适用范围。 答提拉法是一种利用籽晶从熔体中提拉出晶体的生长方法 主要优点 （1）直观 : 利于及时掌握生长情况,

42、 控制生长条件。在生长过程中, 可以方便地观察晶体的生长状况 （2）晶体不与堆竭接触，没有壁寄生成核和胁迫应力。晶体在熔体的口由农面处生长，而不与坨竭相接触, 这样能显著减小晶体的应力并防止圳壁上的寄生成核； （3）使用优质定向籽晶和缩颈技术，减少晶体缺陷。可以方便地使用定向籽晶和“缩颈“T?艺，以得到完整 的品体和所需取向的品体 G/V （4）能以较快速度获得高质量优质单晶。能够以较快的速率生长较高质量的晶体，例如，提拉法生长的红宝石 与焰熔法生长的红宝石相比，具冇较低的位错密度，较高的光学均匀性，也没冇嵌镶结构。 缺点：密闭性不好，组分挥发严重，影响品体的均匀性。2）圳材料对品体可能产生污

43、染（3）熔体的液流作 用、传动装置的振动和温度的波动都会对晶体的质量产生影响。 适川范围若存在以下情形，则难以采用熔体法进行晶体生长（1）材料在熔化后不分解；（2）需同成分熔化的材 料；（3）材料在熔化前不升华，在熔点处蒸气压不太高；（4）不存在故态相变（脱溶沉淀和共析反应）破坏性 相变；（5）熔点不太高；（6）生长条件和必须进入晶体的某种掺杂相容。 6 提拉法生长优质单晶应具备哪些条件？ 答（1）提拉利转动及温控系统平稳，垃竭洁净，纯净原材料。（2）适当的转速，搅拌以减小径向温度梯度和 组分过冷。（3）较慢的捉拉速度以抑制组分过冷。（4）设置后加热器，避免组分过冷，防止晶体开裂。 （5）忌任

44、何参量的究变，避免晶体内产生相应的究变。（6）晶体直径越小，内部的应力越小。 7 在提拉法晶体生长屮，为了控制所生长单晶的一肓径，应如何调节晶体生长条件？ 答晶体生长过程中即冇质鼠传输，也冇热量传输，其屮控制热呆传输是生长晶体成败的关键热戢输运对晶体外 形的影响 V Hd QL熔体传输到界而的热量；Qs 一界而传输到品体的热量 若拉速V和热损耗Qs都保持不变，增大加热功率，则QL增人，截而积A减小，晶体直径变细；反Z，晶体直 径变粗，故控制加热功率可以控制晶体外形。 从引肩到放肩， 总是希里晶体的直径不断增大，通常是在拉速不变的条件下不断减小加热功率，使QL相 应减小。 放穴部分面积随时间不是

45、肓线增加而是呈指数率自发増加。减小放启角可以减小放启过程玄径“ 发増长的倾向。 收尾阶段可通过提高功率使晶体变细，最后与熔体断开。 等径生长阶段仅保持加热功率不变是无法维持直径不变的。随着晶体逐渐长大，热损耗也在不断改变，要保持A 不变，必须保持（Qs? QL）不变，因此生长过程屮必须不断调节QL,以维持（Qs-QL）恒定不变。 加热功率和热损耗不变的条件卜- ，拉速越快，直径越细。理论上可以改变拉速控制晶体直径，但拉速的变化将 引起溶质的瞬间分凝，影响晶体质量，在实际过程中不可取。 如果保持拉速V和加热功率不变，调节热损耗Qs同样可以保持（Qs- QL）不变，从而达到控制直径的目的。 在气流

46、控制锐酸總倾晶体直径的装置中，籽晶杆外套上冇可通气的右英管，使气流经过石英喷嘴流过品体。调节 氧气的流量就能调节热损耗从而控制晶体育径。H动控制品体直径冇：光圈控径法；光反射法; 称重法。 8 提拉法晶体生长对温场冇哪些要求？选取籽晶的原则是什么？ 答一般而言，掺杂晶体需要较大的温场梯度；不掺杂或易开裂晶体温度梯度宜小些，较大温度梯度有助于克服组 分过冷；较小温度梯度有利于防止开裂，减小应力，降低位错密度；平（或微凸）界而冇利于提高所生长品体的 均匀性。 优质籽晶的条件： 1具有较优的取向；2晶体完整性好，应力小，位错密度低；3除去所有的加工损伤。 相抿舉面执沛 /;? 输方式可得晶休醐I （

47、2）对欲牛长晶体组成有较高溶解度5?3%（重虽：）/10 C； （3）使用温度卜 - 挥发性要低；（4）溶剂在 晶体中溶解度耍低，易于与晶体分离；（5）溶剂粘度耍低；（6）与坷竭材料不易发生反应，毒性小。 12简述溶液法牛?长的主要步骤？ 答1?溶液配制及过热处理 配制好的溶液经过滤厉在高于饱和点10度左右维持一段时间，并不断搅拌以消除溶液中的一些微小杂晶。完毕 后将溶液降到略高于饱和点的温度，准备下种。 2?选种和下种选择无缺陷、质忒好的晶体加工籽晶以减少遗传缺陷。下种询，溶液温度比饱和点温度稍高, 以 保证籽晶进入溶液后其表面保持微溶。 3.控制晶休生长 在牛长过程中耍让溶液自始至终处于业

48、稳区并保持适当的过饱和，须控制好降温速度和蒸发速率。决定降温速 率的工艺因素是：a）晶体允许的生长的速度。b）溶解度温度系数 c）溶液体积（V）和晶体生长表面积（S）之比 4.晶体的取出 : 品体生长完毕后，降至室温后方可把品体取出，以防温差过人引起品体开裂。 13试述汽相生长的基木原理？ 答近年来信息科学和电子工业有力推动了汽相生长技术的发展，其中单晶薄膜的汽相淀积法和各种外延生长方 法进展迅速。汽相生K适宜于生长薄膜、晶须、板状晶体。汽相生长是利用熬气压较大的材料在适当条件下使 其蒸气凝结成为晶体的一种方法。 汽相生长的显著特点是冇一个将原料以适当途径输运到淀积区的过程。按这种输运方式把汽相生长技术分 为两类：物理输运技术和化学输运技术 14什么叫化学输运和化学蒸气淀积，它们Z 间有何区別？ 专业好文档精心整理欢迎下载