晶体生长理论基础与方法

课程编码：070200M02047H 英文名称：Basic Theory and Methods of Crystal Growth 课时：50 学分：3.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：王刚等

本课程为凝聚态物理、材料、化学及相关专业研究生的专业课程，主要介绍晶体生长的基本理论、主要晶体生长方法和应用及晶体缺陷。主要内容包括：相平衡和相图、温场和热量传输、溶质分凝和质量传输、界面的稳定性和平衡性质、晶体成核、生长动力学、主要晶体生长方法、晶体中的缺陷等。通过本课程的学习，学生能够掌握晶体生长的理论基础和方法，并可以运用这些知识理解晶体生长中遇到的实验现象和解决晶体材料生长或制备过程中遇到的相关物理和技术问题。

固体物理或材料学基础

第一章 相平衡和相图 4.5学时
第1节 相平衡及相变（教学重点）
第2节 单元系的相平衡（教学重点）
第3节 二元相图（教学重点）
第4节 相图热力学
第5节 三元相图
第6节 相图在晶体生长中的作用
第二章 温场和热量传输 4.5学时
第1节 炉膛内温场的描述
第2节 从能量守恒原理讨论晶体生长工艺
第3节 能量守恒的微分形式和一维稳态温场（教学重点）
第4节 晶体中的温场（教学重点）
第5节 坩埚中液面位置及辐射屏对温场的影响
第6节 晶体生长过程中直径的惯性和直径响应方程（教学重点）
第7节 非稳温场和温度波
第三章 溶质分凝和质量传输 3学时
第1节 固溶体和溶液
第2节 溶液的凝固和平衡分凝系数（教学重点）
第3节 溶质浓度场和溶质守恒（教学重点）
第4节 溶质保守系统中的浓度场（教学重点）
第5节 溶质非保守系统中的浓度场
第6节 直拉法生长过程中的溶质均化
第四章 界面稳定性和组分过冷 6学时
第1节 界面稳定性的定性描述
第2节 组分过冷形态学
第3节 产生组分过冷的临界条件（教学重点）
第4节 组分过热
第5节 界面稳定性的动力学理论（教学重点）
第6节 枝晶生长
第五章 界面的宏观性质与微观结构 6学时
第1节 界面能和界面张力（教学重点）
第2节 界面交接
第3节 弯曲界面的相平衡（教学重点）
第4节 弯月面与直拉法生长
第5节 界面曲率对平衡参量的影响（教学重点）
第6节 晶体的平衡形状
第7节 邻位面与台阶的平衡结构
第8节 界面相变熵和界面的平衡结构
第六章 成核 6学时
第1节 相变驱动力（教学重点）
第2节 亚稳态
第3节 均匀成核（教学重点）
第4节 非均匀成核（教学重点）
第5节 界面失配对成核行为的影响
第6节 晶体生长系统中成核率的控制
第七章 生长动力学 6学时
第1节 粗糙界面生长动力学（教学重点）
第2节 邻位面生长动力学（教学重点）
第3节 光滑界面生长动力学
第4节 纳米界面生长动力学
第5节 晶体生长运动学理论
第6节 晶体生长形态学（教学重点）
第八章 液相晶体生长方法和应用 3学时
第1节 溶液法晶体生长
降温法、蒸发法、高温溶液法（助熔剂法）、水热法（溶剂热法）等
第2节 熔体法晶体生长
提拉法、坩埚下降法、焰熔法、区熔法等
第九章 气相晶体生长方法和应用 3学时
第1节 物理气相沉积法（PVD）
真空蒸发法、溅射、物理气相传输法（PVT）等
第2节 化学气相沉积法（CVD）
等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、化学气相传输（CVT）、分子束外延（MBE）等
第3节 其它方法
第十章 晶体缺陷和表征 3学时
第1节 组分
第2节 点缺陷（教学重点）
第3节 线缺陷（教学重点）
第4节 面缺陷和体缺陷
第5节 缺陷的影响和表征

王刚，中科院物理研究所研究员，博导。2001年和2004年于兰州大学分别获得学士和硕士学位，2007年在中科院物理研究所获得博士学位，2007-2008年在瑞典和美国做博士后，2009年回到中科院物理研究所工作，2016-2017年在美国Ames实验室访问。基于晶体材料“结构-性能”关系生长高质量晶体、发现晶体新效应和新晶体材料，在生长宽禁带半导体碳化硅晶体满足国家重大需求、发现新高温超导体和拓扑半金属光电性能引领基础前沿研究方面取得了系统性创新成果。发表学术论文78篇，被SCI引用2342次，第一/通讯作者单篇最高SCI他引197次；被授权国际发明专利6项。承担国家自然科学基金优秀青年科学基金、重点项目、面上项目，中组部“万人计划”青年拔尖人才项目，国家重点研发计划项目等。担任中国硅酸盐学会第九届理事、中国硅酸盐学会晶体生长与材料分会理事、中国晶体学会粉末衍射专业委员会委员；Powder Diffraction编辑。获得国家自然科学奖二等奖（第三）、中科院科技促进发展奖（第三）和茅以升科学技术奖-北京青年科技奖等奖励。

郭丽伟，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师。在1984年和1987年在辽宁大学分别获得理学学士和硕士学位。1996年在中国科学院物理研究所获理学博士学位。1987年-1993年在辽宁大学物理系工作（讲师）。1998年-1999年在日本东北大学金属材料研究所访学工作。1999年至今在中国科学院物理研究所工作。主要从事过Si基、GaAs基、GaN基半导体薄膜量子结构材料的生长和相关光电器件的研究，宽带隙半导体SiC和AlN单晶材料的晶体生长和物性研究，以及由SiC衍生的石墨烯材料的制备和性能研究。作为课题负责人先后承担过科技部863项目、基金委面上基金项目、JG预研项目和北京市科委项目等；作为研究骨干参与了973重大科学研究计划项目、科学院重要方向性项目、院重点项目“璀璨行动”和科技部国际合作项目，以及国家重点基础研究发展计划A类项目，广东省和北京市科技计划课题等。目前已发表研究论文120余篇，申请发明专利21项（其中获授权发明专利16项）。