晶体第七课：晶体的性质与应用

弹性性质

弹性性质: 在外力作用下，物体会发生形变。如果外力撤消后，物体不能恢复原状，这种性质就称为物体的塑性；如果外力撤消后，物体能恢复原状，这种性质就称为物体的弹性。当外力在一定范围内时，大多数晶体具有弹性，是弹性介质。弹性性质反映物体对于外力的形变及回复能力。

晶体具有弹性性质，在外力作用下，大小和形状都要发生变化，这通常称为形变。

应变与应力

当晶体形变时，晶体内任意两点间的距离都会发生变化，这种变化可以用应变来描述。同样，物体受到外力发生形变时，作用在固体中单位面积上的力称为应力。应变和应力通常用S和T来表示。在弹性范围内，应变与应力的关系可以用胡克定律来表示：

S＝sT，T=cS

其中，s和c分别时弹性柔顺系数和弹性刚度系数。这个公式和弹簧的胡克定律很相似，但是，这里面的物理量都是“张量”。关于张量的概念，感兴趣的朋友可以参考张量分析，或者压电性这样的书籍资料，这里就不做展开讲解。

晶体的弹性性质十分重要，是晶体声学性能的基础。同时，作为晶体基本性质的表征，弹性常数和其他性质一起，可以有很多有趣的应用。比如，很多晶体具有“压电性”，就是说，受到压力会产生出等量异号的电荷。利用压电性和弹性，可以制作广泛应用于各种家电、通讯、雷达等上的“声表面波”器件。

另外，常用的弹性常数还有杨氏模量Y，泊松比σ及切变模量G。

下面是自然界中最硬的物质：金刚石，以及具有超大电致伸缩性能和压电性能的PMNT（钛酸铅－铌镁酸铅）晶体（中国科学院上海硅酸盐研究所生长）。

 

    

最硬的物质：金刚石                                                 PMNT晶体

电学性质

提到“电”，大家想必都不陌生。我们就生活在一个被电所包围着的世界之中，从点灯等照明设备，到电视、收音机、随身听等家用电器，到电动刮胡刀、电热杯、电磁炉等，无处不见电的影子。当年，您正在看这段文字的计算机，可也是用电才能使用的。

那么，电有着这么多神奇的本领，它又是什么呢？电与晶体又有什么关系呢？本节将简单地进行介绍。至于详细的关于电的探讨，请参阅《电磁学》、《电动力学，甚至量子理论等相关的图书文献吧！

下面首先展示几个关于电的应用，以及相关晶体的图片。

 

        

 

白炽灯                                                                          节能灯

     

刮胡刀                                                                             石英钟

    

单晶硅                                                                     人工石英

 

晶体的电学性质

晶体的电学性质，反映了晶体在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。晶体的某些效应，可以在没有外加电场的情况下，产生出电荷，比如压电效应。

晶体的电学性质

根据晶体的电学性质，可以把有关晶体分为以下几类：

• 电介质：在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化，能产生电极化现象的物质统称为电介质。
• 压电体：一些晶体因受外力而产生形变时，会发生极化现象，在相对两面上形成异号束缚电荷，称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。
• 电致伸缩：一些晶体在电场作用下会发生伸长或缩短形变，称电致伸缩。
• 热电效应：具有自发极化造成的宏观电偶极矩，并具有较大热胀系数的晶体称为热电晶体。
• 驻极体：除去外电场或外加机械作用后，仍能长时间保持极化状态的电介质称为驻极体。驻极体同时具有压电效应和热电效应。
• 电光效应：某些各向同性的透明电介质在电场作用下变成光学各向异性的效应。
• 铁电性：某些电介质内存在许多自发极化的小区域，称为铁电畴，不同铁电畴的自发极化方向一般不同，因而宏观上总的电偶极矩为零。在外电场作用下各铁电畴的极化方向趋于一致，极化强度 P与电场强度E有非线性关系，称为电滞回线。以上性质称为铁电性，具有铁电性的电介质称铁电体 。
• 半导体：指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料，一般电阻率在10-3欧姆厘米和109欧姆.厘米之间。按内部电子结构区分，半导体与绝缘体相似，它们所包含的价电子数恰好能填满价带，并由禁带和上面的导带隔开（见固体的能带）。半导体材料是现代电子学的基础。
• ... ...

下图为电光晶体硅酸镓镧（LGS）、半导体晶体碳化硅（SiC）、压电晶体钽酸锂，以及铁电晶体PZNT。

 

    

硅酸镓镧                                                                     碳化硅

    

钽酸锂                                                                         PZNT

光学性质

晶体的光学性质，大致可以分为线性光学和非线性光学两部分。所谓线性光学性质，是指，当光强较弱时，物质与光的相互作用是线性的，即极化强度与光波电场的一次方成正比。通常的一些光学效应，如反射、折射、双折射等,都只与介质的线性极化相联系，故都属于线性光学的范畴。当光的强度较大时，极化强度中还会相继出现与电场的二次、三次以至高次方成比例的项，与这些项相对应的极化统称为非线性极化。更一般说来，在强光作用下，极化强度是光强的非线性函数。相对应的一些效应就称为非线性光学效应。

非线性光学现象有光学谐波、光学和频与差频、光学参量放大与振荡、光束自聚焦、受激光散射、双光子吸收、多光子吸收、多光子电离、多光子荧光、位相复共轭、光学双稳态、受激喇曼散射、受激布里渊散射、受激瑞利散射等。

非线性光学不仅从理论上丰富了人们对光与物质相互作用的认识，而且已经得到广泛的实际应用。例如，光倍频、光参量振荡、受激喇曼散射已成为产生新频率相干辐射的一种有效方法；利用非线性饱和吸收已制成染料Q开关和被动锁模元件。此外,它在激光光谱学、同位素分离、光控化学反应、核聚变、集成光学、信息光学、光学计算机等方面都有重要的作用。

下图为非线性光学晶体KTN、激光晶体YCOB和双折射晶体钒酸钇。

 

   

非线性光学晶体KTN'                                     非线性光学晶体KTN'

   

  

激光晶体YCOB                                              双折射晶体钒酸钇

晶体的应用

由于晶体有各种各样的不同的性质，相对应，晶体也就可以有许多不同方面的应用。

观赏晶体：主要是指人工宝石，比如人工锆石（立方氧化锆）、人工白宝石、蓝宝石、红宝石等，可以用在珠宝首饰加工上。

超硬晶体：可以用于切割、加工、打磨等应用，主要有人造金刚石、氧化铝等；

压电晶体：应用十分广泛，可以应用于各种各样的传感器、探测器，时钟晶振，步进马达，超声探测、超声加工、超声清洗、无损探伤，以及各种声表面波器件等。无论生产、生活还是军事科技医疗，基本上都能看见压电晶体的身影；

线性光学晶体，可以根据其性质的不同，应用于不同的方面，比如光学透镜、光学贴膜等等；

激光晶体，可以用于固体激光器等。而激光地应用也是十分广泛，从常见的光盘、DVD机，到激光加工、激光手术，以及军事上的激光制导、激光武器等。

电光晶体：在外加电场作用下折射率发生变化，从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光，并产生一根位差效应的晶体。适用于激光的调制和偏振。

热释电晶体：在外界温度变化时由其自发极化引起表面电荷效应的晶体，可用于制备热释电探测器。

目前，工业应用中的晶体大多来源于人工生长合成，下图为几种人工生长的功能晶体。

几种人工晶体