单晶

所谓单晶(monocrystal,monocrystalline,singlecrystal)，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。

中文名：单晶

外文名：singlecrystal

应用学科：化学一级；无机化学二级

定义：单一的晶体多面体叫做单晶。

1、单晶的特点

一定外形、长程有序。

如铜的单晶，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。

2、晶体简介

晶体概念

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。

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。

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）。

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。

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AlMn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。

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。

3、单晶制备方法

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。

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。

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。

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。

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。

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。

4、单晶和多晶区别

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。

5、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*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。

6、单晶数值模拟

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。