單晶

所謂單晶(monocrystal, monocrystalline, single crystal)，即結晶體內部的微粒在三維空間呈有規律地、周期性地排列，或者說晶體的整體在三維方向上由同一空間格子構成，整個晶體中質點在空間的排列為長程有序。單晶整個晶格是連續的，具有重要的工業套用。由於熵效應導致了固體微觀結構的不理想，例如雜質，不均勻應變和晶體缺陷，有一定大小的理想單晶在自然界中是極為罕見的，而且也很難在實驗室中生產。另一方面，在自然界中，不理想的單晶可以非常巨大，例如已知一些礦物，如綠寶石，石膏，長石形成的晶體可達數米。

基本介紹

• 中文名：單晶
• 外文名：single crystal
• 套用學科：化學一級；無機化學二級
• 定    義：單一的晶體多面體叫做單晶。

單晶的特點

一定外形、長程有序。

如銅的單晶，矽的單晶等。很多取向不同而機遇的單晶顆粒可以拼湊成多晶體。

晶體簡介

晶體概念

自然界中物質的存在狀態有三種：氣態、液態、固態

固體又可分為兩種存在形式：晶體和非晶體

晶體是經過結晶過程而形成的具有規則的幾何外形的固體；晶體中原子或分子在空間按一定規律周期性重複的排列。

性質

均 勻 性： 晶體內部各個部分的巨觀性質是相同的。

各向異性： 晶體中不同的方向上具有不同的物理性質。

固定熔點： 晶體具有周期性結構，熔化時，各部分需要同樣的溫度。

規則外形： 理想環境中生長的晶體應為凸多邊形。

對 稱 性： 晶體的理想外形和晶體內部結構都具有特定的對稱性。

分類

對晶體的研究，固體物理學家從成健角度分為

離子晶體

原子晶體

分子晶體

金屬晶體

顯微學則從空間幾何上來分，有七大晶系，十四種布拉菲點陣，230種空間群，用拓撲學，群論知識去研究理解。可參考《晶體學中的對稱群》一書 （郭可信，王仁卉著）。

晶粒

晶粒是另外一個概念，首先提出這個概念的是凝固理論。從液態轉變為固態的過程首先要成核，然後生長，這個過程叫晶粒的成核長大。晶粒內分子、原子都是有規則地排列的，所以一個晶粒就是單晶。多個晶粒，每個晶粒的大小和形狀不同，而且取向也是凌亂的，沒有明顯的外形，也不表現各向異性，是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意與Particle是有區別的。

有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均勻程度，各個晶粒的取向關係都是很重要的組織（組織簡單說就是指固體微觀形貌特徵）參數。對於大多數的金屬材料，晶粒越細，材料性能（力學性能）越好，好比麵團，顆粒粗的麵團肯定不好成型，容易斷裂。所以很多冶金學家材料科學家一直在開發晶粒細化技術。

科學總是喜歡極端，看得越遠的鏡子叫望遠鏡；看得越細的鏡子叫顯微鏡。晶粒度也是這樣的，很小的晶粒度我們喜歡，很大的我們也喜歡。最初，顯微鏡倍數還不是很高的時候，能看到微米級的時候，覺得晶粒小的微米數量是非常小的了，而且這個時候材料的力學性能特別好。人們習慣把這種小尺度晶粒叫微晶。然而科學總是發展的，有一天人們發現如果晶粒度再小呢，材料性能變得不可思議了，什麼量子效應，隧道效應，超延展性等等很多小尺寸效應都出來了，這就是現在很熱的，熱得不得了的納米，晶粒度在1nm-100nm之間的晶粒我們叫納米晶。

準晶

準晶體的發現，是20世紀80年代晶體學研究中的一次突破。這是我們做電鏡的人的功勞。1984年底，D.Shechtman等人宣布，他們在急冷凝固的Al Mn合金中發現了具有五重旋轉對稱但並無平移周期性的合金相，在晶體學及相關的學術界引起了很大的震動。不久，這種無平移同期性但有位置序的晶體就被稱為準晶體。後來，郭先生一看，哇，我們這裡有很多這種東西啊，抓緊分析，馬上寫文章，那段金屬固體原子像的APL,PRL多的不得了，基本上是這方面的內容。準晶因此也被D.Shechtman稱為“中國像”。

一般晶體不會有五次對稱，只有1，2，3，4，6次旋轉對稱。所以看到衍射斑點是五次對稱的，10對稱的啊，其他什麼的，可能就是準晶。

孿晶

英文叫twinning，孿晶其實是金屬塑性變形里的一個重要概念。孿生與滑移是兩種基本的形變機制。從微觀上看，晶體原子排列沿某一特定面鏡像對稱。那個面叫孿晶面。很多教科書有介紹。一般面心立方結構的金屬材料，滑移系多，易發生滑移，但是特定條件下也有孿生。加上面心立方結構層錯能高，不容易出現孿晶，曾經一段能夠在面心立方里發現孿晶也可以發很好的文章。前兩年，馬恩就因為在鋁裡面發現了孿晶，在科學雜誌上發了篇論文。盧柯去年也因為在納米銅里做出了很多孿晶，既提高了銅的強度，又保持了銅良好導電性（通常這是一對矛盾），也在科學雜誌上發了篇論文。

單晶製備方法

單晶生長製備方法大致可以分為氣相生長、溶液生長、水熱生長、熔鹽法、熔體法。最常見的技術有提拉法、坩堝下降法、區熔法、定向凝固法等；

目前除了眾多的實際工程套用方法外，藉助於計算機和數值計算方法的發展，也誕生了不同的晶體生長數值模擬方法。特別是生產前期的分析和最佳化大直徑單晶時，數值計算尤為重要。

一、揮發法

原理：依靠溶液的不斷揮發，使溶液由不飽和達到飽和過飽和狀態。

條件：固體能溶解於較易揮發的有機溶劑理論上，所有溶劑都可以，但一般選擇60～120℃。

注意：不同溶劑可能培養出的單晶結構不同方法：將固體溶解於所選有機溶劑，有時可採用加熱的辦法使固體完全溶解，冷卻至室溫或者再加溶劑使之不飽和，過濾，封口，靜置培養。

二、擴散法

原理：利用二種完全互溶的沸點相差較大的有機溶劑。固體易溶於高沸點的溶劑，難溶或不溶於低沸點溶劑。在密封容器中，使低沸點溶劑揮發進入高沸點溶劑中，降低固體的溶解度，從而析出晶核，生長成單晶。液體等。一般選難揮發的溶劑，如DMF,DMSO,甘油甚至離子。

條件：固體在難揮發的溶劑中溶解度較大或者很大，在易揮發溶劑中不溶或難溶。經驗：固體在難揮發溶劑中溶解度越大越好。培養時，固體在高沸點溶劑中必須達到飽和或接近過飽和。

方法：將固體加熱溶解於高沸點溶劑，接近飽和，放置於密封容器中，密封容器中放入易揮發溶劑，密封好，靜置培養。

三、溫差法

原理：利用固體在某一有機溶劑中的溶解度，隨溫度的變化，有很大的變化，使其在高溫下達到飽和或接近飽和，然後緩慢冷卻，析出晶核，生長成單晶。一般，水，DMF,DMSO,尤其是離子液體適用此方法。條件：溶解度隨溫度變化比較大。經驗：高溫中溶解度越大越好，完全溶解。推廣：建議大家考慮使用離子液體做溶劑，尤其是對多核或者難溶性的配合物。

四、接觸法

原理：如果配合物極易由二種或二種以上的物種合成，選擇性高且所形成的配合物很難找到溶劑溶解，則可使原料緩慢接觸，在接觸處形成晶核，再長大形成單晶。一般無機合成，快反應使用此方法。

方法：1.用U形管，可採用瓊脂降低離子擴散速度。2.用直管，可做成兩頭粗中間細。3.用緩慢滴加法或稀釋溶液法（對反應不很快的體系可採用）4.緩慢升溫度（對溫度有要求的體系適用）經驗：原料的濃度儘可能的降低，可以人為的設定濃度或比例。0.1g～0.5g的溶質量即可。

五、高壓釜法

原理：利用水熱或溶劑熱，在高溫高壓下，是體系經過一個析出晶核，生長成單晶的過程，因高溫高壓條件下，可發生許多不可預料的反應。方法：將原料按組合比例放入高壓釜中，選擇好溶劑，利用溶劑的沸點選擇體系的溫度，高壓釜密封好後放入烘箱中，調好溫度，反應1～4小時均可。然後，關閉烘箱，冷至室溫，打開反應釜，觀察情況按如下過程處理：1.沒有反應——重新組合比例，調節條件，包括換溶劑，調pH值，加入新組分等。2.反應但全是粉末，且粉末什麼都不溶解，首先從粉末中挑選單晶或晶體，若不成，A：改變條件，換配體或加入新的鹽，如季銨鹽，羧酸鹽等；B:破壞性實驗，設法使其反應變成新物質。3.部分固體，部分在溶液中:首先通過顏色或條件變化推斷兩部分的大致組分，是否相同組成，固體挑單晶，溶液揮發培養單晶，若組成不同固體按1或2的方法處理。4.全部為溶液——旋蒸得到固體，將固體提純,將主要組成純化，再根據特點接上述四種單晶培養方法培養單晶。

單晶和多晶區別

單晶矽和多晶矽的區別是，當熔融的單質矽凝固時,矽原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒，則形成單晶矽。如果這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則形成多晶矽。多晶矽與單晶矽的差異主要表現在物理性質方面。例如在力學性質、電學性質等方面，多晶矽均不如單晶矽。多晶矽可作為拉制單晶矽的原料。單晶矽可算得上是世界上最純淨的物質了，一般的半導體器件要求矽的純度六個9以上。大規模積體電路的要求更高，矽的純度必須達到九個9。目前，人們已經能製造出純度為十二個9的單晶矽。單晶矽是電子計算機、自動控制系統等現代科學技術中不可缺少的基本材料。

多晶矽的生產工藝主要由高純石英（經高溫焦碳還原）→工業矽（酸洗）→矽粉（加HCL）→SiHCL3（經過粗餾精餾）→高純SiHCL3（和H2反應CVD工藝）→高純多晶矽。

市場優勢

統計數據顯示，2013年全球單晶裝機約8.5-9GW，占全球光伏裝機的22%-23%，相比2012年占比基本維持平穩。但是，如果不考慮中國市場主要使用多晶拉低了整體水平的因素，則單晶占比超過30%，相比2012年25%左右的水平明顯提升。

日本和美國是支撐去年單晶需求的兩大主要市場。在日本，受益於高電價補貼政策，2013年光伏裝機大幅增長，全年裝機7.5GW，同比增長204%。其中，單晶裝機2.48GW，同比增長130.43%。美國方面，2013年實現裝機4.75GW，同比增長41.02%，單晶約占總裝機量的31%。

業內人士介紹，在分散式光伏發電上，使用單晶的優勢十分突出。“比如建相同功率的電站，單晶使用的電池片更少，這就降低了安裝、調試、配件等非組件成本。所以在非組件成本占整體電站成本比例高的地方，一般會選用單晶。比如日本，非組件成本比中國高兩倍，所以電站建造過程中主要目的是降低非組件成本，而不是組件成本。”上述電站投資人表示。

此外，由於分散式光伏電站都是建立在面積有限的屋頂，在單位面積上能夠發出更多的電將直接決定屋頂電站的收益，因此在單位面積上效率更高的單晶電池將更具有吸引力。

隨著去年國家有關分散式光伏發電上網補貼價格正式落地，分散式光伏發電的發展驟然升溫。

今年1月，國家能源局公布今年國內光伏新增裝機目標為14GW，其中分散式光伏電站為8GW、地面電站6GW，正式宣告我國分散式光伏發電套用的大規模啟動。

吳新雄日前在嘉興分散式光伏會議上表示，年初已將2014年新增備案規模下達到各地區，各地方要加大執行力度，力爭全年光伏發電新增併網容量達到13GW以上。

與此同時，今年政府持續出台了多項政策支持分散式光伏的發展，尤其是近期國家能源局發布的《關於進一步落實分散式光伏發電有關政策的通知》，將有望帶動國內分散式光伏發電的快速發展。

國內光伏終端市場主要以西部地區大型地面電站為主，存在大規模開發就地消納困難和電力長距離輸送損耗較高等問題，而中、東部地區發展分散式光伏發電，易於就地消納，且網購電價高、度電補貼需求低，套用推廣的經濟性更高，因此，大力推進分散式光伏發電是拓展國內光伏市場的有效途徑。

單晶數值模擬

工程背景：

1、提拉法

2、定向凝固法

3、區熔法

涉及到的問題：

1、傳熱、傳質、湍流、熱輻射等；

2、準穩態、動態問題；

3、存在急劇擴散、粘性、輻射、熱邊界層問題；

4、缺陷預測等；

數學模型：

熱流和摻雜物的輸運由動量守恆、能量守恆和質量守恆方程描述。

提拉法數值模擬