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晶體生長基礎與技術 版權信息
- ISBN：9787030748430
- 條形碼：9787030748430 ; 978-7-03-074843-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
晶體生長基礎與技術 內容簡介
本書系統介紹了人工晶體生長的基礎理論和相圖技術，在此基礎上全面介紹了人工晶體生長主流技術如水溶液法、助熔劑法、水熱法、焰熔法、提拉法和坩堝下降法等，詳細介紹了上述人工晶體生長技術的基本原理、設備設計與構造、生長工藝以及它們的優缺點等。同時，作者結合自身多年科研工作成果積累，選擇性介紹了幾種重要的光電子晶體材料的生長技術。
晶體生長基礎與技術 目錄
目錄
前言
第1章 晶體生長理論基礎 1
1.1 引言 1
1.2 晶體生長技術的分類 2
1.2.1 氣相生長法 2
1.2.2 液相生長法 3
1.2.3 固相生長法 4
1.3 晶體生長的熱力學原理 4
1.3.1 氣-固相轉變過程 5
1.3.2 液-固相轉變過程 6
1.4 晶體生長理論構造模型 7
1.4.1 晶體層生長理論 8
1.4.2 晶體螺旋生長理論 9
1.5 溶液法晶體生長理論基礎 11
1.5.1 溶液法晶體生長的基本原理 11
1.5.2 溶液中晶體生長過程的物理化學基礎 13
1.6 熔體生長晶體理論基礎 16
1.6.1 熔體生長過程的特點 16
1.6.2 結晶過程驅動力 17
1.6.3 熔體生長過程的物理化學基礎 19
參考文獻 26
第2章 相圖及其在晶體生長中的應用 27
2.1 相圖的基本概念 27
2.1.1 幾個基本概念 27
2.1.2 相律 29
2.2 杠桿定律 30
2.3 相圖的分類 32
2.3.1 單組元相圖 32
2.3.2 二元系相圖 33
2.3.3 三元系相圖 44
2.4 相圖的實驗測定與繪制 47
2.4.1 差熱分析基本原理 47
2.4.2 X射線粉末衍射原理 49
2.4.3 相圖的測定和繪制 52
2.5 相圖在晶體生長中的應用 54
2.5.1 相圖在鈮酸鋰晶體生長中的應用 54
2.5.2 相圖在紫外雙折射高溫相?-BaB2O4晶體生長中的應用 56
參考文獻 59
第3章 水溶液晶體生長技術 61
3.1 溶液和溶解度 61
3.1.1 溶液的概念 61
3.1.2 溶解度和溶解度曲線 61
3.1.3 飽和溫度和溶解度的測定 63
3.2 水溶液法晶體生長的基本原理和方法 67
3.2.1 溶劑蒸發法 67
3.2.2 溫差法 68
3.2.3 降溫法 69
3.3 影響水溶液晶體生長的主要因素 73
3.3.1 雜質的影響 73
3.3.2 pH的影響 73
3.3.3 過飽和度的影響 76
參考文獻 77
第4章 助熔劑法晶體生長技術 79
4.1 引言 79
4.2 助熔劑法晶體生長技術的基本原理和生長技術方法 80
4.2.1 助熔劑法晶體生長技術的基本原理 80
4.2.2 自發成核法 80
4.2.3 籽晶法 81
4.3 助熔劑的選擇 86
4.3.1 助熔劑的選擇原則 86
4.3.2 助熔劑和熔液的物理化學性能 87
4.3.3 助熔劑的類型 93
4.4 混料設計在助熔劑探索中的應用 95
4.4.1 混料設計概述 95
4.4.2 混料設計指導復合助熔劑探索實驗方案 97
4.4.3 混料設計指導復合助熔劑探索應用實例 99
4.5 助熔劑法晶體生長技術的優缺點 108
4.5.1 助熔劑法晶體生長技術的優點 108
4.5.2 助熔劑法晶體生長技術的缺點 108
參考文獻 109
第5章 水熱法晶體生長技術 113
5.1 水熱法晶體生長技術的基本原理 113
5.2 水熱結晶的物理化學性能 114
5.2.1 高溫高壓下水的物理化學性能 114
5.2.2 水熱系統中的壓強-體積-溫度特性 117
5.3 水熱法晶體生長裝置 120
5.4 水熱法晶體生長技術的工藝過程 121
5.5 影響水熱法晶體生長的因素 122
5.5.1 溫度對晶體生長的影響 122
5.5.2 溶液填充度對晶體生長的影響 122
5.5.3 溶液濃度對晶體生長的影響 122
5.5.4 培養料的溶解表面積與籽晶生長表面積之比對晶體生長速率的影響 122
5.5.5 溶液pH對晶體生長的影響 123
5.5.6 對流擋板對晶體生長的影響 123
5.6 水熱法晶體生長技術的優缺點 124
5.6.1 水熱法晶體生長技術的優點 124
5.6.2 水熱法晶體生長技術的缺點 124
參考文獻 124
第6章 焰熔法晶體生長技術 126
6.1 焰熔法晶體生長的基本原理 126
6.2 焰熔法晶體生長裝置 126
6.2.1 原料供應系統 127
6.2.2 燃燒系統 127
6.2.3 晶體生長系統 127
6.3 焰熔法晶體生長技術的工藝過程 128
6.4 焰熔法晶體生長技術的優缺點與晶體缺陷 128
6.5 焰熔法晶體生長技術的主要應用領域 129
6.5.1 焰熔法在合成星光剛玉寶石方面的應用 130
6.5.2 合成寶石鑒別 132
參考文獻 133
第7章 提拉法晶體生長技術 134
7.1 提拉法晶體生長技術的熱力學基礎 134
7.1.1 提拉法晶體生長技術基本原理 134
7.1.2 結晶過程的驅動力 134
7.1.3 提拉法晶體生長技術的熱傳遞方式 135
7.1.4 界面熱流連續方程 136
7.1.5 晶體中的溫度分布 138
7.2 提拉法晶體生長技術的基本裝置和工藝 141
7.2.1 提拉法晶體生長技術的基本裝置 141
7.2.2 提拉法晶體生長的一般工藝過程 143
7.3 提拉法晶體生長中缺陷形成和控制 145
7.3.1 晶體中常見的幾種缺陷 145
7.3.2 物質條件對晶體質量的影響和控制 146
7.3.3 熱力學因素對晶體質量的影響和控制 153
7.3.4 分凝和組分過冷 154
7.3.5 溫度分布、溫度波動與晶體生長條紋 154
7.4 提拉法晶體生長技術的優缺點 156
參考文獻 157
第8章 坩堝下降法晶體生長技術 161
8.1 坩堝下降法晶體生長技術的基本原理 161
8.2 坩堝下降法晶體生長裝置 161
8.3 坩堝下降法晶體生長技術的基本工藝與要求 163
8.3.1 坩堝 163
8.3.2 基本生長工藝流程 165
8.3.3 晶體生長的傳熱過程和溫場設計 165
8.3.4 生長速率和固-液界面移動的控制 166
8.3.5 Bridgman法晶體生長過程的結晶界面的控制及其控制原理 167
8.3.6 籽晶定向生長 169
8.4 坩堝下降法晶體生長技術的特點 169
參考文獻 171
第9章 幾種重要光電子晶體材料的生長 175
9.1 非線性光學晶體低溫相偏硼酸鋇β-BBO的頂部籽晶助熔劑法生長 175
9.1.1 低溫相偏硼酸鋇β-BBO的結構和基本非線性光學性能 175
9.1.2 β-BBO晶體生長 176
9.2 紫外雙折射晶體高溫相偏硼酸鋇β-BBO的提拉法生長 178
9.2.1 高溫相偏硼酸鋇β-BBO的結構和基本雙折射性能 178
9.2.2 β-BBO晶體生長 179
9.3 雙折射晶體YVO4和激光晶體Nd3+：YVO4提拉法生長 181
9.3.1 YVO4和Nd3+：YVO4晶體結構和光學性能 182
9.3.2 YVO4和Nd3+：YVO4晶體生長 183
9.4 非線性光學晶體磷酸氧鈦鉀的水熱法生長 185
9.4.1 磷酸氧鈦鉀晶體結構和非線性光學性能 185
9.4.2 磷酸氧鈦鉀水熱法晶體生長 186
9.5 大尺寸非線性光學晶體磷酸二氫鉀水溶液生長 189
9.5.1 磷酸二氫鉀晶體結構和基本光學性能 189
9.5.2 大尺寸磷酸二氫鉀晶體生長 190
9.6 紫外非線性光學晶體大尺寸三硼酸鋰的頂部籽晶助熔劑法生長 193
9.6.1 三硼酸鋰晶體結構和基本光學性能 193
9.6.2 三硼酸鋰晶體生長 195
參考文獻 197
前言
第1章 晶體生長理論基礎 1
1.1 引言 1
1.2 晶體生長技術的分類 2
1.2.1 氣相生長法 2
1.2.2 液相生長法 3
1.2.3 固相生長法 4
1.3 晶體生長的熱力學原理 4
1.3.1 氣-固相轉變過程 5
1.3.2 液-固相轉變過程 6
1.4 晶體生長理論構造模型 7
1.4.1 晶體層生長理論 8
1.4.2 晶體螺旋生長理論 9
1.5 溶液法晶體生長理論基礎 11
1.5.1 溶液法晶體生長的基本原理 11
1.5.2 溶液中晶體生長過程的物理化學基礎 13
1.6 熔體生長晶體理論基礎 16
1.6.1 熔體生長過程的特點 16
1.6.2 結晶過程驅動力 17
1.6.3 熔體生長過程的物理化學基礎 19
參考文獻 26
第2章 相圖及其在晶體生長中的應用 27
2.1 相圖的基本概念 27
2.1.1 幾個基本概念 27
2.1.2 相律 29
2.2 杠桿定律 30
2.3 相圖的分類 32
2.3.1 單組元相圖 32
2.3.2 二元系相圖 33
2.3.3 三元系相圖 44
2.4 相圖的實驗測定與繪制 47
2.4.1 差熱分析基本原理 47
2.4.2 X射線粉末衍射原理 49
2.4.3 相圖的測定和繪制 52
2.5 相圖在晶體生長中的應用 54
2.5.1 相圖在鈮酸鋰晶體生長中的應用 54
2.5.2 相圖在紫外雙折射高溫相?-BaB2O4晶體生長中的應用 56
參考文獻 59
第3章 水溶液晶體生長技術 61
3.1 溶液和溶解度 61
3.1.1 溶液的概念 61
3.1.2 溶解度和溶解度曲線 61
3.1.3 飽和溫度和溶解度的測定 63
3.2 水溶液法晶體生長的基本原理和方法 67
3.2.1 溶劑蒸發法 67
3.2.2 溫差法 68
3.2.3 降溫法 69
3.3 影響水溶液晶體生長的主要因素 73
3.3.1 雜質的影響 73
3.3.2 pH的影響 73
3.3.3 過飽和度的影響 76
參考文獻 77
第4章 助熔劑法晶體生長技術 79
4.1 引言 79
4.2 助熔劑法晶體生長技術的基本原理和生長技術方法 80
4.2.1 助熔劑法晶體生長技術的基本原理 80
4.2.2 自發成核法 80
4.2.3 籽晶法 81
4.3 助熔劑的選擇 86
4.3.1 助熔劑的選擇原則 86
4.3.2 助熔劑和熔液的物理化學性能 87
4.3.3 助熔劑的類型 93
4.4 混料設計在助熔劑探索中的應用 95
4.4.1 混料設計概述 95
4.4.2 混料設計指導復合助熔劑探索實驗方案 97
4.4.3 混料設計指導復合助熔劑探索應用實例 99
4.5 助熔劑法晶體生長技術的優缺點 108
4.5.1 助熔劑法晶體生長技術的優點 108
4.5.2 助熔劑法晶體生長技術的缺點 108
參考文獻 109
第5章 水熱法晶體生長技術 113
5.1 水熱法晶體生長技術的基本原理 113
5.2 水熱結晶的物理化學性能 114
5.2.1 高溫高壓下水的物理化學性能 114
5.2.2 水熱系統中的壓強-體積-溫度特性 117
5.3 水熱法晶體生長裝置 120
5.4 水熱法晶體生長技術的工藝過程 121
5.5 影響水熱法晶體生長的因素 122
5.5.1 溫度對晶體生長的影響 122
5.5.2 溶液填充度對晶體生長的影響 122
5.5.3 溶液濃度對晶體生長的影響 122
5.5.4 培養料的溶解表面積與籽晶生長表面積之比對晶體生長速率的影響 122
5.5.5 溶液pH對晶體生長的影響 123
5.5.6 對流擋板對晶體生長的影響 123
5.6 水熱法晶體生長技術的優缺點 124
5.6.1 水熱法晶體生長技術的優點 124
5.6.2 水熱法晶體生長技術的缺點 124
參考文獻 124
第6章 焰熔法晶體生長技術 126
6.1 焰熔法晶體生長的基本原理 126
6.2 焰熔法晶體生長裝置 126
6.2.1 原料供應系統 127
6.2.2 燃燒系統 127
6.2.3 晶體生長系統 127
6.3 焰熔法晶體生長技術的工藝過程 128
6.4 焰熔法晶體生長技術的優缺點與晶體缺陷 128
6.5 焰熔法晶體生長技術的主要應用領域 129
6.5.1 焰熔法在合成星光剛玉寶石方面的應用 130
6.5.2 合成寶石鑒別 132
參考文獻 133
第7章 提拉法晶體生長技術 134
7.1 提拉法晶體生長技術的熱力學基礎 134
7.1.1 提拉法晶體生長技術基本原理 134
7.1.2 結晶過程的驅動力 134
7.1.3 提拉法晶體生長技術的熱傳遞方式 135
7.1.4 界面熱流連續方程 136
7.1.5 晶體中的溫度分布 138
7.2 提拉法晶體生長技術的基本裝置和工藝 141
7.2.1 提拉法晶體生長技術的基本裝置 141
7.2.2 提拉法晶體生長的一般工藝過程 143
7.3 提拉法晶體生長中缺陷形成和控制 145
7.3.1 晶體中常見的幾種缺陷 145
7.3.2 物質條件對晶體質量的影響和控制 146
7.3.3 熱力學因素對晶體質量的影響和控制 153
7.3.4 分凝和組分過冷 154
7.3.5 溫度分布、溫度波動與晶體生長條紋 154
7.4 提拉法晶體生長技術的優缺點 156
參考文獻 157
第8章 坩堝下降法晶體生長技術 161
8.1 坩堝下降法晶體生長技術的基本原理 161
8.2 坩堝下降法晶體生長裝置 161
8.3 坩堝下降法晶體生長技術的基本工藝與要求 163
8.3.1 坩堝 163
8.3.2 基本生長工藝流程 165
8.3.3 晶體生長的傳熱過程和溫場設計 165
8.3.4 生長速率和固-液界面移動的控制 166
8.3.5 Bridgman法晶體生長過程的結晶界面的控制及其控制原理 167
8.3.6 籽晶定向生長 169
8.4 坩堝下降法晶體生長技術的特點 169
參考文獻 171
第9章 幾種重要光電子晶體材料的生長 175
9.1 非線性光學晶體低溫相偏硼酸鋇β-BBO的頂部籽晶助熔劑法生長 175
9.1.1 低溫相偏硼酸鋇β-BBO的結構和基本非線性光學性能 175
9.1.2 β-BBO晶體生長 176
9.2 紫外雙折射晶體高溫相偏硼酸鋇β-BBO的提拉法生長 178
9.2.1 高溫相偏硼酸鋇β-BBO的結構和基本雙折射性能 178
9.2.2 β-BBO晶體生長 179
9.3 雙折射晶體YVO4和激光晶體Nd3+：YVO4提拉法生長 181
9.3.1 YVO4和Nd3+：YVO4晶體結構和光學性能 182
9.3.2 YVO4和Nd3+：YVO4晶體生長 183
9.4 非線性光學晶體磷酸氧鈦鉀的水熱法生長 185
9.4.1 磷酸氧鈦鉀晶體結構和非線性光學性能 185
9.4.2 磷酸氧鈦鉀水熱法晶體生長 186
9.5 大尺寸非線性光學晶體磷酸二氫鉀水溶液生長 189
9.5.1 磷酸二氫鉀晶體結構和基本光學性能 189
9.5.2 大尺寸磷酸二氫鉀晶體生長 190
9.6 紫外非線性光學晶體大尺寸三硼酸鋰的頂部籽晶助熔劑法生長 193
9.6.1 三硼酸鋰晶體結構和基本光學性能 193
9.6.2 三硼酸鋰晶體生長 195
參考文獻 197
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晶體生長基礎與技術 節選
第1章 晶體生長理論基礎 1.1 引言[1-14] 晶體生長是一門非常古老的“藝術”，晶體生長的歷史淵源可追溯至古代的食鹽、食糖的制取技術，食鹽是從飽和溶液中生長出的一種人造結晶體。我國有五六千年悠久的制鹽史，是產鹽*早的國家，早在1600多年前（348～354年）《華陽國志 蜀志》古書中，就有“井有二水，取井火煮之，一斛水得五斗鹽”的制鹽技術記載。明末宋應星的《天工開物 作咸》對制鹽工藝有詳細的敘述，至今還在沿用，且大多是取鹵水作原料，或柴火煎煮，或風吹日曬，水分蒸發后便得到食鹽。 雖然早期處于萌芽狀態的人工晶體生長活動出現得很早，但是現代人工晶體生長的起步卻很晚。現代晶體生長工作從某種意義上來說，始于19世紀中葉，一群地質學家們模擬自然界的成礦作用，研究地球化學相平衡和合成晶體，在高溫高壓液體中合成生長了許多材料的小晶體。1902年Verneuil[1]發明了焰熔法，這是**個從熔體中生長晶體的方法，它是一種無坩堝晶體生長方法，主要用于寶石的工業生產，開啟了現代工業化晶體生長。1905年Spezia[2]發明了水熱法并成功用于生長人工水晶，1917年Czochralski[3]發明了提拉法，1925年Bridgman[4]發明了坩堝下降法，1952年Pfann[5]發明了水平區熔法。20世紀50年代初期，龐大的半導體工業對晶體生長提出了迫切的要求，但這時的晶體生長工作仍然停留在工藝階段，理論遠遠落后于實踐。從歷史發展來看，20世紀50年代以前的晶體生長只是一種經驗工藝技術。 現代晶體生長作為一門科學技術是從20世紀50年代開始的，自此之后人工晶體生長才有了飛躍式的發展，不僅體現在人工晶體生長理論、人工晶體生長技術上，還發現了一大批極有價值的新晶體材料，為科學進步和人類生活水平提高做出了極大的貢獻。這里有兩方面的原因：首先是由于新固態技術方面的要求，新固態技術不但要求大的晶體，而且要求高質量的晶體；其次是晶體生長理論的發展。1949年，英國法拉第協會在布里斯托爾（Bristol）舉行了**次關于晶體生長的討論會，會上弗蘭克（F.C.Frank）**次提出非完整光滑理論模型（Frank模型），或稱為螺旋位錯模型，這次會議奠定了后來晶體生長理論的基礎，緊接著又發展了W.K.Burton、N.Cubrera和F.C.Frank理論，簡稱BCF理論[6-9]，對現代晶體生長理論發展起著推動作用。 我國人工晶體材料的研究開始于19世紀50年代中期，人工晶體材料的生長研究從無到有、從零星的實驗室研究發展到現在的規模化產業。人工晶體作為高科技領域和現代軍事技術不可缺少的關鍵材料，越來越受到各國政府和科學家的重視。中國人工晶體材料研究始終立足國際前沿，堅持自主創新，在國際上已占有一席之地[10]。現在我國的人工水晶、單晶硅、人造金剛石、鐵電壓電LN和LT晶體及各類寶石等晶體已成為一個高技術產業，磷酸氧鈦鉀（KTP）、偏硼酸鋇（BBO）、三硼酸鋰（LBO）、鍺酸鉍（BGO）、釩酸釔（YVO4）、鎢酸鉛（PbWO4）等晶體的制造已達到國際先進和領先水平，且均已進入國際市場的競爭行列。 晶體生長是一個動態過程，是在一定熱力學條件下控制物質相變的過程，涉及體系中的熱量、質量等輸送過程及生長界面形態與溫度等諸多方面的控制，受到晶體生長熱力學與動力學等各種因素相互作用的影響。晶體生長多半是使物質從液態（熔體或溶液）變為固態，這就涉及熱力學中相平衡和相變的問題，屬于熱力學問題。另外，在晶體生長中涉及不同條件下的晶體生長機制、晶體生長速率和生長驅動力間的規律、晶體生長界面決定生長機制等生長動力學問題。因此，要掌握和了解晶體生長原理和技術必須了解以下幾方面的內容： （1）晶體生長技術的分類； （2）晶體處于穩定態的熱力學過程； （3）生長界面的熱力學； （4）晶體生長的動力學； （5）各種生長技術方法的工藝。 除了上述內容以外，還涉及晶體生長的晶體物理、晶體形貌學等理論基礎，這些理論和概念已有許多專著論述[11-14]，本章僅就晶體生長熱力學和動力學過程、晶體生長理論模型、溶液晶體生長和熔體晶體生長機理做扼要介紹。 1.2 晶體生長技術的分類 按照生長單晶時的狀態，晶體生長技術可以分為氣相、液相、固相三種生長方法。 1.2.1 氣相生長法 氣相生長法的原理是將擬生長的晶體材料通過升華、蒸發、濺射或分解等過程轉化為氣態，然后在適當的條件下使它成為過飽和蒸氣，使之沉積，實現物質從源物質到固態薄膜的可控的原子轉移。氣相生長法主要用于晶須、板狀晶體和外延薄膜（同質外延和異質外延）的生長。氣相生長法包括真空蒸發鍍膜法、升華法、氣相外延生長法、化學氣相沉積法等。 特點：氣相生長法生長的晶體純度高、完整性好。 缺點：晶體生長的氣相分子密度低，氣相與固相的比容相差大，使得從氣相中生長晶體的速率比從熔體或溶液中生長的速率低很多。 適用范圍：主要用來生長從熔體或溶液中難以生長的材料、晶須及厚度大約在幾微米到幾百微米的薄膜材料。 1.2.2 液相生長法 1.從溶液中生長 廣泛的液相生長法包括水溶液、有機溶液和其他無機溶液、熔鹽（高溫溶液）及在水熱條件下的溶液，*普遍的是從水溶液中生長晶體。從溶液中生長晶體的原理是：將原料（溶質）溶解在某種溶劑中，根據溶液的溶解度曲線，通過緩慢的降溫，使溶液達到過飽和狀態而結晶。或者是采用蒸發等方法，將溶劑揮發掉，使溶液濃度增高，達到過飽和狀態而結晶。在溶液中晶體生長過程中涉及液相 固相轉變過程。圖1-1示出幾種主要的從溶液中生長的晶體生長方法。 2.從熔體中生長 從熔體中生長單晶是制備大單晶和特定形狀的單晶*常用和*重要的一種方法，具有生長快、晶體的純度和完整性高等優點。從熔體中生長晶體的基本原理是：將原料在高溫下完全熔融，將固體熔化為熔體，熔體在受控的條件下實現定向凝固，當熔體的溫度低于凝固點時，熔體就會凝固成結晶固體。采用不同技術手段，在一定條件下制備出滿足一定技術要求的單晶體材料。熔體晶體生長過程是通過固-液界面的移動來完成的，只涉及液相 固相轉變過程。圖1-2示出幾種主要的從熔體中生長的晶體生長方法。 1.2.3 固相生長法 固相生長法主要包括高溫高壓法和再結晶法。固相材料在一定的溫度、壓強范圍內都具有一種穩定的結構，高溫高壓法就是利用高溫高壓手段，使固態材料發生結構相變，從而轉變為所需要物相的晶體。再結晶法是依靠固體材料中的擴散，使多晶體轉變為單晶體。缺點是成核密度高，難以控制成核以形成大單晶，所以在晶體生長中采用得不多。 從固相中生長晶體的主要特點：①可以在不添加組分的情況下，在較低溫度下進行生長，即在熔點以下的溫度生長；②生長晶體的形狀是事先固定的，所以絲、箔等形狀的晶體容易生長出來；③晶體生長取向容易得到控制；④除脫溶以外的固相生長中，雜質和其他添加組分的分布在生長前被固定下來，并且不被生長過程所改變（除稍微被相當慢的擴散所改變外）。 1.3 晶體生長的熱力學原理 晶體生長是一個動態過程，是從非平衡狀態向平衡狀態過渡的過程，當體系到達兩相平衡狀態時，并不能生成新相。只有舊相處于過飽和（過冷狀態）時，即熱力學條件處于非穩定態時，才會產生新相，隨著新相界面不斷向舊相推移，完成晶核與晶體長大過程。圖1-3示出單組分相圖與晶體生長關系，圖中實線1和實線3分別為氣-固和液-固兩相平衡線，虛線2和虛線4分別為成核時臨界過飽和線，陰影部分為飽和區，即亞穩區。亞穩區指的是一個理論上應該發生相變，而實際上不能發生相變的區域。在亞穩區內，舊相能以亞穩態存在，雖然不能自發產生新相，但是當有外來雜質或外界能量的影響下，也有可能形成新相，使亞穩區縮小。因此，只有體系有一定的過飽和（過冷）度，越過亞穩區才能自發發生相變。 1.3.1 氣-固相轉變過程 在氣相晶體生長時，體系從氣相轉變為固相的相變過程中，體系釋放出相變潛熱，體系的自由能發生變化，每摩爾物質自由能改變量ΔG為 （1-1） 定義為飽和比，為過飽和度。 一個原子（分子）在相變過程中自由能變化Δg為 （1-2） 式中，N0為阿伏伽德羅常量，k為玻爾茲曼常量。 單個原子（分子）體積為Vm，單位體積的自由能變化為 （1-3） 那么，只有P1＞P0或α＞1時，ΔG、Δg、 為負值，氣-固相轉變才能自發進行。 1.3.2 液-固相轉變過程 1.從溶液中生長 溶液處于近似于理想溶液狀態，在一定的溫度T和壓強P時，溶液中的溶質i的濃度為C1時的化學勢為 （1-4） 式中， 為純溶質i在指定溫度T和壓強P條件下的化學勢。在同樣條件下，飽和溶液濃度C0的化學勢為 （1-5） 當固-液兩相平衡時，固相的化學勢與其平衡的飽和溶液的化學勢相等， （1-6） 從過飽和溶液中生長晶體時，自由能的變化ΔG為 （1-7） 從式（1-7）可以知道，只要C1＞C0，ΔG＜0，固-液相變過程就能自發進行。 2.從熔體中生長 在凝固溫度下，固-液相變過程中單位體積自由能的變化為 （1-8） 式中，分別表示體系在凝固溫度下時，固-液兩相單位體積的自由能。 在熔點溫度TM，固-液兩相平衡時
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