《晶體生長微觀機理及晶體生長邊界層模型》書評

王繼揚

殷紹唐先生所著《晶體生長微觀機理和晶體生長邊界層理論模型》一書由科學出版社在年前出版了，盡管早已讀過這本書的初稿，出版后重學此書，還是收獲和感慨良多。

功能晶體是現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展和許多重大工程所不可或缺的重要基礎材料。我國的光電功能晶體研究和發(fā)展自20世紀50年代中期起步，20世紀70年代后走上獨立自主發(fā)展的道路，陰離子基團理論的提出，偏硼酸鋇(BBO)、三硼酸鋰(LBO)和氟硼鈹酸鉀(KBBF)等“中國牌”晶體被發(fā)明，在國際首創(chuàng)的“介電體超晶格”理論和實際成果稱譽天下。此外，還發(fā)展了“雙元基團理論”和“負離子配位多面體”模型等晶體設計方法，特別是稱為“閔氏亞臺階理論”的晶體生長缺陷機制理論在國際上具有重要地位。幾十年來，我國的半導體、激光、非線性光學、閃爍和壓電鐵電等晶體材料的發(fā)展，為國家科技進步和人民生活水平的提高做出了巨大貢獻。隨著國民經(jīng)濟和科學技術(shù)的發(fā)展，對功能晶體的要求越來越高，加之各種類型的新概念晶體層出不窮，相應的晶體生長體系也越來越復雜。對于復雜成分晶體生長體系而言，原有生長理論模型往往缺乏晶體生長實際過程中微觀結(jié)構(gòu)演化的實驗支撐，因此難以應用于晶體生長實踐，這在很大程度上與研究工作者受到自身條件和儀器限制有關(guān)。當今時代，精密機械和計算機技術(shù)已經(jīng)可以為晶體生長提供優(yōu)良裝備和精確溫度控制，也發(fā)展了微觀結(jié)構(gòu)觀測新技術(shù)，為研究晶體生長微觀機理和完善晶體生長工藝創(chuàng)造了條件。從基礎研究著手，闡明晶體生長機理和突破晶體生長關(guān)鍵技術(shù)是功能晶體發(fā)展的重要趨勢。研究并揭示晶體生長微觀機理，有利于發(fā)展與晶體實際生長過程相符的機理，有利于發(fā)展科學的晶體生長工藝，以滿足國家對功能晶體的需求。

殷紹唐先生是中國科學院合肥物質(zhì)科學院研究員，國際知名的晶體生長專家，多年從事激光晶體的生長和應用研究，成績斐然，曾獲得中國科學院科技進步獎一、二等獎和國家科技進步獎二等獎，是全國“五一”勞動獎章獲得者和安徽省勞動模范，他研制的摻鈦寶石和紅寶石等激光晶體都已實際應用。近年來，殷紹唐先生甘坐冷板凳，潛心晶體生長微觀機理和生長邊界層的實驗和理論研究，終于總結(jié)出版此書。該書從回顧各種已有的晶體生長界面理論模型開始，再介紹實驗所涉及的拉曼光譜及同步輻射技術(shù)，從而引出相關(guān)實驗及在實驗基礎上發(fā)展的晶體生長邊界層模型和相關(guān)機制，展望了該模型的應用。

在國家自然科學基金的持續(xù)支持下，殷紹唐團隊及其合作者采用高溫激光顯微拉曼光譜和同步輻射X射線衍射等現(xiàn)代技術(shù)，在原子分子尺度上原位實時觀測了晶體生長過程中微觀結(jié)構(gòu)的演化。與過去觀察水溶液晶體生長過程作為實驗依據(jù)不同，他們根據(jù)我國常用晶體高溫提拉法和熔鹽法的需求，對采用熔融法制備的數(shù)十種不同類型晶體的生長過程進行了原位實時觀測。在此基礎上，作者建立了有原創(chuàng)性的“晶體生長邊界層理論模型”。其主要內(nèi)容為：熔融晶體生長時，都存在熔體(或高溫溶液)結(jié)構(gòu)向晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的晶體生長邊界層，邊界層內(nèi)的生長基元已具有單胞結(jié)構(gòu)；在邊界層的晶體生長方向上，存在晶面網(wǎng)格格點等效電荷形成的周期性重復的丘狀網(wǎng)格靜電場，相鄰網(wǎng)格的靜電場方向相反，該電場延伸到邊界層的邊緣；具有單胞結(jié)構(gòu)的生長基元，隨機取向的生長基元單胞在界面晶面周期性丘狀網(wǎng)格靜電場作用下，取向調(diào)整到與生長界面一致，在周期性丘狀網(wǎng)格靜電場力的作用下，精確有序地疊合到生長界面上，完成晶體生長全過程。這一理論模型特別注重晶體生長過程中的結(jié)構(gòu)演化，并以實驗結(jié)果給出了可靠的支撐，所提出的模型與實際晶體生長過程貼近。因此，可以運用這一理論模型來探索晶體生長的一些宏觀和經(jīng)驗規(guī)律，解釋生長現(xiàn)象及其形成的微觀機制，揭示與晶體生長工藝密切相關(guān)的微觀過程?？梢赃M一步應用晶體生長邊界層理論為晶體生長工藝的科學設計奠定基礎，提供優(yōu)質(zhì)晶體，更好更快地滿足國家重大需求。在生長大尺寸優(yōu)質(zhì)激光晶體過程中，殷紹唐研究團隊運用這一理論模型，分析了大晶體容易開裂以及激活離子摻雜晶體位錯多、易產(chǎn)生組分過冷等晶體生長常見難題與微觀機制相關(guān)的具體原因，依此提出解決這些難題的辦法，改善相關(guān)的工藝技術(shù)。實踐的成效證明了這一理論模型確實為晶體生長實踐由“技藝”走向科學奠定了基礎。

除此以外，我們還可以從書中體會作者從事晶體生長基礎研究的邏輯思維和方法，包括如何設計實驗以獲得預期結(jié)果的技術(shù)路線，如何利用所提出的理論模型認識晶體生長規(guī)律來指導生長實踐，如何進一步驗證和完善理論模型等。本書是晶體生長理論和實踐結(jié)合的一個范例，也是晶體生長理論指導實際生長過程的成功實踐，有很好的借鑒作用。

該書深入淺出、思路清晰、內(nèi)容豐富、描述細致、文字流暢、可讀性強，是殷紹唐先生多年基礎研究工作的心血結(jié)晶，也是我國晶體生長工作者對晶體生長理論的發(fā)展。這本書的出版為從事功能晶體生長和研究的科技工作者提供了一本有重大參考價值的新書。我們衷心希望有更多這樣的理論出現(xiàn)，有更多這樣優(yōu)秀的學術(shù)著作出版。