五、人工合成晶体
人们对自然界矿物晶体生长的研究在于了解、探索其形成及发展历史，借以探索其所属岩石、地质体的形成、发展、演化的过程，为矿物资源的开发和利用提供有益的资料，同时也为人工合成晶体提供了知识准备。而人工合成晶体不仅可以模拟、证实和解释自然界矿物晶体的形成环境与条件，更重要的是提供了现代科学技术急需的许多种晶体材料和大量的人造宝石晶体。
人工合成晶体是人工在实验室模拟天然晶体的形成条件而生长出的晶体。目前已成功合成了大量重要的晶体材料，如激光晶体材料、半导体晶体材料、磁性晶体材料、人造宝石晶体等等，构成了材料科学的主体部分。
目前，人工合成晶体的方法和途径很多，一些主要方法及特点如下：
（一）焰熔法
这是一种利用氢氧火焰所产生的高温，将随着频率锤震动所落下的粉料在高温炉中加热熔化，而熔化的熔体落于装在下部支架顶端的籽晶上，伴随着支架的下降而降温，落于籽晶上的熔体会冷却而结晶成倒梨状的晶体。
焰熔法生长晶体的优点为：
（1）晶体生长不需要坩埚，既可节省制作坩埚的耐高温材料，又可避免坩埚污染晶体与环境。
（2）氢氧火焰产生温度高，最高可达2900℃，可生产出熔点高的晶体材料。
（3）晶体生长速度快，短时间内可生长出较大晶体，一般每小时可生长出10g晶体。
（4）生产设备简单，生产效率高，适用工业化生产。
焰熔法生长晶体的缺点为：
（1）火焰温度梯度大，造成结晶体的纵向和横向温度梯度差别大，生长的晶体质量较差。
（2）火焰温度稳定性差，造成晶体位错、内应力强，需进行高温退火处理。
（3）对生产原料的纯度、粉度要求高，原料成本高。另外生产过程中有30％的原料被浪费掉。
（4）易挥发和易氧化的材料不能使用该方法合成。
目前，该方法可以合成的晶体材料主要有水晶、刚玉、金红石、绿柱石、石榴石、钨酸盐、钛酸锶等多种晶体。
（二）水热法
水热法生长晶体是一种在水溶液中高温高压下生长晶体的方法。该方法生长晶体要在密封的高压釜中进行，要求高压釜不仅具有良好的密封性能，而且具有良好的耐高温、耐高压、耐腐蚀的性能。该方法按结晶原料的运输方式不同可分为等温法、摆动法和温差法。一般水热法生长晶体的典型条件为：温度300～700℃；压力5.0×107－3.0×108Pa。
水热法生长晶体的优点为：
（1）能够生长出在相变（如α－石英）和接近熔点时蒸气压高的或易分解的材料。
（2）能够生长出优质完美的大晶体，并能很好地控制晶体材料的成分。
（3）该方法生产出晶体因生长条件与自然界的生长条件十分近似，因此生长出的晶体特征与天然晶体最接近。
水热法生长晶体的缺点为：
（1）需要用特殊材料制造的高压釜和相对应的安全保护措施。
（2）需要大小适当、切向合适的优质籽晶。
（3）晶体整个生长过程无法观察，晶体生长周期性较长。
（4）投料是一次性完成的，晶体生长的大小受高压釜大小的制约。
目前，该方法可以合成的晶体材料主要有水晶、刚玉、金红石、绿柱石、石榴石、钨酸盐等多种晶体。
（三）助熔剂法
助熔剂法，又被称为熔剂法或熔盐法或高温熔融液生长法，为高温下从熔融盐熔剂中生长的一种方法。它是将组成晶体的组分原料在高温下熔融于低熔点的助熔剂中，使之形成均匀的饱和熔融液，然后通过降温或在恒温下蒸发熔剂，使熔融液处于过饱和状态，导致晶体从过饱和熔融液中生长。其生长过程类似于岩浆中矿物的结晶过程。
助熔剂法生长晶体的优点为：
（1）适应性很强，几乎所有的晶体材料都可以找到一些适宜的助熔剂，从中生长出晶体。
（2）晶体生长温度低，许多高温难熔的化合物用该方法都可生长出完美的单晶体，可以省去高熔点化合物用其他方法生长所需的高温加热设备、耐高温的坩埚及减少高能源的消耗等。
（3）可以生长出别的方法无法生长的含有挥发组分和在熔点附近分解的晶体及使用其他方法无法生长的单晶体材料。
（4）可以在晶体相变温度以下生长晶体。
（5）生长出的晶体质量比焰熔法生长的晶体要好。
（6）在晶体生长过程中，热量的输送对晶体几乎无影响。
（7）生长晶体的实验设备简单，费用比较低廉。
助熔剂法生长晶体的缺点为：
（1）晶体生长速度慢，生产周期长。
（2）生产出的晶体个头、尺寸较小。
（3）晶体中容易包含助熔剂的杂质离子。
（4）许多助熔剂具有不同程度的毒性，其挥发份常具有腐蚀性而污染或破坏设备。
目前，该方法可以合成的晶体材料主要有水晶、刚玉、绿柱石、石榴石等多种晶体。
（四）提拉法
提拉法是一种利用籽晶从熔体中直接提拉生长出晶体的方法。它是将待生长的晶体原料放入耐高温的坩埚中，加热溶化，然后调整温度，使熔体上部处于微高于熔点态，再把装好籽晶的拉杆接触熔体表面，降低熔点，提拉并转动具有籽晶的拉杆使熔体结晶于籽晶上，在不断地提拉和转动中，晶体不断长大。
提拉法生长晶体的优点为：
（1）晶体生长的全过程可以直接进行测试和观察，有利于及时掌握生长情况，控制晶体生长条件。
（2）生长的晶体不与坩埚接触，则没有锅壁成核和对晶体造成的应压力。
（3）使用优质定向籽晶和微缩技术，可减少晶体缺陷，获得优质晶体。
（4）能以较快速度生长出优质晶体。
提拉法生长晶体的缺点为：
（1）高温下，坩埚及其他材料对晶体会产生某些污染。
（2）熔体中复杂的液流作用对晶体会产生影响。
（3）机械转动的震动和温度的变化会影响晶体的质量。
目前，该方法可以合成的晶体材料主要有刚玉、石榴石等多种晶体。
（五）熔体导模法
熔体导模法，又称定型晶体生长法。即直接从熔体中拉出具有各种截面形状晶体的方法。它是将生长的晶体原料在高温坩埚中加热熔化，将熔体湿润的材料制成带有毛细管的模具放入坩埚中，熔体沿毛细管作用涌到模具顶端，将籽晶浸到熔体中，待籽晶表面回熔后，逐渐提拉上引。使熔体到达模具顶部表面，随后使晶体进入等径生长。该方法目前主要有斯切帕偌夫法和EFG法。
熔体导模法生长晶体的优点为：
（1）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板等各种形状的晶体，简化了晶体加工工序，节省了晶体材料和能源，降低了晶体生产成本，经济效益明显。
（2）能够获得成分均匀的“杂质”晶体。
（3）易于生长出具有恒定组分的共熔体化合物晶体。
（4）易于生长出无生长条纹、光学性质均匀性好的晶体。
熔体导模法生长晶体的缺点为：
（1）晶体中存在有导模金属的固体包体。
（2）生长出的晶体具有籽晶的痕迹，常有晶格缺陷出现。
（3）晶体中常含有气态包裹体。
目前，该方法可以合成的晶体材料主要有合成刚玉、合成尖晶石、合成金绿宝石、石榴石族的YAG、GGG等多种晶体。
（六）其他方法
人工合成晶体的方法还有冷坩埚熔壳法，主要用来合成立方氧化锆（CZ）晶体；区域熔炼法，主要用来合成刚玉、YAG、GGG等多种晶体；高温超高压法，主要合成钻石晶体及翡翠集合体；化学沉淀法，主要用来合成欧泊、绿松石、青金石和孔雀石等晶体及金刚石薄膜和碳硅石晶体。
总之，人工合成晶体的出现，不仅为人们研究自然界矿物晶体的形成历史提供了科学的依据，而且开拓了晶体的工业应用前景。它的出现与发展弥补了天然矿物晶体的不足与缺陷，而且还发展了新的用途，使材料科学的发展前景更加广阔。
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