晶体能实现电、磁、光、声和力等的交互作用和转换，它是近代科学技术发展中不可缺少的重要材料，天然晶体无论在品种、质量和数量等方面，都远远不能满足近代科学技术发展的需要，因而促进了人工晶体的发展。

特别是由于固体微电子学的日新月异的发展，更加需要品种繁多的大量的晶体材料，其中包括半导体晶体、激光晶体、闪烁晶体、光学晶体、超硬晶体、绝缘晶体压电晶体等，晶体材料处于材料科学发展的前沿，它与空间、电子、激光、新能源开发、生物医学等新技术密切相关。晶体材料种类及应用极为广泛，下文将对部分常见晶体材料及应用范围做简单介绍。

半导体晶体

半导体晶体是半导体工业的主要基础原料。从应用的广泛性和重要性来看，它在晶体材料中占有头等重要的地位。

半导体晶是从20世纪50年代开始发展起来，第一代半导体代表材料：是锗（Ge）单晶和硅单晶（Si），由它们制成的各种二极管，三极管，场效应管，可控硅及大功率管等器，使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路，引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展，大大提高了集成电路的工作可靠性同时又降低了成本。进而促进了集成电路在空间研究，核武器，导弹，雷达，电子计算机，军事通信装备和民用等方面的广泛应用。

12寸硅晶圆

第二代半导体材料是以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP）为主的化合物半导体，其主要被用于制作高频、高速以及大功率电子器件，在卫星通讯、移动通讯以及光通讯等领域有较为广泛的应用。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。GaAs、InP等化合材料的原料稀缺，需通过合成形成，价格相对较高，并且对环境危害性较大，使得其难以被更广泛应用，局限性较大，逐渐被第三代半导体材料取代。
第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2ev），也称为高温半导体材料。

非常值得我们注意的是在材料领域的第一代，第二代，第三代并不具有“前浪扑后浪后浪死在沙滩上”的说法。国外一般会把氮化镓、碳化硅等材料叫做宽禁带半导体；把氮化镓、氮化铝、氮化铟和他们的混晶材料成为氮化物半导体、或者把氮化镓、砷化镓、磷化铟成为III-V族半导体。我国采用的第三代半导体材料的说法是与人类历史上的由半导体材料大规模应用带来的三次产业革命相对应。目前，第三代半导体正在高速发展，第一、二代半导体由于技术成熟制备成本优势大等优势也仍在产业中大规模应用，发挥着第三代半导体无法替代的作用。

光学晶体

光学晶体是用作光学元件的晶体，如卤化物晶体氟化锂，氟化钙，氟化镁，氟化钡，它们在紫外和红外都有好的透过特性，故可用作紫外准分子激光器和某些红外激光器的输出窗口，透镜，棱镜，旋光片，波片等；氧化物如蓝宝石Al₂O₃，钒酸钇YVO₄，水晶等也可作为上述激光器的工作窗口，光学隔离器，环形器，分光器和光学偏振器的原件；半导体单晶硅，锗，硒，砷化镓及硒化锌，硫化锌在远红外有好地透过性能，可用作二氧化碳激光器的输出窗口，透镜，棱镜等。

来源：云南锗业

激光晶体

激光是一种很奇妙的“物质”，是人类继原子能、计算机和半导体之后人类的又一伟大发现。人们都知道，激光亮度极高，可以达到太阳亮度的10亿倍甚至更高；激光纯净无比，单色性极好；激光具有无比的准直性（直线传播）；而且，激光的能量强大，瞬间爆发的能量，即使最坚硬的物体也能够被穿透、熔化。因此，激光在生产、生活和科研中的应用十分广泛，是人们探索自然的强兵利器。

产生激光的设备称为激光器。在当前的各种激光器中，全固态激光器是最有前途的激光器。激光晶体（lasercrystal），可将外界提供的能量通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料，是晶体激光器的工作物质，是固体激光技术及产业的基础支撑材料。常见的激光晶体材料有掺钕钇铝石榴石晶体Nd:YAG，掺钕钒酸钇晶体Nd:YVO₄，掺钕氟化锂钇晶体Nd:YLF，钛宝石晶体，红宝石晶体等。

掺钕钇铝石榴石晶体

闪烁晶体

在高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能变为光能而发出荧光的晶体称为闪烁晶体。闪烁晶体可用于x射线、γ射线、中子及其他高能粒子的探测，以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在核医学、高能物理、安全检查、工业无损探伤、空间物理及核探矿等方面得到了广泛的应用。通常应用的闪烁晶体材料都是用人工方法培育出来的，种类也很多，目前使用较多闪烁晶体的是BGO（Bi₂O₃-GeO₂系化合物的总称锗酸铋的缩写）、CsI（碘化铯）、PbWO₄（钨酸铅）等。

超硬晶体

钻石也称之为“金刚石”，是一种天然矿物，是目前已知自然界中最为坚硬的物质，钻石是在地球深部高压、高温条件下，经过很长时间形成的一种由碳元素组成的单质晶体。自然界能够被发现和开采的钻石极其稀少，通常每4立方米富矿矿石中才可得到总重1克拉的细碎金刚石，晶莹剔透、无瑕疵的大尺寸钻石更为罕见。

高温高压合成金刚石

20世纪50年代以来，人们研究开发出多种人工合成金刚石的方法，主要有高温高压法（HTHP）、化学气相沉积法（CVD）、爆轰法等。1955年，GE公司采用高温高压法首次合成金刚石晶体。上世纪80年代，全世界掀起了CVD金刚石研究热潮，开发了热丝法（HFCVD），微波等离子体（MPCVD）以及直流电弧等离子体喷射CVD等多种制备方法，为后期的应用奠定了基础。

硬度大是金刚石众多特点之一，利用金刚石极高的硬度，可以制备成各种工具，在加工石材、有色金属、难加工复合材料（如碳纤维复合材料）等方面发挥着不可替代的作用，可实现高效、高精度、环保的加工。

人们在大量使用金刚石的过程中,也观察到了它的不足之处.其中最突出的一点是,当用金刚石加工一些硬度较高的材料,例如在研磨大量钢材和烧结过的碳化硅时,金刚石的表面温度高达1500～2000℃，在这种条件下,金刚石的强度迅速下降,并且极易与空气中的氧反立产生类似“燃烧”的现象，与此同时，金刚石本身则不断地被还原成对研磨毫无用途的柔软的石墨，从而导致金刚石的损耗极快。经过人们的不断摸索，合成出一种新型超硬物质立方氮化硼晶体来弥补金刚石的劣势，立方结构的氮化硼-CBN，其晶体结构类似金刚石，硬度略低于金刚石，但热稳定性远高于金钢石，对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼磨具的磨削性能十分优异，不仅能胜任难磨材料的加工，提高生产率，有化学惰性，能有效地提高工件的磨削质量。两者各有特长，在实际应用中还需根据场合而定。

立方氮化硼

压电晶体材料

当晶体受到外力作用时，晶体会发生极化，并形成表面电荷，这种现象称为正压电效应；反之，当晶体受到外加电场作用时，晶体会产生形变，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体，它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶（α-SiO₂），它具有频率稳定的特性，是一种理想的压电材料，可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中，如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。

近年来，人们又研制出许多新的压电晶体，如钙钛矿型结构的铌酸锂（LiNbO₃）、铌酸钾（KNbO₃）等。利用这些晶体的压电效应，可制成各种器件，广泛地用于军事上和民用工业，如血压计、压电键盘、延迟线、振荡器、超声换能器、压电变压器等。

绝缘晶体

绝缘晶片的一个典型案例就是云母晶片。云母是层状硅酸盐矿物的总称，具有绝缘、透明、耐热，耐腐蚀、易分剥并富有弹性等特性，广泛用于电机、电器、电子、无线电和家用电器等领城，在国民经济和国防建设中起重要作用。天然云母的种类虽然很多，但在工业上大量应用的主要是白云母，其次是金云母。

由于我国天然云母储量少，特别是优质、大片云母更少，不能满足电子工业发展需求，国内自从20世纪50年代就开始研究合成云母。1963年建材部非金属矿研究所一成立就用内热法研制合成云母，该所就是中材高新旗下的“中材人工晶体研究院”的前身。

由于合成云母具有纯净、透明、耐高温、抗腐蚀和电绝缘等优良特性，因此合成云母单晶片可用于∶①各种真空器件中的绝缘架，如加速器、电离室、磁控管和电子管等；②窗口材料，如微波管输出窗、高温炉观察窗以及耐酸耐碱窗口等；③火力发电厂高压锅炉水位计；④耐高温电容器、铂丝表面温度计骨架等。

粉体圈编辑：Alpha