晶体生长属于什么学科 实验室培育宝石和天然宝石的区别
晶体的基本类型有几种，学科交叉点上的结晶学与矿物学，人工宝石的一般概念。
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晶体具有哪六大特点
这个问题解答起来有点麻烦，因为有不同的分类方法。
如果按功能分，晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。
如果按着晶格结构分，又可以分成氯化钠结构，闪锌矿结构，纤维锌矿结构，金刚石结构~~等等~~
下面有篇文章，读读挺有意思的（是中科院一位博士写的科普类文章），我认为你读完后能很好的解决你的问题。真心的希望能够帮助你！：
晶体学和晶体材料研究的进展2006-09-13 12:51 随着计算机技术和激光技术的发展, 人类已经走进了崭新的光电子时代; 而实现这一巨大变化的物质基础不是别的, 正是硅单晶和激光晶体。可以断言, 晶体材料的进一步发展, 必将谱写出人类科技文明的新篇章。
一、人类对晶体的认识过程及有关晶体的概念
1. 人类对晶体的认识过程
什么是晶体? 从古至今, 人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代, 人们便发现了各种外形规则的石头, 并把它们做成工具, 从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后,经过长期观察,人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。1669 年, 意大利科学家斯丹诺(Nicolaus Steno) 发现了晶面角守恒定律, 指出在同一物质的晶体中,相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着,法国科学家阿羽依(Rene Just Haüy) 于1784 年提出了著名的晶胞学说, 使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说,晶胞是构成晶体的最小单位,晶体是由大量晶胞堆积而成的。1885 年, 这一学说被该国科学家布喇菲(A.Bravais) 发展成空间点阵学说, 认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的, 这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912 年, 德国科学家劳厄(Max van Laue) 对晶体进行了X射线衍射实验, 首次证实了这一学说的正确性, 并因此获得了诺贝尔物理奖。
2. 晶体的概念
具有空间点阵结构的物体就是晶体, 空间点阵结构共有14 种。例如, 食盐的主要成份氯化钠(NaCl) 具有面心立方结构, 是一种常见的晶体。此外, 许多金属(如钨、钼、钠、常温下的铁等) 都具有体心立方结构, 因而都属于晶体。值得注意的是, 在晶体中, 晶莹透明的有很多, 但是, 并不是所有透明的固体都是晶体, 如玻璃就不是晶体。这是因为, 组成玻璃的质点只是在一个原子附近的范围内作有规则的排列, 而在整个玻璃中并没有形成空间点阵结构。
3. 天然晶体与人工晶体
晶体分成天然晶体和人工晶体。千百年来, 自然界中形成了许多美丽的晶体, 如红宝石、蓝宝石、祖母绿等,这些晶体叫做天然晶体。然而,由于天然晶体出产稀少、价格昂贵,从19世纪末, 人们开始探索各种方法来生长晶体, 这种由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。到目前为止, 人们已发明了几十种晶体生长方法, 如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用这些方法,人们不仅能生长出自然界中已有的晶体, 还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色, 这些人工晶体五彩纷呈, 有的甚至比天然晶体还美丽。
4. 晶体的共性
由于具有周期性的空间点阵结构, 晶体具有下列共同性质: 均一性, 即晶体不同部位的宏观性质相同; 各向异性, 即晶体在不同方向上具有不同的物理性质; 自限性, 即晶体能自发地形成规则的几何外形; 对称性, 即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同;具有固定熔点;内能最小。
5. 晶体学
除了对晶体的结构、生长和一般性质的研究, 人们还探索了有关晶体的其它问题, 从而形成了晶体学这门学科。其主要研究内容包括5 个部分: 晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中, 晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律, 是晶体学研究的重要基础; 晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律, 属于晶体学研究的经典理论部分, 但是, 近年来5 次等旋转对称性的发现, 对这一经典理论提出了挑战; 晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据、探明具体晶体结构及X射线结构分析方法的; 晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系; 晶体物理则是研究晶体的物理性质, 如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。
二、晶体的性能、应用及进展
一位物理学家说过: “晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。”这是因为,当物质以晶体状态存在时, 它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能, 因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外, 由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换, 晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料, 被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。
按功能来分,晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性
光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中重要的几种。
1. 半导体晶体
半导体晶体是半导体工业的主要基础材料, 从应用的广泛性和重要性来看, 它在晶体中占有头等重要的地位。半导体晶体是从20 世纪50 年代开始发展起来的。第一代半导体晶体是锗( 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件, 在无线电子工业上有着 极其广泛的用途。它们的发展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, 从而极大地促进了电子产品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 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、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。
目前, 除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外, 人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ—Ⅴ族化合物, 如(CaAs) 、磷化镓( GaP) 等单晶。近来, 为了满足对更高性能的需求,已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。在半导体晶体材料中, 特别值得一提的是氮化镓( GaN) 晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3. 4eV) , 因而是蓝绿光发光二级管(LED) 、激光二极管(LD) 及高功率集成电路的理想材料,近年来在全世界范围内掀起了研究热潮, 成为炙手可热的研究焦点。目前, 中国科学院物理研究所在该晶体的生长方面独辟蹊径, 首次利用熔盐法生长出3mm×4mm的片状晶体 。一旦该晶体的质量得到进一步的提高, 它将在发光器件、光通讯系统、CD 机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。
2. 激光晶体
激光晶体是激光的工作物质, 经泵浦之后能发出激光, 所以叫做激光晶体。1960 年, 美国科学家Maiman 以红宝石晶体作为工作物质, 成功地研制出世界上第一台激光器, 取得了举世瞩目的重大科学
成就。目前,人们已研制出数百种激光晶体。其中,最常用的有红宝石(Cr :Al 2O3) 、钛宝石( Ti :Al2O3) 、掺钕钆铝石榴石(Nd : Y3Al 5O12) 、掺镝氟化钙(Dy : CaF2) 、掺钕钒酸钇(Nd : YVO4) 、四硼酸铝钕(NdAl 3(BO3) 4) 等晶体。
近年来, 由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、差频、参量振荡等技术的发展, 利用激光
晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区,并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学
等众多领域。例如,在各种材料的加工上,晶体产生的激光大显身手, 特别是对于超硬材料的加工, 它具有无可比拟的优越性。比如, 同样是在金刚石上打一个孔, 用传统方法需要两小时以上的时间, 而用晶体产生的激光,连0. 1 秒的时间都不用。此外,用激光进行焊接, 可以高密度地把很多电子元件组装在一起, 并能够大大提高电路的工作可靠性, 从而大幅度地减小电子设备的体积。激光晶体还可以制成激光测距仪和激光高度计, 进行高精度的测量。令人兴奋的是, 法国天文台利用具有红宝石晶体的装置, 首次实现了对同一颗人造卫星的跟踪观察实验,精确地测定了这颗卫星到地面的距离。在医学上,激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送, 在出口端装有透镜和外科医生用的手柄。经过透镜, 激光被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点, 变成一把无形却又十分灵巧的手术刀, 不但能够彻底
杀菌, 而且可以快速地切断组织, 甚至可以切断一个细胞。对于极其精细的眼科手术, 掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3μm波长的激光, 由于水对该激光的强烈吸收, 导致它进入生物组织后, 只有几微米短的穿透深度, 因此, 这种激光是十分安全的, 不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割, 手术时间极短, 因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰,保证了手术的顺利进行。此外, 激光电视、激光彩色立体电影、激光摄影、激光计算机等都将是激动人心的激光晶体的新用途。
3. 非线性光学晶体
光通过晶体进行传播时, 会引起晶体的电极化。当光强不太大时, 晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系, 其非线性关系可以被忽略; 但是, 当光强很大时, 如激光通过晶体进行传播时, 电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略, 这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应, 具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。
非线性光学晶体与激光紧密相连, 是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限, 从紫外到红外谱区, 尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体, 可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光, 从而开辟新的激光光源, 拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α - Li IO3) 、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、磷酸二氘钾（KD2PO4) 、偏硼酸钡(β- BaB2O4) 、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中,偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20 世纪80 年代首先研制成功的, 具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点, 是优秀的激光频
率转换晶体材料,在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体( KTiOPO4) ,它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体, 被公认为1. 064μm和1. 32μm激光倍频的首选材料, 它可以把1. 064μm的红外激光转换成0. 53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距, 还能够进行水下摄影和水中通信等, 因此,磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。
4. 压电晶体
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) 、钽酸钾( KTaO3)
等,钨青铜型结构的铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、铌酸钾锂( K1 - xLiNbO3) 等以及层状结构的锗酸铋(Bi 12GeO20) 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、呼吸心音测定器、压电键盘、延迟线、振荡器、放大器、压电泵、超声换能器、压电变压器等。
5. 闪烁晶体
这种晶体在X射线激发下会产生荧光, 形成闪烁现象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠（Tl :NaI) 晶体。该晶体的发光波长在可见光区,闪烁效率高, 又易于生长大尺寸单晶, 在核科学和核工
业上得到广泛的应用。20 世纪80 年代初, 中科院上海硅酸盐研究所采用坩埚下降法成功地生长了大尺寸锗酸铋(Bi 4Ge 3O12) 单晶。由于这种晶体阻挡高能射线能力强、分辨率高, 因而特别适合于高能粒子和高能射线的探测, 在基本粒子、空间物理和高能物理等研究领域有广泛的应用, 并已十分成功地用于欧洲核子研究中心L3 正负电子对撞机的电磁量能器上。此后, BaF2 晶体成为又一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外, 该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪, 使谱仪的分辨率和计数效率
均得到很大的提高。此外, 它还可用于检查隐藏的爆炸物、石油探测、放射性矿物探测、正电子发射层
析照相(简称PET) 等方面,具有良好的应用前景。
6. 声光晶体
当光波和声波同时射到晶体上时, 声波和光波之间将会产生相互作用, 从而可用于控制光束, 如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等, 这种晶体称为声光晶体, 如钼酸铅( PbMoO4) 、二氧化碲（TeO2) 、硫代砷酸砣( Tl 3AsS4) 等。利用这些晶体,人们可制成各种声光器件, 如声光偏转器、声光调Q 开关、声表面波器件等, 从而把这些晶体广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫描、光子计
算机的光存储器及激光通信等方面。
7. 光折变晶体
光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如,在自泵浦相位共轭实验中,一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相 位共轭波, 使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的, 它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移, 因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中, 当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时, 弱信号光可以增强1 000 倍。此外, 凭借着光折变效应, 光折变晶体还具有以下特殊的性能: 可以在3cm3 的体积中存储5 000幅不同的图像, 并可以迅速显示其中任意一幅; 可以精密地探测出小得只有10 - 7米的距离改变; 可以滤去静止不变的图像, 专门跟踪刚发生的图像改变;甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此,这种晶体一经发现,便引起了人们的极大兴趣。
目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3) 、铌酸锶
钡(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋(Bi 12SiO20) 等晶体。其中,掺铈钛酸钡(Ce :BaTiO3) 是由中国科学院物理研究所于90 年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能, 使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。
三、晶体研究的发展趋势
随着人们对晶体认识的不断深入, 晶体研究的方向也逐步地发生着变化, 其总的发展趋势是: 从晶态转向非晶态; 从体单晶转向薄膜晶体; 从通常的晶格转向超晶格; 从单一功能转向多功能; 从体性质转向表面性质;从无机扩展到有机,等等。此外, 鉴于充分认识到晶体结构—性能关系的重要性, 人们已经开始利用分子设计来探索各种新型晶体。而且, 随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展, 人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信, 在不久的将来, 晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。
总之,晶体不仅是美丽的,而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容, 是人类宝贵的财富。但迄今为
止, 人们对它的认识犹如冰山之一角, 还有许多未知领域等待着我们去探索。
(王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)
参考资料：（王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)
基础结晶学和矿物学
如前所述，结晶学是研究晶体的一门学科，而晶体的分布极其广泛，种类相当繁杂，分别以某类晶体为其研究对象的二级学科也为数甚多。但不同学科所涉及之晶体的特点可以存在很大差异。例如金属单质的晶体，成分特别简单，其内部结构中的基本花样一般仅由一个或两个原子组成，晶体的对称性则很高。而在诸如蛋白质等的高分子化合物晶体中，仅其单个分子内就包含有为数高达103～105的结构单元，成分以C、H、O、N等为主，而其晶体结构就更复杂了。因此，覆盖了众多二级学科的结晶学主要着眼于探究普遍适用于各类晶体的共同规律性问题，而与之交叉的各相关学科则以研究本类别晶体的各项性质及其规律为主，但这两方面都是既相互依存又相辅相成的。
本书是《矿物学导论》的姊妹篇，而矿物学又是结晶学的发祥地，因此，以下将从学科交叉的视角简述当今结晶学与矿物学间的关系。
矿物学(mineralogy)是以矿物为研究对象而属于地球科学的一门学科。根据国际矿物学协会的共识，矿物(mineral)的现代定义是指:由广义的地质作用所形成，并具有特定的化学成分，通常为结晶质的均匀固体，且大多由无机作用所产生。由此可知，绝大多数矿物都是无机晶体，而且必须是由广义的地质作用所形成的天然晶体。
显然，无论是学习矿物学或是研究矿物，结晶学知识永远都是不可或缺的重要基础，更是促进矿物学持续发展的一个主要因素。另一方面，矿物学对于结晶学所起的作用，在现代仍有着很重要的意义，主要原因在于矿物晶体有着许多与其他晶体很不相同的特色。
首先，矿物的空间分布可谓是广阔无垠。在地球中，从地面向下延伸到将近2900km、占地球总体积约83.5%的地壳和地幔，几乎全是矿物的天下;而在天上，除了陨落到地球上的陨石外，从月球和火星上采集到的岩土样品，表明它们也都由矿物所组成，而且形成它们的作用也与地球上的地质作用十分相似而被统称为广义的地质作用。
其次，矿物的地质年龄可以相差非常悬殊。目前已知地壳上最古老的矿物是产于澳大利亚Jack山一处沉积砂中的锆石晶体，其同位素年龄为距今44亿年;而有的矿物只不过是眼前直接可见之地质作用(例如火山喷发、钟乳石结晶等)的新鲜产物。同时，一个矿物晶体生长过程的长短亦可相去甚远。一般说来，晶体粒径越大，生长过程便越长。迄今世界上已知有确切数据的最大单晶体，是产于美国科罗拉多州Fremont县DevilsHole伟晶岩中的一个微斜长石矿物晶体，其大小为49.38m×35.97m×13.72m，估算重约6.4×104t。显然，其生长过程的时间跨度必须以地质年代的尺度去衡量。例如我国学者曾对湖北神农架三宝洞中的方解石石笋进行过同位素测年，查明了一根70cm多高的石笋，其生长期为9.4万年，亦即平均每年长高0.0075mm。当然，并不能将此结论直接类推而用于其他场合，因为不同的成因条件会明显影响晶体的生长速度。但通过此例，当可对于地质学的年代观有一初步的了解。
基于矿物在其时空分布上的连贯性和普遍性，因此不难想象，矿物形成的环境及其物理化学条件以及成因类型等，也都应是多种多样、包罗万象的，且它们绝大多数是人为无法重现或模拟的。虽然矿物基本上都存在于地下直至极深处，且迄今人类直接触及地下的最深记录仅有12262m，但有利的是矿物是有“记忆力”的，它犹如飞机的黑匣子，能自动记录下它所经历事件的种种相关信息(蕴含在矿物之化学组成、内部结构、晶形诸方面所发生的相应细微变化上);同时，地下的矿物还可因地质作用而被抬升到地表来，一旦破译它们所蕴藏的丰富信息，这无论对于矿物学自身和其他地质学科，以及对于结晶学乃至其他相关学科，其意义都是非常重大的。下一节的内容可作为这方面的两个实例。
实验室培育宝石和天然宝石的区别
一、概述
材料科学是现代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一，是人类文明的物质基础。晶体生长是材料科学研究的重要内容，合成与生长各种新型的功能晶体材料是21世纪高科技发展的前沿课题。随着人们对宝石材料的需求剧增，人工宝石的生长成为晶体生长中的一个重要分支。无疑，了解掌握人工宝石的生长原理、方法、鉴定特征成为宝石学的重要内容。
人工晶体是用科学的方法在实验室或工厂里人工制造的晶体。人们将那些可以作为宝石用途的人工晶体称为人工宝石。人工宝石主要分为两类，一类是合成宝石，这类产品与其对应的天然宝石具有相同的化学成分、晶体结构与物理性质，即是天然宝石在实验室的复制品。例如，红宝石与合成红宝石；祖母绿与合成祖母绿。这类宝石必须在宝石名称前加前缀“合成”。另一类是人造宝石，这是指那类纯粹由人工研制，在自然界没有与其相对应的晶体，但外观与天然宝石十分相近，人造宝石定名时应直呼其名，不可与其相似天然宝石的名称相联系。例如，钛酸锶(SrTiO4)外观与钻石相似，但决不能称为“人造钻石”等易引起误解的名称。我国的“国标”中将拼合宝石和再造宝石也划入人工宝石之列。
人工晶体的发展史也是合成矿物的发展史，人类不仅可以在实验室里制造出与天然宝石相同的合成宝石，而且可以创造出自然界没有的宝石矿物。远在1902年法国化学家维尔纳叶( Verneuil)就发明了用焰熔法生长红宝石，这是最早合成宝石的成果。但在以后的40年里，人工合成晶体的发展缓慢，直到20世纪60年代，出现了水热法合成水晶和合成祖母绿，以及其后随着电子、通讯和航天工业的发展，又相继合成与生长了多种新型的功能晶体材料，从而更加促使晶体生长科学技术的进一步发展。实验业已证明，一些高新科学技术的发展，无一不和晶体材料密切相关。
我国人工晶体的研究，开创于20世纪50年代中期，50 多年来，该领域的研究从无到有，从零星的实验室研究到现在初具规模的产业，进展相当迅速。现在我国的合成水晶，合成金刚石已成为一个高技术产业，立方氧化锆、合成各色刚玉等宝石与磷酸钛氧钾(KTP)等非线性光学材料，均已进入国际市场的竞争行列。部分晶体的研制已达到了国际先进水平。目前中国的研究人员正在进行更广泛更深入的探索。空间微重力条件下的晶体生长研究已经起步，由传统的块状晶体发展起来的具有量子效应和超晶体结构的薄膜晶体材料也越来越被重视。总之，我国人工晶体材料的成就和发展，推动了我国科技和人工宝石的应用。
二、晶体生长的理论基础
晶体生长是一门综合性很强的多学科交叉的科学。它的发展需要物理学、化学、晶体学、晶体生长和工程技术方面的专家通力合作互相配合才能发展。因此，学习晶体生长也必须具备一定的相关知识。
晶体生长的理论基础是晶体生长的热力学与动力学，可以认为，晶体生长是控制物质在一定的热力学条件下进行的相变过程，通过这一过程使该物质达到符合所需要的状态和性质。通常晶体生长是使物质从液态(熔体或溶液)变为固态，结晶为单晶体。即为热力学中相平衡和相变的问题。相图(也叫相平衡图)则是将物质体系中各相可能存在的状态，随成分和温度(或压力)改变的情况表示出来的一种图示。它可以展示出整个晶体生长过程的大概趋势。图9-1-1是最简单的水的单元系相图。在一个体系中各相平衡时遵循相律的规则。相律是表示一个多相平衡体系的自由度(f)与相数(Ф)、组分数(c)及影响平衡的外界条件数目之间的关系的一个方程式。相(Ф)是指体系中均匀一致的部分，它与别的部分有明显的分界线。例如，在一个大气压下，冰为一相，水为另一相。同一种物质的固态由于结构不同，也属于不同的相，例如金刚石与石墨为两相Ф=2。但气体状态即使是不同成分的气体也都是单一的相。组分(C)是体系内可以独立变化的元素和化合物。图9-1-1中水、冰、水蒸气组成的体系，一个组分H2O，c=1，称单元系，盐水是NaCl的水溶液，组分数c=2(NaCl和水)。自由度(f)是指一个平衡体系的可变因素(温度、压力、成分等)的数目。图9-1-1中在水的区域内温度和压力可以任意改变，而不产生水蒸气或冰，其自由度f=2，在相图的三条线上两相共存，如CA线上水蒸气与冰共存，由于温度与压力有一个对应关系，自由度f=1。而在图中C点水、冰、水蒸气三相平衡，即这3个相只有在C点固定的温度和压力下平衡共存，体系无可变因素，自由度f=0，称不变体系。人们可以根据相图中相变化的情况来选择温度和压力等条件，进行晶体生长。
图9-1-1 水的相图
晶体生长是一个相变过程，但又是一个动态过程，要得到尽可能完美的晶体，还必须考虑生长动力学因素，包括成核理论，界面动力学，输运过程等。这是晶体生长的一个重要内容，但已超出本教材大纲的要求在这里就不详细介绍了。
三、晶体生长的方法
晶体生长的方法和工艺很多，根据生长环境，可分为从熔体中和从溶液中生长晶体两大类。此外还有气相生长和固相生长等方法。
从熔体中生长晶体的方法已有很长研究历史，这类方法是指将不加助熔剂的原料，加热到熔点以上熔融成熔体，控制生长条件直接从熔体中生长晶体的方法。熔体生长通常具有生长快、晶体的纯度高及完整性好等优点，但常常需要过高的温度，并受耐火材料和坩埚材料等限制。目前熔体生长的工艺和技术已发展得相当成熟。熔体生长的技术和工艺很多，用于人工宝石生长的方法主要有：焰熔法，冷坩埚，提拉法，坩埚下降法等，有些资料将高温高压法和区域熔融法也包括在该类方法中。
从溶液中生长晶体的历史悠久，基本原理是将原料(溶质)溶解在溶剂中，采取适当的措施制造溶液的过饱和状态，使晶体在这种溶液中生长。这类方法晶体可在远低于熔点的温度下生长，黏度低、晶体易长成大块且具有较完整的外形等优点，因而这类方法发展很快。不足之处是组分多，影响晶体生长的因素复杂，生长速度慢，周期长。溶液生长法主要有三大主体：常压溶液法(水溶液法)，高压溶液法(水热法)，高温溶液法(助熔剂法或熔盐法)。常压溶液法主要用于常压下可溶解晶体的重结晶。如：食盐、白糖和一些化学药品。一般不用于宝石生长。水热法和助熔剂法是生长人工宝石的重要方法，下文将详细讨论。
