第一章 晶体学基础知识.docx
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1、第一章晶体学基础知识一、晶体和非晶体自然界中物质的存在状态有三种:气态、液态、固态。固体又可分为两种存在形式:晶体和非晶体(无定型固体晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体;晶体中的原子(分子或离子)在空间按一定规律周期性重复的排列。非晶体是没有规则外形、组成物质的原子(分子或离子)在空间不呈有规则、周期性排列的固体。11晶体的概念与性质:晶体的概念:结构基元(可以是原子、分子、离子、原子团或离子团)在空间呈规则性的周期排列的物质。晶体的性质:1.1.1晶体大都有整齐、规则的几何外形。例如:只要结晶条件良好,可以看出食盐、石英、明研等分别具有立方体、六角柱体和八面体的几何外形。这是
2、晶体内微粒的排布具有空间点阵结构在晶体外形上的表现。对晶体有规则的几何外形进行深入研究以后,人们发现不同晶体有不同程度的对称性。晶体中可能具有的对称元素有对称中心、镜面、旋转轴、反轴等许多种。1.1.2晶体具有各向异性。晶体的力学性质、光学性质、热和电的传导性质都随着晶体的晶向不同而有所不同,称为晶体的各向异性。这是由于在晶体内不同方向上微粒排列的周期长短不同,而微粒间距离的长短又直接影响它们相互作用力的大小和性质。非晶体由于微粒的排列是混乱的,表现为各向同性。1.1.3在一定压力下,晶体有固定的熔点,非晶体没有固定的熔点,只有一段软化温度范围。这是由于晶体的每一个晶胞都是等同的,都在同一温度
3、下被微粒的热运动所瓦解。在非晶体中,微粒间的作用力有的大有的小,极不均一,所以没有固定的熔点。1.1.4晶体和非晶体可以相互转化。许多物质既可以以晶体形式存在,又可以以非晶体形式存在。1.2单晶和多晶构成整个晶体的各种离子或原子全都是按照一定的方向和顺序排列的叫单晶体。如果由多个单晶体混乱地结合在一起,晶体之间有明显的界限,这样的晶体就叫多晶体。二、晶体的生长理论2.1 晶体的熔化和凝固2.1.1 晶体熔化过程晶体熔化特性:晶体熔化过程中不断吸热,温度保持不变。晶体物质熔化的条件:温度达到熔点不断从外界吸热2.1 .2晶体凝固过程晶体凝固特性:晶体凝固过程中放热,温度不变。晶体凝固条件:温度达
4、到凝固点不断向外界放热2.2 晶体的生长理论晶体生长理论研究的目的是通过对晶体生长过程的深入理解,实现对晶体制备技术研究的指导和预言。晶体生长理论研究对象是晶体生长这一复杂的客观过程,研究内容相当庞杂O可以把晶体生长理论研究的基本科学问题归纳为如下两个方面:D晶体结构、晶体缺陷、晶体生长形态、晶体生长条件四者之间的关系。晶体生长理论研究本质上就是完整理解不同晶体其内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态四者之间的关系.搞清楚这四者之间的关系,就可以在制备实验中预测具有特定晶体结构的晶体在不同生长条件下的生长形态。通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的生成,改善和提高晶体的质量和性能。2)晶体生长界面动
5、力学问题。上述四者之间的关系研究只是对晶体生长过程的一种定性的描述,为了对此过程作更为精确的(甚至定量或半定量)的描述,必须在原子分子层次上对生长界面的结构、界面附近熔体(溶液)结构、界面的热、质输运和界面反应进行研究,这就是晶体生长界面动力学研究的主要内容。2.2.1晶体生长的基本过程如果把晶体生长全过程进行分解的话,它至少应该包括以下几个基本过程:溶质的溶解,晶体生长基元的形成,晶体生长基元在生长介质中的输运,晶体生长基元在晶体表面上的运动与结合以及晶体生长界面的推移,从而导致晶体生长。因此,从宏观角度看:晶体生长过程是“晶体一一环境相(蒸气、溶液、熔体)”界面向环境相中不断推移的过程,也
6、就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序相向高度有序晶相的转变O从微观角度来看,晶体生长过程可以看作一个“基元”过程,所谓“基元”是指结晶过程中最基本的结构单元,从广义上说,“基元”可以是原子、分子、也可以是具有一定几何构型的原子(分子)聚集体O晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的“基元”过程。环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中;而不同结构的生长基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态。对于同一晶体,不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元,最终形成不同形态的晶体。同种晶体可能有多种结构的物相,即同
7、质异相体。这也是由于生长条件不同,“基元”过程不同而导致的结果。晶体内部缺陷的形成又与“基元”过程受到干扰有关。2.2.2晶体缺陷晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整,这种偏离完整性的区域,或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。1)按照缺陷的形成和结构分类可分为本征缺陷和杂质缺陷。本征缺陷(固有缺陷)指不是由外来杂质原子形成,而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。杂质缺陷是指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。2)按照缺陷的几何特征可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。3)按缺陷产生的原因可分为热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷、其它原因,如电荷缺陷,辐照缺陷等。第



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