晶體的物理性質(zhì)

1、7.1 晶體的光學(xué)性質(zhì)晶體的光學(xué)性質(zhì) 晶體的光學(xué)性質(zhì)包括：顏色、折射、發(fā)光晶體的光學(xué)性質(zhì)包括：顏色、折射、發(fā)光 7.1.1 晶體的顏色晶體的顏色 1 1） 顏色的概念顏色的概念 顏色是電磁輻射作用于人眼視網(wǎng)膜上感色細(xì)胞顏色是電磁輻射作用于人眼視網(wǎng)膜上感色細(xì)胞形成的刺激，視神經(jīng)把這種刺激轉(zhuǎn)化成為顏色感覺。形成的刺激，視神經(jīng)把這種刺激轉(zhuǎn)化成為顏色感覺。 晶體的顏色是晶體的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)與可見光晶體的顏色是晶體的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)與可見光相互作用的結(jié)果。相互作用的結(jié)果。(1) 可見光的顏色、波長、波數(shù)、能量可見光的顏色、波長、波數(shù)、能量390 440485 500 565 590625 770nm| 紫

2、紫 | 藍(lán)藍(lán) | 青青 | 綠綠 | 黃黃 | 橙橙 | 紅紅 | 人的視覺能感受到的光的顏色所對應(yīng)的波段為人的視覺能感受到的光的顏色所對應(yīng)的波段為可見光波段，其波長約在可見光波段，其波長約在390nm770nm之間，波長之間，波長由長至短依次顯示由長至短依次顯示紅紅、橙橙、黃黃、綠綠、青青、藍(lán)藍(lán)、紫紫等等色，它們的混合色就是白色色，它們的混合色就是白色 不同顏色的光波，可以用波長不同顏色的光波，可以用波長(nm)表示，也可表示，也可以用波數(shù)以用波數(shù)(cm-1) 、能量、能量E(eV)來表示來表示 波長波長 390nm 770nm 能量能量 3.18eV 1.61eV 波數(shù)波數(shù) 25600cm

3、-1 13000cm-1 單一波長光的顏色稱為光譜色。單一波長光的顏色稱為光譜色。 注意：單色光、白色光注意：單色光、白色光 （2）對白光的吸收與顏色）對白光的吸收與顏色 均勻吸收產(chǎn)生的顏色：均勻吸收產(chǎn)生的顏色： 黑色黑色 灰色灰色 無色無色 白色白色 選擇吸收產(chǎn)生的顏色：選擇吸收產(chǎn)生的顏色： 觀察到的顏色與吸收觀察到的顏色與吸收光的顏色為光的顏色為互補(bǔ)。互補(bǔ)。補(bǔ)色環(huán)補(bǔ)色環(huán)（3）對白光的吸收）對白光的吸收+反射與顏色反射與顏色 吸收吸收- -均勻反射：均勻反射：鋼灰鋼灰 銀灰銀灰 銀白等銀白等吸收吸收- -部分反射：部分反射： 被觀察到的顏色是反射光顏色被觀察到的顏色是反射光顏色。幾種金屬的反

4、射光譜圖幾種金屬的反射光譜圖紫光紫光的反射稍弱的反射稍弱銀銀呈略帶暖色呈略帶暖色(黃色黃色)的銀白色的銀白色鋁幾乎反射所有光，紅端的反射鋁幾乎反射所有光，紅端的反射稍弱，鋁呈銀白色；稍弱，鋁呈銀白色；金金呈金黃色；呈金黃色；銅銅與金的反射光譜似而不同，銅與金的反射光譜似而不同，銅呈銅紅色；呈銅紅色；鐵鐵均勻吸收所有的光均勻吸收所有的光, 銀灰色銀灰色（4）晶體的自色和它色）晶體的自色和它色自色：自色：具有理論化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)之晶體的顏色。具有理論化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)之晶體的顏色。 本征性質(zhì)本征性質(zhì) 純剛玉（純剛玉（Al2O3）無色透明）無色透明 白色白色 純硫化鎘（純硫化鎘（CdS） 鮮黃色鮮黃色它色

5、：它色：缺陷導(dǎo)致的顏色缺陷導(dǎo)致的顏色 例：少量過渡離子的類質(zhì)同象使之呈色例：少量過渡離子的類質(zhì)同象使之呈色 剛玉剛玉 CrAl 紅色紅色 紅寶石紅寶石 本課程，不再刻意指明晶體的自色和它色。本課程，不再刻意指明晶體的自色和它色。 晶體是如何呈色的呢？晶體是如何呈色的呢？ 2) 晶體的呈色機(jī)理晶體的呈色機(jī)理 (1) 晶體場呈色晶體場呈色 兩個必要條件：兩個必要條件： A 外電子層未被充滿的過渡離子（外電子層未被充滿的過渡離子（ d n和和f n） B 晶體場晶體場強(qiáng)大的晶體場使基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級間的距離增大。強(qiáng)大的晶體場使基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級間的距離增大。由于在晶體場中，由于在晶體場中，d 、f 軌道

6、基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級間的軌道基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級間的能級差與可見光的能量相當(dāng)，所以可見光正好能將基能級差與可見光的能量相當(dāng)，所以可見光正好能將基態(tài)態(tài)d、f 軌道上的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級上。軌道上的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級上。 當(dāng)電子躍遷所當(dāng)電子躍遷所吸收的能量等于某波長或某些波長吸收的能量等于某波長或某些波長色光色光時，晶體就有可能呈現(xiàn)其時，晶體就有可能呈現(xiàn)其補(bǔ)色光的顏色。補(bǔ)色光的顏色。d n 電子軌道在晶體場電子軌道在晶體場 中的簡并與分裂中的簡并與分裂 立方體場立方體場 四面體場四面體場 球形場球形場 八面體場八面體場 四方畸變四方畸變 三方畸變?nèi)交?1gt2 e ba1gb2gegegt2g6D

7、q4Dqt2gegdx2-y2 dz2dxydyzdx2-y2 dz2dz2dx2-y2 dxzdz2dxya1gegb2g1gb紅寶石紅寶石(Al,Cr)2O3祖母綠祖母綠Be3(Al,Cr)2Si6O18 (2) 離子間的電荷轉(zhuǎn)移離子間的電荷轉(zhuǎn)移 電子在相鄰離子間電子在相鄰離子間躍遷躍遷,引起兩種離子價態(tài)變化的過程。引起兩種離子價態(tài)變化的過程。 藍(lán)寶石含藍(lán)寶石含0.1wt%FeO和和TiO2，緊鄰的是，緊鄰的是FeAl和和TiAl。共面。共面 八面體中八面體中Fe2+Ti4+距離距離=0.265nm，兩離子的，兩離子的dz2重疊重疊,導(dǎo)致導(dǎo)致Fe2+Ti4+ Fe3+Ti3+，E=2.11

8、eV。 E=2.11eV的光被組合的光被組合Fe2+Ti4+吸收，引起電荷轉(zhuǎn)移，形成中吸收，引起電荷轉(zhuǎn)移，形成中心為心為588nm的寬吸收帶的寬吸收帶（光化學(xué)的氧化（光化學(xué)的氧化-還原作用還原作用） 半導(dǎo)體、絕緣體的帶隙寬度半導(dǎo)體、絕緣體的帶隙寬度(Eg)決定晶體的顏色決定晶體的顏色晶體吸收能量晶體吸收能量EEg的所有可見光的所有可見光,透過透過EEg的可見光。的可見光。 例：例： 金剛石金剛石Eg=5.4eV，可見光的，可見光的E5.4eV而全部透過而全部透過晶體，故金剛石無色透明。晶體，故金剛石無色透明。 硫鎘礦硫鎘礦Eg=2.6eV吸收紫光和部分藍(lán)光吸收紫光和部分藍(lán)光,晶體呈鮮黃色。晶體

9、呈鮮黃色。 Eg=2.0eV的辰砂只讓紅光透過，晶體呈的辰砂只讓紅光透過，晶體呈鮮紅色。鮮紅色。 黑辰砂的黑辰砂的Eg=1.6eV10-4-1cm-1）的現(xiàn)象。該晶體的電子導(dǎo)電率很低，與該）的現(xiàn)象。該晶體的電子導(dǎo)電率很低，與該過程有關(guān)的電子通過外電路運(yùn)動。過程有關(guān)的電子通過外電路運(yùn)動。離子是晶體的構(gòu)成離子之一。具離子導(dǎo)電性的晶體體離子是晶體的構(gòu)成離子之一。具離子導(dǎo)電性的晶體體叫離子導(dǎo)體，如叫離子導(dǎo)體，如立方氧化鋯立方氧化鋯(Zr,Ca)O2-x 。 7.4.2 介電性與極化介電性與極化 在外電場作用下，不導(dǎo)電晶體在外電場作用下，不導(dǎo)電晶體( (電介質(zhì)晶體電介質(zhì)晶體) )，在緊靠帶電體的一端會出

10、現(xiàn)異號，在緊靠帶電體的一端會出現(xiàn)異號的過的過極化極化，這種性質(zhì)稱為介電性。，這種性質(zhì)稱為介電性。 極化的本質(zhì)極化的本質(zhì)就是晶體正、負(fù)電荷中心不重合。這種不重合，可以由外電場的作就是晶體正、負(fù)電荷中心不重合。這種不重合，可以由外電場的作用形成，也可以由分子、晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性形成。用形成，也可以由分子、晶體結(jié)構(gòu)的不對稱性形成。 自發(fā)極化，自發(fā)極化，,極性物質(zhì)，極性分子，極性晶體極性物質(zhì)，極性分子，極性晶體。OSiSiO 42/32/32/32/32/32/32/32/30000001/31/31/31/31/31/31/32/3三個極軸分別在三個極軸分別在0、1/3、2/3高高度度石英晶體的壓電

11、性石英晶體的壓電性7.4.3 壓電性壓電性 (重難點(diǎn)重難點(diǎn)) 沿沿石英石英的的 x軸軸(極軸極軸)施加施加壓力壓力時時，x軸正端帶軸正端帶負(fù)負(fù)電，電，而負(fù)端帶而負(fù)端帶正正電；沿電；沿石英石英的的 x軸軸(極軸極軸)施加施加拉力拉力時時，x軸正、軸正、負(fù)兩端的荷電性相反。負(fù)兩端的荷電性相反。 壓電常數(shù)壓電常數(shù)d11石英石英=2.3110-12C/N石英晶體的壓電性石英晶體的壓電性 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：在晶體的極軸方向施壓或者拉伸時，在極軸在晶體的極軸方向施壓或者拉伸時，在極軸兩端的平面兩端的平面(垂直極軸垂直極軸)上產(chǎn)生異號、等量電荷的現(xiàn)象。上產(chǎn)生異號、等量電荷的現(xiàn)象。 壓縮和拉伸壓縮和拉伸極

12、軸極軸時產(chǎn)生的電量相等，但符號相反。時產(chǎn)生的電量相等，但符號相反。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：在極軸兩端施加一定頻率的交變電場，在定：在極軸兩端施加一定頻率的交變電場，在定向晶片的兩側(cè)產(chǎn)生反復(fù)的膨脹和收縮向晶片的兩側(cè)產(chǎn)生反復(fù)的膨脹和收縮(機(jī)械振蕩機(jī)械振蕩)。 ( (與電致伸縮區(qū)別與電致伸縮區(qū)別) ) 石英振蕩片，石英振蕩片，交流電交流電頻率頻率與石英的與石英的振蕩頻率振蕩頻率相同時產(chǎn)生相同時產(chǎn)生共共振振。7.4.3 壓電性壓電性 壓電晶體的共同特點(diǎn)：晶體點(diǎn)群中沒有對稱中心壓電晶體的共同特點(diǎn)：晶體點(diǎn)群中沒有對稱中心 21個點(diǎn)群不具對稱中心，但點(diǎn)群個點(diǎn)群不具對稱中心，但點(diǎn)群432的晶體卻不顯壓電性。的

13、晶體卻不顯壓電性。 20個點(diǎn)群個點(diǎn)群 常見的常見的壓電晶體壓電晶體有：石英，閃鋅礦，方硼石，電氣石，紅有：石英，閃鋅礦，方硼石，電氣石，紅鋅礦，鋅礦，GaAs，鈦酸鋇及其衍生結(jié)構(gòu)晶體，鈦酸鋇及其衍生結(jié)構(gòu)晶體， KH2PO4，NaKC4H4O64H2O(羅息鹽羅息鹽)、食糖等。、食糖等。 介電晶類介電晶類（32種）種）不具有對稱中不具有對稱中心的晶類心的晶類 （21種）種）其中壓電晶類其中壓電晶類 （20種）種）極性晶類極性晶類(熱釋電晶類熱釋電晶類) （10種）種）1，2，3，4，6，m，mm2 4mm, 3m, 6mm 非極性晶類非極性晶類 （11種）種）222， 4，422，42m，326

14、，622，6m2, 23, 43m，432(不具有壓電性不具有壓電性)具有對稱中心的晶類具有對稱中心的晶類（11種）種）1，2/m，mmm4/m, 4/mmm，3 ，3m 6/m 6/mmm, m3m, m3-7.4.4 自發(fā)極化與熱釋電性自發(fā)極化與熱釋電性 自發(fā)極化自發(fā)極化：在沒有外電場的情況下，晶體內(nèi)部自：在沒有外電場的情況下，晶體內(nèi)部自發(fā)形成電偶極子，并宏觀上顯示電極化的現(xiàn)象。發(fā)形成電偶極子，并宏觀上顯示電極化的現(xiàn)象。 晶體對稱特點(diǎn)晶體對稱特點(diǎn):單一單一極軸極軸(平行電偶極子定向排列方平行電偶極子定向排列方向向) 熱釋電性熱釋電性：極性晶體：極性晶體均勻均勻受熱時，在其極軸的兩受熱時，在

15、其極軸的兩端增加等量、符號相反的電荷的現(xiàn)象。端增加等量、符號相反的電荷的現(xiàn)象。 成因：晶體結(jié)構(gòu)受熱后成因：晶體結(jié)構(gòu)受熱后正、負(fù)電荷重心的距離正、負(fù)電荷重心的距離沿沿極軸方向增大極軸方向增大(與極軸平行的電偶極子增大與極軸平行的電偶極子增大)，在極軸兩，在極軸兩端增加數(shù)量相等、但符號相反的電量。端增加數(shù)量相等、但符號相反的電量。 (準(zhǔn)確準(zhǔn)確)坤特粉：坤特粉：1:1 硫磺粉硫磺粉() 鉛丹粉鉛丹粉(Pb2Pb4O4)()點(diǎn)群：點(diǎn)群：電氣石電氣石 3m水晶水晶 32 熱釋電性晶體可以看成是壓電性晶體的一個亞類，熱釋電性晶體可以看成是壓電性晶體的一個亞類，即具有熱釋電性的晶體一定具有壓電性，而具有壓電

16、性即具有熱釋電性的晶體一定具有壓電性，而具有壓電性的晶體不一定具有熱釋電性。的晶體不一定具有熱釋電性。 20個具有壓電性的晶類中個具有壓電性的晶類中,只有只有10個具有熱釋電性。個具有熱釋電性。 其區(qū)別在于：其區(qū)別在于：壓電晶體的極軸壓電晶體的極軸可以可以多于一個多于一個， 熱釋電晶體熱釋電晶體只有只有一個極軸一個極軸。 常見的常見的熱釋電晶體熱釋電晶體有電氣石、纖維鋅礦、羅息鹽、有電氣石、纖維鋅礦、羅息鹽、非立方非立方BaTiOBaTiO3 3、Pb(Zr, Ti)OPb(Zr, Ti)O3 3、硫酸鋰等。、硫酸鋰等。 當(dāng)溫度升高到幾百度時，大多數(shù)熱釋電晶體的熱電性都會喪當(dāng)溫度升高到幾百度時

17、，大多數(shù)熱釋電晶體的熱電性都會喪失。失。 LiTaOLiTaO3 3晶體的熱釋電性可保持到晶體的熱釋電性可保持到609609，該晶體可非常精確，該晶體可非常精確的測定該溫度區(qū)間的溫度，的測定該溫度區(qū)間的溫度，精確達(dá)精確達(dá)1010- -6 6。因此，。因此，LiTaOLiTaO3 3晶體可晶體可以制成一種專門測量微弱熱量的儀器，如一種監(jiān)測催化過程的監(jiān)以制成一種專門測量微弱熱量的儀器，如一種監(jiān)測催化過程的監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備中測設(shè)備。該設(shè)備中LiTaOLiTaO3 3晶片的厚度為晶片的厚度為50um50um，而整個設(shè)備的體積，而整個設(shè)備的體積是是5 55 50.5mm0.5mm3 3。 例：例：BaT

18、iO3，120-1460，BaTiO3，立方晶立方晶系。系。具順電性具順電性, ,無自發(fā)無自發(fā)極化、更無鐵電性。極化、更無鐵電性。 T120時，時，Ti4+向向6個個O2-中的中的某某1個個靠攏，該靠攏，該O2-也向也向Ti4+靠攏：形成靠攏：形成電偶極子電偶極子Pm (形成唯一四次軸形成唯一四次軸) 。相變?yōu)?。相變?yōu)樗姆剿姆紹aTiO3(4mm) 四方相四方相BaTiO3在外電場的作用下在外電場的作用下, Ti4+位移方向隨外電場改變而改變并位移方向隨外電場改變而改變并力圖保持與外電場一致，即具有鐵電性。力圖保持與外電場一致，即具有鐵電性。立方立方BaTiO3四方四方BaTiO37.4.5 鐵電性鐵電性 (準(zhǔn)確準(zhǔn)確) 鐵電性鐵電性：自發(fā)極化方向隨外電場改變而改變的自發(fā)極化方向隨外電場改變而改變的性質(zhì)。性質(zhì)。 介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性的關(guān)系介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性的關(guān)系 介電體介電體( 32)壓電體壓電體(20)熱釋電體熱釋電體(10)鐵電體鐵電體 7.5晶體的熱學(xué)性質(zhì)晶體的熱學(xué)性質(zhì)7.5.1 熔融、升華、熱分解熔融、升華、熱分解 純晶體的熔點(diǎn)是確定的。純晶體的熔點(diǎn)是確定的。 熔融熔融：晶體在它的熔點(diǎn)開始熔融，直到晶體全部融化成熔：晶體在它的熔點(diǎn)開始熔融，直