晶體和非晶體

晶體和非晶體第1頁/共62頁晶體的初步認識

晶體分單晶體和多晶體，其構成的材料分別為單晶材料和多晶材料。

單晶材料有人造半導體材料單晶硅和鍺，金剛石、紅寶石等.多晶材料包括金屬及陶瓷等。晶體固有的性質對材料的性質具有重要的決定作用。

牛牛文庫文檔分享第2頁/共62頁碧璽

牛牛文庫文檔分享第3頁/共62頁常林鉆石

158.786克拉綠柱石

牛牛文庫文檔分享第4頁/共62頁紅寶石和蘭寶石

牛牛文庫文檔分享第5頁/共62頁月光石

錳鋰榴石

牛牛文庫文檔分享第6頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第7頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第8頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第9頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第10頁/共62頁多晶材料

牛牛文庫文檔分享第11頁/共62頁石英晶體石鹽晶體及解理塊

牛牛文庫文檔分享第12頁/共62頁第一章晶體和非晶質體

1·晶體的共性

晶體的外表特征認識晶體外表特征內部構造內部構造的共同規(guī)律晶體定義。綠柱石晶體（祖母綠）剛玉晶體（紅寶石）１.1晶體的定義返回目錄

牛牛文庫文檔分享第13頁/共62頁從外表看，石英晶體有這樣一些特征：是一種固體，有棱有角，有規(guī)則的幾何外形它是在一定環(huán)境下形成的。它有它自己的基本形態(tài)，而且這些形態(tài)在多種環(huán)境下保持相對的穩(wěn)定性。石英晶體石英晶簇第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第14頁/共62頁從外表特征描述，晶體天然具有規(guī)則幾何外形的固體晶面：晶體的外表平面晶棱：兩晶面相交直線角頂：晶棱匯聚的點鋯石第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第15頁/共62頁晶體的本質晶體內部質點的有序排列決定晶體的外表特征：規(guī)則的幾何外形晶體內部質點不同排列方式決定晶體外表特征的差異。氯化鈉晶體氯化鈉內部質點排列第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第16頁/共62頁晶體內部質點有序性的證明：1912年德國科學家勞厄用晶體作光柵，使X射線產生衍射，證明晶體內部質點是有序排列的1914年英國科學家布拉格父子用各種各樣的晶體作大量的衍射實驗三位科學家研究成果揭示了一切晶體皆具有格子構造的秘密第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第17頁/共62頁晶體的共性：一切晶體，不論外形如何，其內部質點（原子、離子、離子團或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內部相同質點在三維空間均呈周期性重復。白云母層狀結構石英架狀結構第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第18頁/共62頁NaCl的晶體結構

在1mm3的石鹽內，就包含了大約7×1017個這樣的立方體小塊。在棱的方向，Cl－和Na+以相等的間隔交替排列，每隔5.628?重復一次，在對角線方向上Cl－或Na+各自均以3.978?的相等間隔連續(xù)排列。第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第19頁/共62頁晶體定義

從NaCl的晶體結構可知，Cl－和Na+在三維空間均成周期性重復的規(guī)則排列而構成一種格子狀的構造。

對于其它任何一種晶體而言，情況都是完全類同的。所不同的僅僅是，不同的晶體，其質點種類不同，排列的方式和間隔大小不同罷了。晶體是內部質點在三維空間作周期性重復排列的固體。第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第20頁/共62頁整個晶體就是由晶胞周期性的在三維空間并置堆砌而成的。

牛牛文庫文檔分享第21頁/共62頁第一章晶體和非晶體1.2.1空間格子的概念空間格子：表示晶體內部結構中質點重復規(guī)律的幾何圖形同類質點排列規(guī)律的歸納：拋開物質意義，就內部質點排列方式分析，找出各種晶體格子都遵循的共同規(guī)律以食鹽晶體格子為例

１,2空間格子返回目錄

牛牛文庫文檔分享第22頁/共62頁空間格子：相當點在三維空間作格子狀排列所構成的圖形。氯化鈉晶體中，任選一個點，然后在結構中找出與此點完全相同的全部幾何點，就構成了上圖的形狀第一章晶體和非晶體

氯離子鈉離子5.628埃5.628埃

牛牛文庫文檔分享第23頁/共62頁等同點晶體結構中在同一取向上幾何環(huán)境和物質環(huán)境皆相同的點稱為等同點。在同一晶體中可以找出無窮多類等同點，但每一類等同點集合而成的圖形都呈現(xiàn)如圖1-2所示的相同圖形。Na+Cl-結點

牛牛文庫文檔分享第24頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第25頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第26頁/共62頁空間點陣

表示晶體結構中等同點排列規(guī)律的幾何圖形稱為空間點陣?？臻g格子表明了晶體物質在三維空間質點作周期性重復排列這一根本的性質，因此，晶體可定義為：晶體是具有格子構造的固體。第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第27頁/共62頁1.2.2空間格子的特點①結點：空間點陣中的等同點②行列：分布在同一直線上的結點構成一個行列。③面網：分布在同一平面上的結點構成一個面網。④平行六面體：空間點陣中由八個結點連成的中空的平行六面體第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第28頁/共62頁2·空間格子要素

A·結點：

定義:空間格子中的點

代表晶體結構中的相當點。結點的位置可為同種質點所占據(jù)。

性質：不代表任何質點，

它只具幾何意義。

第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第29頁/共62頁B·行列

定義:結點在直線上的排列稱為行列?？臻g格子中任何兩結點聯(lián)結起來就是一條行列的方向

結點間距：行列中相鄰兩結點之間的距離

性質:同一行列中結點間距相等，在平行行列中結點間距不變第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第30頁/共62頁C·面網結點在平面上的分布

空間格子中不在同一行列上的三個結點可構成一面網。任意兩相交行列決定一個面網。

面網密度：面網單位面積內的結點數(shù)。面網間距：一個空間格子中任意兩相鄰平行面網之間的垂直距離。在一個空間格子中平行面網的面網密度與面網間距相等。而不平行的面網之間，面網間距和面網密度一般不等。面網間距較大者面網密度也較大。第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第31頁/共62頁D·平行六面體：空間格子的最小單位，又叫單位密度空間格子。

平行六面體由六個兩兩平行的面網組成，結點分布于角頂上，平行六面體的三個棱長，是三條相應行列的結點間距。

第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第32頁/共62頁1.2.314種空間格子

法國學者A.布拉菲根據(jù)晶體結構的最高點群對稱和平移群（所有平移軸的組合）對稱及以上原則，將所有晶體結構的空間點陣劃分成十四種類型的空間格子，稱14種空間格子或布拉菲格子。第一章晶體和非晶體

返回目錄

牛牛文庫文檔分享第33頁/共62頁十四種布拉維格子

牛牛文庫文檔分享第34頁/共62頁簡單立方、面心立方、體心立方簡單四方、體心四方三方菱面體格子、六方格子正交原始、體心格子、底心格子、面心格子空間格子的三維虛擬空間圖

牛牛文庫文檔分享第35頁/共62頁晶胞

任何晶體都對應一種布拉維格子，因此任何晶體都可劃分出與此種布拉菲格子平行六面體相對應的部分，這一部分晶體就稱為晶胞。晶胞是能夠反映晶體結構特征的最小單位，并由一組具體的晶胞參數(shù)—晶體常數(shù)來表征（a、b、c，α(b∧c)、β(a∧c)、γ(a∧b)），

例如NaCl晶體的晶胞，對應的是立方面心格子，a=b=c=0.5628nm，α=β=γ=90°。許許多多該晶胞在三維空間無間隙的排列就構成了NaCl晶體。補充返回目錄

牛牛文庫文檔分享第36頁/共62頁abc

牛牛文庫文檔分享第37頁/共62頁·最小內能

在相同的熱力學條件下，與同種化學成分的非晶體如液體、氣體比較，其內能最小

物質的內能包括動能與勢能，晶體內部的質點的有規(guī)律排列，是質點間引力與斥力達到平衡的結果，這時的質點只能在某一位置作振蕩而不能成為自由粒子，其動能與勢能都是很低的，因此內能最小。同種溫度的非晶質體要變?yōu)榫w，必須要放出結晶熱才能實現(xiàn)其轉變過程。1.3晶體的基本性質

返回目錄

牛牛文庫文檔分享第38頁/共62頁

·最大穩(wěn)定性

在相同的熱力學條件下，具有相同的化學成分的晶體與非晶體比較，晶體是最穩(wěn)定的。這是因為晶體的內能最小，內部質點在一定位置上振動保持格子的平衡，晶體總是處于最穩(wěn)定狀態(tài)。晶體的基本性質

牛牛文庫文檔分享第39頁/共62頁·對稱性

晶體中相等的晶面、晶棱、角頂以及晶體的物理化學性質在不同方向或位置上有規(guī)律地重復出現(xiàn)。

晶體的宏觀對稱是由晶體內部

格子構造的對稱性所決定的。

金剛石的八面體對稱結構晶體的基本性質

牛牛文庫文檔分享第40頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第41頁/共62頁

·異向性（各向異性）晶體的性質因方向不同而有差異。這是因為晶體在不同的方向上質點的排列方式不同而決定的。

如蘭晶石在不同的方向上硬度有很大差異。

AA方向，H＝45，小刀可刻動。BB方向，H＝65，小刀不能刻動。玻璃體等非晶質體具有等向性晶體的基本性質

牛牛文庫文檔分享第42頁/共62頁·均一性：同一晶體的各個不同部分具有相同的性質。因為晶體的具有格子構造的固體，在晶體的各個不同部分質點的分布與排列都是一樣的。晶體中原子排布的周期很小，宏觀觀察分辨不出微觀的不連續(xù)性。金剛石各部分都有相同的硬度氣體、液體和玻璃體也有均勻性，是因為原子雜亂無章地分布，是原子無序分布的統(tǒng)計性規(guī)律。晶體的基本性質

牛牛文庫文檔分享第43頁/共62頁晶體是具有格子構造的固體，因此所有晶體也有它們所共有的格子構造所決定的性質。

·自限性（自范性）：晶體在適當條件（能自由生長）下，可以自發(fā)形成規(guī)則幾何多面體。正長石的短柱狀晶體冰洲石的菱面體晶體晶體在理想環(huán)境中生長成凸多面體。且晶面數(shù)（F）+頂點數(shù)（V）=晶棱數(shù)+2玻璃體冷卻時，隨溫度降低，粘度變大，流動性變小，固化成表面圓滑的無定形體。晶體的基本性質

牛牛文庫文檔分享第44頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第45頁/共62頁晶體的基本性質確定的熔點.

晶體內部各個部分按同一方式排列，熔化所需要的溫度相同。玻璃受熱變軟，粘度變小，進而成為流動性較大的液體，這過程沒有溫度的停頓，很難指出哪一溫度是它的熔點。

牛牛文庫文檔分享第46頁/共62頁晶體的基本性質晶體的衍射效應.

周期性排列的晶體相當于三維光柵，能使波長相當?shù)腦射線、電子流和中子流產生衍射效應，成為了解晶體內部結構的重要實驗方法。非晶質沒有周期性結構，只能產生散射效應，得不到衍射圖像。

牛牛文庫文檔分享第47頁/共62頁1.4非晶質體（固體）非晶質：琥珀、玻璃、塑料、樹脂、瀝青炭黑：結構重復的周期很少，只有幾個幾十個周期，稱為微晶。介于晶體和非晶質體之間的狀態(tài)。返回目錄

牛牛文庫文檔分享第48頁/共62頁棉花、蠶絲、毛發(fā)、人造纖維：具有不完整的一維周期性特征，并沿纖維軸擇優(yōu)取向，稱為纖維多晶物質。

牛牛文庫文檔分享第49頁/共62頁1.4非晶質體第一章晶體和非晶體

牛牛文庫文檔分享第50頁/共62頁

牛牛文庫文檔分享第51頁/共62頁第一章晶體和非晶體

晶體與非晶質體在結構上的區(qū)別

有序的概念如前述石英晶體中的硅、氧原子有嚴格的周期性排列，具有某種重復規(guī)律，并且在大范圍內都呈周期性的規(guī)則排列，即長程有序。

牛牛文庫文檔分享第52頁/共62頁石英玻璃的結構特點：石英玻璃結構內硅、氧原子的排列和石英晶體不一樣（研究圖）。一個硅原子周圍也有四個氧原子，但只在原子近鄰有周期性，即短程有序。結構不同，性質也不同。

牛牛文庫文檔分享第53頁/共62頁非晶體的特點不具有結晶結構，原子排列無規(guī)則無固定的外表形態(tài)無固定的熔點不能用X射線法測定其內部結構各方向上的物理性質相同具有晶質化趨勢

牛牛文庫文檔分享第54頁/共62頁準晶體

1985年在電子顯微鏡研究中，發(fā)現(xiàn)了一種新的物態(tài)，其內部結構的具體形式雖然仍在探索之中，但從其對稱性可知，其質點的排列應是長程有序，但不體現(xiàn)周期重復，即不存在格子構造（即不能平移），人們