晶體和非晶體

晶體和非晶體第1頁/共62頁晶體的初步認(rèn)識

晶體分單晶體和多晶體，其構(gòu)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(dǎo)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(zhì)對材料的性質(zhì)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

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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(zhì)體

1·晶體的共性

晶體的外表特征認(rèn)識晶體外表特征內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)部構(gòu)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(zhì)晶體內(nèi)部質(zhì)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(nèi)部質(zhì)點不同排列方式?jīng)Q定晶體外表特征的差異。氯化鈉晶體氯化鈉內(nèi)部質(zhì)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(nèi)部質(zhì)點有序性的證明：1912年德國科學(xué)家勞厄用晶體作光柵，使X射線產(chǎn)生衍射，證明晶體內(nèi)部質(zhì)點是有序排列的1914年英國科學(xué)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(xué)家研究成果揭示了一切晶體皆具有格子構(gòu)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(nèi)部質(zhì)點（原子、離子、離子團或分子）都是有規(guī)律排列的。即晶體內(nèi)部相同質(zhì)點在三維空間均呈周期性重復(fù)。白云母層狀結(jié)構(gòu)石英架狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

在1mm3的石鹽內(nèi)，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(fù)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(jié)構(gòu)可知，Cl－和Na+在三維空間均成周期性重復(fù)的規(guī)則排列而構(gòu)成一種格子狀的構(gòu)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(zhì)點種類不同，排列的方式和間隔大小不同罷了。晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間作周期性重復(fù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)中質(zhì)點重復(fù)規(guī)律的幾何圖形同類質(zhì)點排列規(guī)律的歸納：拋開物質(zhì)意義，就內(nèi)部質(zhì)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(dāng)點在三維空間作格子狀排列所構(gòu)成的圖形。氯化鈉晶體中，任選一個點，然后在結(jié)構(gòu)中找出與此點完全相同的全部幾何點，就構(gòu)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(jié)構(gòu)中在同一取向上幾何環(huán)境和物質(zhì)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(jié)點

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牛牛文庫文檔分享第26頁/共62頁空間點陣

表示晶體結(jié)構(gòu)中等同點排列規(guī)律的幾何圖形稱為空間點陣。空間格子表明了晶體物質(zhì)在三維空間質(zhì)點作周期性重復(fù)排列這一根本的性質(zhì)，因此，晶體可定義為：晶體是具有格子構(gòu)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(jié)點：空間點陣中的等同點②行列：分布在同一直線上的結(jié)點構(gòu)成一個行列。③面網(wǎng)：分布在同一平面上的結(jié)點構(gòu)成一個面網(wǎng)。④平行六面體：空間點陣中由八個結(jié)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(jié)點：

定義:空間格子中的點

代表晶體結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)點。結(jié)點的位置可為同種質(zhì)點所占據(jù)。

性質(zhì)：不代表任何質(zhì)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(jié)點在直線上的排列稱為行列?？臻g格子中任何兩結(jié)點聯(lián)結(jié)起來就是一條行列的方向

結(jié)點間距：行列中相鄰兩結(jié)點之間的距離

性質(zhì):同一行列中結(jié)點間距相等，在平行行列中結(jié)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(wǎng)結(jié)點在平面上的分布

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

面網(wǎng)密度：面網(wǎng)單位面積內(nèi)的結(jié)點數(shù)。面網(wǎng)間距：一個空間格子中任意兩相鄰平行面網(wǎng)之間的垂直距離。在一個空間格子中平行面網(wǎng)的面網(wǎng)密度與面網(wǎng)間距相等。而不平行的面網(wǎng)之間，面網(wǎng)間距和面網(wǎng)密度一般不等。面網(wǎng)間距較大者面網(wǎng)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(wǎng)組成，結(jié)點分布于角頂上，平行六面體的三個棱長，是三條相應(yīng)行列的結(jié)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(xué)者A.布拉菲根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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

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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(yīng)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(yīng)的部分，這一部分晶體就稱為晶胞。晶胞是能夠反映晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(gòu)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(nèi)能

在相同的熱力學(xué)條件下，與同種化學(xué)成分的非晶體如液體、氣體比較，其內(nèi)能最小

物質(zhì)的內(nèi)能包括動能與勢能，晶體內(nèi)部的質(zhì)點的有規(guī)律排列，是質(zhì)點間引力與斥力達到平衡的結(jié)果，這時的質(zhì)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(nèi)能最小。同種溫度的非晶質(zhì)體要變?yōu)榫w，必須要放出結(jié)晶熱才能實現(xiàn)其轉(zhuǎn)變過程。1.3晶體的基本性質(zhì)

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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(xué)條件下，具有相同的化學(xué)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(nèi)能最小，內(nèi)部質(zhì)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(zhì)

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(xué)性質(zhì)在不同方向或位置上有規(guī)律地重復(fù)出現(xiàn)。

晶體的宏觀對稱是由晶體內(nèi)部

格子構(gòu)造的對稱性所決定的。

金剛石的八面體對稱結(jié)構(gòu)晶體的基本性質(zhì)

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·異向性（各向異性）晶體的性質(zhì)因方向不同而有差異。這是因為晶體在不同的方向上質(zhì)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(zhì)體具有等向性晶體的基本性質(zhì)

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(zhì)。因為晶體的具有格子構(gòu)造的固體，在晶體的各個不同部分質(zhì)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(zhì)

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

·自限性（自范性）：晶體在適當(dāng)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(zhì)

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牛牛文庫文檔分享第45頁/共62頁晶體的基本性質(zhì)確定的熔點.

晶體內(nèi)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(zhì)晶體的衍射效應(yīng).

周期性排列的晶體相當(dāng)于三維光柵，能使波長相當(dāng)?shù)腦射線、電子流和中子流產(chǎn)生衍射效應(yīng)，成為了解晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要實驗方法。非晶質(zhì)沒有周期性結(jié)構(gòu)，只能產(chǎn)生散射效應(yīng)，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(zhì)體（固體）非晶質(zhì)：琥珀、玻璃、塑料、樹脂、瀝青炭黑：結(jié)構(gòu)重復(fù)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(zhì)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(zhì)。

牛牛文庫文檔分享第49頁/共62頁1.4非晶質(zhì)體第一章晶體和非晶體

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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(zhì)體在結(jié)構(gòu)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(yán)格的周期性排列，具有某種重復(fù)規(guī)律，并且在大范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)特點：石英玻璃結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)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(jié)晶結(jié)構(gòu)，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(nèi)部結(jié)構(gòu)各方向上的物理性質(zhì)相同具有晶質(zhì)化趨勢

牛牛文庫文檔分享第54頁/共62頁準(zhǔn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體形式雖然仍在探索之中，但從其對稱性可知，其質(zhì)點的排列應(yīng)是長程有序，但不體現(xiàn)周期重復(fù)，即不存在格子構(gòu)造（即不能平移），人們