《晶體和非晶體》課件

晶體和非晶體材料世界中，原子排列方式對(duì)物質(zhì)性質(zhì)有決定性影響。物質(zhì)根據(jù)其內(nèi)部原子排列方式，可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。課程目標(biāo)11.了解晶體與非晶體的基本概念區(qū)分晶體和非晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。22.掌握晶體和非晶體的分類(lèi)與制備方法學(xué)習(xí)不同類(lèi)型晶體和非晶體的特點(diǎn)以及制備過(guò)程。33.熟悉晶體和非晶體的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)理解晶體和非晶體在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。44.培養(yǎng)學(xué)生對(duì)材料科學(xué)的興趣激發(fā)學(xué)生對(duì)晶體和非晶體材料的探索精神。什么是晶體自然中的晶體自然界存在著各種各樣的晶體，例如冰晶、鹽晶等。寶石晶體許多寶石是具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的晶體，如鉆石、紅寶石等。微觀結(jié)構(gòu)晶體具有規(guī)則的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在微觀尺度下呈現(xiàn)出有序的排列。晶體的定義有序排列晶體內(nèi)部的原子、離子或分子以規(guī)則、重復(fù)的幾何排列方式進(jìn)行排列。對(duì)稱(chēng)性晶體具有特定的對(duì)稱(chēng)性，可以沿一定方向重復(fù)自身。周期性晶體的結(jié)構(gòu)具有周期性，這意味著相同的結(jié)構(gòu)單元在空間中重復(fù)出現(xiàn)。三維結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是三維的，這意味著它在空間中具有長(zhǎng)度、寬度和高度。晶體的特征規(guī)則的幾何形狀晶體具有規(guī)則的幾何形狀，例如立方體、六角形或菱形。這些形狀是晶體內(nèi)部原子排列的結(jié)果。各向異性晶體的物理性質(zhì)，例如硬度、顏色和電導(dǎo)率，在不同的方向上可能不同。這是因?yàn)榫w內(nèi)部原子的排列方式在不同的方向上是不同的。晶體的幾何結(jié)構(gòu)晶體具有高度規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，由重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元組成。晶體結(jié)構(gòu)可以由空間點(diǎn)陣描述，點(diǎn)陣是空間中一系列等距點(diǎn)。晶體結(jié)構(gòu)的幾何特征決定了其物理性質(zhì)，例如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度、電導(dǎo)率等。晶體的類(lèi)型按化學(xué)鍵類(lèi)型離子晶體、共價(jià)晶體、金屬晶體和分子晶體。按晶胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單立方、體心立方、面心立方、六方密堆積和金剛石結(jié)構(gòu)。按對(duì)稱(chēng)性七大晶系，每個(gè)晶系包含多個(gè)晶族，共有32個(gè)點(diǎn)群。按物理性質(zhì)根據(jù)熔點(diǎn)、硬度、密度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和光學(xué)性質(zhì)分類(lèi)。簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)是指晶體結(jié)構(gòu)中僅包含一種類(lèi)型的原子或離子，并且這些原子或離子以最簡(jiǎn)單的排列方式進(jìn)行排列。最常見(jiàn)的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)包括立方體、六方體和正方體等。這些結(jié)構(gòu)通常具有較高的對(duì)稱(chēng)性，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何圖形來(lái)描述。復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)許多晶體結(jié)構(gòu)比簡(jiǎn)單的立方或六角形結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。這些結(jié)構(gòu)可能包含多個(gè)原子或離子，并以復(fù)雜的三維模式排列。這類(lèi)結(jié)構(gòu)可以是天然存在的，也可以是人工合成的。例如，石英晶體是二氧化硅(SiO2)的一種形式，具有復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予石英獨(dú)特的光學(xué)和電氣特性，使其在電子和光學(xué)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。晶體的形成晶體形成的過(guò)程涉及原子、離子或分子從無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻?、三維周期性排列的狀態(tài)。這一過(guò)程受到溫度、壓力、溶液濃度等因素的影響。1成核原子或分子在溶液或熔體中隨機(jī)碰撞，當(dāng)碰撞能量足夠大時(shí)，原子或分子會(huì)結(jié)合在一起形成微小的晶核。2生長(zhǎng)晶核一旦形成，它們就會(huì)吸引更多原子或分子，從而逐漸長(zhǎng)大，形成更大的晶體。3穩(wěn)定晶體生長(zhǎng)到一定程度后，會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，其大小和形狀不再發(fā)生明顯變化。晶體的生長(zhǎng)1成核溶液中達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，單個(gè)原子或分子聚集形成穩(wěn)定的微小晶核。2生長(zhǎng)晶核逐漸吸收周?chē)芤褐械脑踊蚍肿?，逐漸長(zhǎng)大，形成晶體結(jié)構(gòu)。3成熟晶體生長(zhǎng)到一定大小，晶體結(jié)構(gòu)更加完善，并具有確定的形狀和大小。影響晶體生長(zhǎng)的因素溫度溫度影響晶體生長(zhǎng)速率。高溫促進(jìn)生長(zhǎng)，低溫抑制生長(zhǎng)。壓力壓力影響晶體生長(zhǎng)速率。高壓促進(jìn)生長(zhǎng)，低壓抑制生長(zhǎng)。溶液濃度溶液濃度影響晶體生長(zhǎng)速率。高濃度促進(jìn)生長(zhǎng)，低濃度抑制生長(zhǎng)。晶種晶種影響晶體生長(zhǎng)方向和形狀。晶種提供晶體生長(zhǎng)模板。什么是非晶體非晶體，也稱(chēng)為無(wú)定形固體，其原子排列缺乏長(zhǎng)程周期性。與晶體不同，非晶體沒(méi)有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)，而是以無(wú)序的方式排列。由于缺乏規(guī)則結(jié)構(gòu)，非晶體在宏觀上表現(xiàn)出一些獨(dú)特的特性，例如沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，而是隨著溫度升高逐漸軟化。非晶體的定義缺乏長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)非晶體材料的原子排列沒(méi)有固定的周期性，沒(méi)有形成晶格結(jié)構(gòu)。非晶體材料內(nèi)部原子排列混亂，沒(méi)有長(zhǎng)程有序的排列方式。短程有序結(jié)構(gòu)非晶體材料的原子之間仍然存在著短程有序排列。非晶體材料內(nèi)部原子之間存在著短程有序結(jié)構(gòu)，可以理解為在原子尺度上，原子之間有一定的排列規(guī)律，但在更大尺度上則沒(méi)有固定的周期性。非晶體的特性11.無(wú)序結(jié)構(gòu)非晶體原子排列無(wú)規(guī)律，沒(méi)有長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。22.各向同性非晶體物理性質(zhì)在各個(gè)方向上相同。33.熔點(diǎn)范圍非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，而是逐漸軟化。44.可塑性非晶體可以被塑造成各種形狀。非晶體的原子結(jié)構(gòu)無(wú)序排列非晶體原子排列無(wú)規(guī)律，不像晶體那樣具有周期性結(jié)構(gòu)。短程有序非晶體在局部范圍內(nèi)存在短程有序，原子之間保持著近鄰距離和鍵角。長(zhǎng)程無(wú)序非晶體缺乏長(zhǎng)程周期性，原子排列沒(méi)有重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元。非晶體的分類(lèi)金屬玻璃金屬玻璃是金屬合金以非晶態(tài)存在的固體材料。其原子排列無(wú)序，形成無(wú)定形結(jié)構(gòu)。聚合物許多聚合物，例如橡膠和塑料，以非晶態(tài)存在。它們的鏈狀分子結(jié)構(gòu)在固體狀態(tài)下沒(méi)有規(guī)則排列。無(wú)機(jī)玻璃普通玻璃是一種典型的無(wú)機(jī)玻璃。它由氧化硅和其他氧化物組成，原子排列無(wú)序。其他非晶態(tài)材料還有一些其他類(lèi)型的非晶態(tài)材料，包括無(wú)定形碳，如煤炭和木炭，以及一些氧化物，如二氧化硅。非晶固體的制備方法快速冷卻法將熔融物質(zhì)快速冷卻至固態(tài)，阻止晶體生長(zhǎng)，形成非晶體。例如，將熔融玻璃快速冷卻制成玻璃制品。氣相沉積法在低溫基底上沉積氣體或蒸汽，形成非晶態(tài)薄膜。例如，制備非晶態(tài)硅薄膜。機(jī)械合金化法將金屬粉末在高能球磨機(jī)中高速研磨，破壞晶體結(jié)構(gòu)，形成非晶態(tài)合金。例如，制備非晶態(tài)金屬玻璃。離子注入法將離子束注入材料，使晶格發(fā)生畸變，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。例如，制備非晶態(tài)硅。輻照法用高能粒子或射線(xiàn)照射材料，破壞晶格結(jié)構(gòu)，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。例如，制備非晶態(tài)陶瓷。非晶固體的性質(zhì)高強(qiáng)度非晶體材料的強(qiáng)度通常高于同類(lèi)晶體材料。耐腐蝕性非晶體材料表面沒(méi)有明顯的晶界，因此耐腐蝕性能優(yōu)異。塑性非晶體材料具有較高的塑性，可以承受較大的變形而不破裂。磁性非晶體材料可以表現(xiàn)出特殊的磁性，例如軟磁性或硬磁性。非晶固體的應(yīng)用太陽(yáng)能電池板非晶硅太陽(yáng)能電池板價(jià)格低廉，效率高，可廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域。金屬玻璃非晶態(tài)金屬玻璃具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗磨損等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。薄膜材料非晶態(tài)薄膜具有高透明度、高導(dǎo)電率等特性，廣泛應(yīng)用于觸摸屏、顯示器等領(lǐng)域。晶體與非晶體的對(duì)比結(jié)構(gòu)晶體具有規(guī)則的、重復(fù)的原子排列。非晶體缺乏這種規(guī)律性，原子排列是無(wú)序的。熔點(diǎn)晶體具有確定的熔點(diǎn)，在特定溫度下會(huì)突然從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。非晶體沒(méi)有明確的熔點(diǎn)，在加熱過(guò)程中會(huì)逐漸軟化。各向異性晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì)，例如硬度和光學(xué)性質(zhì)。非晶體在所有方向上具有相同的性質(zhì)。例子晶體包括鹽、糖和鉆石。非晶體包括玻璃、橡膠和塑料。晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變1加熱溫度升高2熔化晶體結(jié)構(gòu)破壞3冷卻快速冷卻4非晶體無(wú)規(guī)則排列加熱晶體，溫度升高會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)破壞，熔化成液體?？焖倮鋮s液體，原子來(lái)不及重新排列成有序的晶體結(jié)構(gòu)，形成非晶體。非晶體結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)則排列，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。晶體與非晶體的應(yīng)用晶體晶體廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域。例如，硅晶體是集成電路的關(guān)鍵材料，石英晶體用于制造手表、手機(jī)等電子設(shè)備。非晶體非晶體材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。例如，玻璃、塑料、橡膠等非晶體材料在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。其他應(yīng)用除了傳統(tǒng)應(yīng)用，晶體和非晶體材料在新型技術(shù)領(lǐng)域也具有巨大潛力。例如，納米晶體材料在生物醫(yī)藥、光伏等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。晶體材料的發(fā)展趨勢(shì)高性能材料例如：超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、激光材料，它們?cè)陔娮?、光學(xué)、能源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。多功能材料例如：智能材料、仿生材料、納米材料，它們具有多功能性，能滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。可持續(xù)材料例如：生物材料、可降解材料，它們更加環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展理念。材料設(shè)計(jì)例如：利用計(jì)算機(jī)模擬，設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)異的材料，為材料科學(xué)發(fā)展提供新的思路。非晶體材料的發(fā)展趨勢(shì)性能優(yōu)化非晶體材料的研究方向集中在提高其機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性等方面的性能。通過(guò)調(diào)節(jié)制備工藝，科學(xué)家們致力于開(kāi)發(fā)具有更優(yōu)異性能的非晶合金，例如高強(qiáng)度、高硬度、高韌性、耐高溫、抗氧化等。應(yīng)用拓展非晶體材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，例如在生物醫(yī)藥、能源材料、電子器件等領(lǐng)域，非晶體材料展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)家們不斷開(kāi)發(fā)其在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力，例如生物材料、催化劑、傳感器、電池、光伏等。未來(lái)發(fā)展展望新型晶體材料例如，拓?fù)浣^緣體、二維材料等，具有優(yōu)異的光電性能和量子效應(yīng)，在未來(lái)電子學(xué)、光學(xué)和信息存儲(chǔ)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。非晶材料例如，金屬玻璃、非晶合金等，具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、高磁導(dǎo)率等優(yōu)異特性，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)和能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。晶體與非晶體的協(xié)同發(fā)展例如，將晶體和非晶體材料進(jìn)行復(fù)合，可以實(shí)現(xiàn)材料性能的互補(bǔ)，開(kāi)發(fā)出具有更優(yōu)異性能的復(fù)合材料。人工智能人工智能技術(shù)可以用于材料設(shè)計(jì)、合成和表征，加速新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。課程小結(jié)晶體和非晶體兩種不同物質(zhì)狀態(tài)，展現(xiàn)不同性質(zhì)。結(jié)構(gòu)差異晶體原子排列有序，非晶體無(wú)序排列。應(yīng)用廣泛晶體材料在電子、光學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。未來(lái)展望新材料探索，推動(dòng)科技發(fā)展。參考文獻(xiàn)《固體物理學(xué)》楊福家等著《材料科學(xué)