人工晶体PPT课件.ppt

1、.1.2.3 你们所知道的你们所知道的晶体是从矿物晶体是从矿物学获得的。学获得的。矿物矿物是自然界中的化是自然界中的化学元素，在地质作用下所形成的学元素，在地质作用下所形成的天然单质或化合物天然单质或化合物; ;在一定的物在一定的物理化学范围内，具有相对固定的理化学范围内，具有相对固定的化学组成和内部结构化学组成和内部结构，是组成岩，是组成岩石和矿石的基本单元。石和矿石的基本单元。绝大多数绝大多数矿物都是矿物都是固态无机物，固态无机物，并且基本并且基本上是上是晶质矿物晶质矿物. .4(a)石英晶体石英晶体 (b)方解石晶体方解石晶体 图图 1 呈几何多面体外形的晶体呈几何多面体外形的晶体 .5

2、 在古代，人们把具有天然几何多面体外形在古代，人们把具有天然几何多面体外形的矿物称做为晶体的矿物称做为晶体( (典型的如石英典型的如石英) )。现在看。现在看来，这一认识是不准确的，至少是不全面的。来，这一认识是不准确的，至少是不全面的。 18 18世纪以来，人们已从理论上推断，晶世纪以来，人们已从理论上推断，晶体的几何外形是内部原子规则排列的结果。体的几何外形是内部原子规则排列的结果。2020世纪世纪X-X-射线方法的出现，揭示了晶体的真射线方法的出现，揭示了晶体的真正含义正含义-晶体内部具有格子状构造晶体内部具有格子状构造（图（图2 2）。）。证实了这一推断的正确性。证实了这一推断的正确性

3、。 格子状构造（空间格子）：格子状构造（空间格子）：晶体内部结晶体内部结构中质点在三维空间作格子状构中质点在三维空间作格子状 排列的几何图排列的几何图形。形。.6 现代晶体概念现代晶体概念：内部同种质点在三维空：内部同种质点在三维空间成周期性重复排列的固体。间成周期性重复排列的固体。 即即: :具有格子状构造的固体。这种固体具有格子状构造的固体。这种固体被称为：被称为：结晶质结晶质（图3a）。 晶体晶体：结晶质在空间的有限部分即为晶：结晶质在空间的有限部分即为晶体。体。 因此，现代人判定某种固体是否为因此，现代人判定某种固体是否为晶体，不是看其是否有规则的几何多面晶体，不是看其是否有规则的几何

4、多面体外形。而是要看其内部质点是否做有体外形。而是要看其内部质点是否做有规则的排列。规则的排列。 .7晶体的分布是广泛的，不只局限晶体的分布是广泛的，不只局限于矿物的范畴，如：白糖、钢铁、于矿物的范畴，如：白糖、钢铁、合金、陶瓷、大多数的固体化学药合金、陶瓷、大多数的固体化学药品等；也不只限于天然的，人工方品等；也不只限于天然的，人工方法合成的晶体也在其列。如：具有法合成的晶体也在其列。如：具有全部生物活力的蛋白质全部生物活力的蛋白质-结晶牛胰结晶牛胰岛素。因此，可以说，岛素。因此，可以说，只要是内部只要是内部具有格子状构造的固体，具有格子状构造的固体，无论其是无论其是否天然、人工，都可称其为

5、否天然、人工，都可称其为晶体晶体 。.8有些外形似晶体的物质有些外形似晶体的物质, ,如：玻璃、琥泊、玛瑙、松如：玻璃、琥泊、玛瑙、松香等，它们的内部质点不做香等，它们的内部质点不做规则排列（图规则排列（图3b3b）即：）即：不具不具有格子状构造，称其为非晶有格子状构造，称其为非晶质体。质体。 何谓何谓 .9 图图2 格子状构造格子状构造 图图 3 (a)石英石英SiO2晶体与晶体与(b)石英玻璃石英玻璃 的结构示意图的结构示意图(a)(b).10人类根据结晶物质的物理化学人类根据结晶物质的物理化学特性，在认识并掌握一般的生长规律的基特性，在认识并掌握一般的生长规律的基础上，采用多种单晶体生长

6、技术或方法以础上，采用多种单晶体生长技术或方法以及生长设备而生成或合成出的。及生长设备而生成或合成出的。 简单一句话：用人工的方法培养或合成出简单一句话：用人工的方法培养或合成出来的单晶体。来的单晶体。与天然晶体相比，它具有与天然晶体相比，它具有可控的生长规律和习性，可按照人们的意可控的生长规律和习性，可按照人们的意志在适当环境条件下，利用适当的设备，志在适当环境条件下，利用适当的设备，合成或生长出具有较高实用价值的晶体结合成或生长出具有较高实用价值的晶体结构，也可根据应用对象的性能需求，生长构，也可根据应用对象的性能需求，生长出满足特定应用要求的人工晶体来。出满足特定应用要求的人工晶体来。

7、.11 在此介绍一种新概念。在此介绍一种新概念。 类晶体类晶体：原子排列有序，但没有周期性。：原子排列有序，但没有周期性。它是一种固体。它是一种固体。 性性 质：质：硬度极高，摩擦系数低，有很硬度极高，摩擦系数低，有很高的抗腐蚀性，抗磨损性。高的抗腐蚀性，抗磨损性。 类晶体类晶体是1982年由美国能源部的埃姆斯实验室开发成功。这一发现，改变了固体只有晶体 + 非晶体的形式。.12.13 古时人造辰砂古时人造辰砂(HgS)(HgS)也称银朱、朱砂，也称银朱、朱砂，就是用就是用”气相沉积法气相沉积法”( (升炼升炼) )制备出的晶制备出的晶体，体，“炼丹术炼丹术”。 我国现代人工晶体材料的研究，始

8、于我国现代人工晶体材料的研究，始于上个世纪上个世纪5050年代中期，经历了一个从无到年代中期，经历了一个从无到有，从零星的实验研究，再到初具规模的有，从零星的实验研究，再到初具规模的产业迅速发展的过程，主要领先的领域有：产业迅速发展的过程，主要领先的领域有：1 1人造水晶人造水晶(S(Si i0 02 2) )， 2 2人造金刚石人造金刚石(C(C、S Si iC)C)，3 3人造宝石人造宝石(A1(A12 20 03 3) )， 4 4人造云母人造云母( (铁硅酸盐矿物铁硅酸盐矿物) )。 上述产品均已进入国际市场参与竞争。上述产品均已进入国际市场参与竞争。.14.15.16 图图3 晶体生

9、长与相关晶体学研究的相互关系晶体生长与相关晶体学研究的相互关系.17晶体生长分类晶体生长分类，按其生长单晶体时的，按其生长单晶体时的原料（母相）状态，可分为：原料（母相）状态，可分为：（一）、（一）、液相液相-1-1溶液；溶液；22熔体熔体 。（二）、（二）、气相气相（三）、（三）、固相固相（四）、（四）、薄膜技术薄膜技术，近年来，一种叫，近年来，一种叫 “成膜技术成膜技术”的生长方法在快速发展的生长方法在快速发展 。 .18（一）液相生长法（一）液相生长法【1 1】溶液生长】溶液生长将原料（溶质）溶解于溶剂中，使其将原料（溶质）溶解于溶剂中，使其保持过饱和，然后采取措施（蒸发、降温），使保持

10、过饱和，然后采取措施（蒸发、降温），使溶质在仔晶表面析出长成晶体。溶质在仔晶表面析出长成晶体。 ：容易生长出均匀良好的大块晶体；可在容易生长出均匀良好的大块晶体；可在远低于其熔点的温度下生长晶体，可直接观察晶远低于其熔点的温度下生长晶体，可直接观察晶体生长情况。体生长情况。 缺点：缺点：生长周期长，影响因素多，控温要求高。生长周期长，影响因素多，控温要求高。 【2】溶体生长】溶体生长 生长过程是先将固体加热熔化，通过生长过程是先将固体加热熔化，通过降温使熔体逐渐凝固成为固体。降温使熔体逐渐凝固成为固体。 生长速率快，纯度高，晶体完整性好。生长速率快，纯度高，晶体完整性好。 .19（二）气相生长

11、法（二）气相生长法采用蒸汽压较大的原料，在适当的条采用蒸汽压较大的原料，在适当的条件下使其蒸汽凝结成为晶体。件下使其蒸汽凝结成为晶体。适宜生长薄膜、晶须、板状晶体。适宜生长薄膜、晶须、板状晶体。：固态原料在异常的温度、压力下，使固态原料在异常的温度、压力下，使其内部晶体结构发生改变，形成新的固态物其内部晶体结构发生改变，形成新的固态物质。质。 如：如：碳-金刚石（1000-2000 C，5X1010MP） 石英-石英（573 C）。.20 人工晶体生长方法发展至今已有上百年的人工晶体生长方法发展至今已有上百年的历史，今天，凡是天然产出的晶体（历史，今天，凡是天然产出的晶体（33003300余种

12、余种）几乎都可以用人工的方法合成，并且还可以大几乎都可以用人工的方法合成，并且还可以大量培育出（几十类、几百种）天然不产出的新量培育出（几十类、几百种）天然不产出的新晶体。晶体。 虽然，自然界产出的晶体几乎都可以用人虽然，自然界产出的晶体几乎都可以用人工的方法合成，但这并不意味着晶体生长方法工的方法合成，但这并不意味着晶体生长方法和技术已达到了完善的地步，从某种意义上说，和技术已达到了完善的地步，从某种意义上说，还相差甚远，特别是用于各种高新技术领域中还相差甚远，特别是用于各种高新技术领域中的晶体材料，对质量的要求越来越高（如：半的晶体材料，对质量的要求越来越高（如：半导体材料，要求纯净度达导

13、体材料，要求纯净度达1313个个9%9%）。因此，）。因此， 对生产方法和技术也要不断进行深入研究。对生产方法和技术也要不断进行深入研究。 .21.22材料材料 A、金属金属材料材料 B、无机无机非金属材料非金属材料 D、复合复合材料材料 C、有机有机高分子材料高分子材料 按材料本身按材料本身的的性质性质分类分类 .23材料材料 .24 2 2、功能材料、功能材料( (特种材料特种材料) ) 由于材料本身由于材料本身( (或经特殊加工后或经特殊加工后) )，具有具有特殊的结构特殊的结构（如沸石的特殊孔道结（如沸石的特殊孔道结构可做分子筛；具层状结构的云母、石构可做分子筛；具层状结构的云母、石墨

14、）、墨）、性能性能（如某些矿物所特有的离子（如某些矿物所特有的离子交换性：高岭石）等，可以对外界物理交换性：高岭石）等，可以对外界物理的、化学的或生物的作用做出反应，从的、化学的或生物的作用做出反应，从而完成一种或多种物理的、化学的、生而完成一种或多种物理的、化学的、生物的等特定功能的材料。物的等特定功能的材料。.25.26 .271-2 晶体材料的主要种类晶体材料的主要种类国内有一知名学者曾说过这样一国内有一知名学者曾说过这样一句话句话“材料问题的核心是晶体的问题材料问题的核心是晶体的问题”（1997），此话给人以启发和深思。此话给人以启发和深思。研究晶体的性质或利用晶体制作研究晶体的性质或

15、利用晶体制作具有特异功能的器件，首要的物质条具有特异功能的器件，首要的物质条件就是要有件就是要有优质的单晶体材料优质的单晶体材料。晶体材料晶体材料：泛指在尖端科学技术：泛指在尖端科学技术中被广泛应用的单晶材料，一般应具中被广泛应用的单晶材料，一般应具有一系列的宝贵物理性能，并可交互有一系列的宝贵物理性能，并可交互和转换。它是功能材料的重要成员和转换。它是功能材料的重要成员。.28 晶体材料在功能材料中占有相当晶体材料在功能材料中占有相当重要的位置，由于它具有一系列宝贵重要的位置，由于它具有一系列宝贵的物理性能，如它能实现电、磁、力、的物理性能，如它能实现电、磁、力、光、声、热的交互作用和转换，

16、而使光、声、热的交互作用和转换，而使它成为现代科学技术中不可缺少的重它成为现代科学技术中不可缺少的重要材料。要材料。 以下介绍以下介绍1010种常见的晶体材料：种常见的晶体材料：.29 .30 最早的半导体晶体材料：最早的半导体晶体材料：锗锗(Ge)(Ge)单晶单晶（元素分散，（元素分散，原料来源十分有限，提取困难）；原料来源十分有限，提取困难）； 第一代半导体材料：第一代半导体材料：硅硅(Si)(Si)单晶单晶（原料丰富，器件原料丰富，器件稳定性好可获得高纯的硅材料）；稳定性好可获得高纯的硅材料）； 第二代半导体材料：第二代半导体材料：IIIIIIV V族化合物；族化合物； 砷化镓砷化镓(G

17、aAs)(GaAs)单晶；单晶； 磷化镓磷化镓(GaP)(GaP)单晶单晶 ； 第三代半导体材料：第三代半导体材料：三元、多元化合物单晶。三元、多元化合物单晶。 但是至今但是至今SiSi单晶单晶仍是半导体器件的基础材料仍是半导体器件的基础材料，处于主导地位（，处于主导地位（98%98%的半导体器件是由的半导体器件是由SiSi材料材料制造制造.2000.2000年硅单晶材料达年硅单晶材料达6060多亿平方英寸）。多亿平方英寸）。武汉大学经过武汉大学经过1010年的攻关，对半导体材料进行了深年的攻关，对半导体材料进行了深度开发，使其具有了新的功能度开发，使其具有了新的功能-“自洁玻璃”。.31压电

18、性压电性( (效应效应) )：通过机械作用的压缩，拉伸使晶体发：通过机械作用的压缩，拉伸使晶体发生极化，从而导致晶体表面产生异号电荷的现象。生极化，从而导致晶体表面产生异号电荷的现象。 一压，一张的相互作用，可使晶体产生一个交变电场。一压，一张的相互作用，可使晶体产生一个交变电场。并非所有的晶体都具有并非所有的晶体都具有这种压电效应，这种压电效应，压电性只有发生在压电性只有发生在不具有对称中心（不具有对称中心（C C）的晶体中。）的晶体中。 2. 2.电致伸缩电致伸缩：把具有压电性的晶体放在一个交变电场中，：把具有压电性的晶体放在一个交变电场中，它就会产生一伸一缩的机械振动，这种效应叫：它就会

19、产生一伸一缩的机械振动，这种效应叫：电致伸缩。电致伸缩。 当交变电场的频率和压电晶体本身振动的频率相一致当交变电场的频率和压电晶体本身振动的频率相一致时，就会产生特别强的共振现象。时，就会产生特别强的共振现象。 .32.33.34.35在基质晶体中掺入激活离子，以它作为在基质晶体中掺入激活离子，以它作为“发光中发光中心心”。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为。它可决定激光发射的波长，基质晶体作为“载体载体”，为其提供合适的为其提供合适的“晶格场晶格场”。常用的激活离子：常用的激活离子：a a、过渡金属离子：、过渡金属离子：(Cr(Cr3+3+) ) b b、二、三价稀土离子：、二、三价稀土离

20、子：NdNd3+3+、DyDy2+2+ C C、锕系离子：、锕系离子：U U3+3+输输 出出 波波 长：紫外长：紫外( (0.170.17m)-m)-中红外中红外( (5.155.15m) m) 如：红宝石如：红宝石(A1(A12 20 03 3：CrCr3+3+) ) 钛宝石钛宝石(A1(A12 20 03 3：TiTi3+3+) ) 掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(YAG(YAG：NdNd3+3+) ).36.37.38.39.40.41.42.43.44.45.46 （四）应用（四）应用 光通讯，光开光，大屏幕显示，光通讯，光开光，大屏幕显示，光存储，光雷达，光计算机等新光存储，光雷达，

21、光计算机等新技术，剧场，广场的灯光效果。技术，剧场，广场的灯光效果。.47八、声光晶体八、声光晶体 ( (一一) )声光效应声光效应 光波和声波同时作用到晶体光波和声波同时作用到晶体上，在一定条件下，声波与光上，在一定条件下，声波与光波之间相互作用，从而控制诸波之间相互作用，从而控制诸如：光束传播方向，强度和频如：光束传播方向，强度和频率的变化等。此为声光效应。率的变化等。此为声光效应。.48( (二二) )声光晶体声光晶体 具有声光效应的晶体。当超声波通具有声光效应的晶体。当超声波通过声光晶体时，就会在晶体中产生随过声光晶体时，就会在晶体中产生随时间变化的压缩和膨胀区域，使晶体时间变化的压缩

22、和膨胀区域，使晶体折射率发生周期性变化，形成由超声折射率发生周期性变化，形成由超声导致的折射光栅。当光通过这样的晶导致的折射光栅。当光通过这样的晶体时，将受到光栅的衍射，产生声光体时，将受到光栅的衍射，产生声光相互作用。相互作用。.49 ( (三三) )种类种类 (1) (1)钼酸铅钼酸铅(PbM00(PbM004 4) )、(2)(2)锗酸铋锗酸铋(Bi(Bi1212Be0Be02 20)0)、(3)(3)氧化碲氧化碲(Ye0(Ye02 2) ) ( (四四) )晶体要求晶体要求 晶体材料光弹系数高，折射率大，晶体材料光弹系数高，折射率大，声速小，波段宽，导热率高。声速小，波段宽，导热率高。

23、 ( (五五) )应用应用高速激光印刷系统，激光雷达，光信息高速激光印刷系统，激光雷达，光信息处理，光计算机等。处理，光计算机等。.50九、硬质晶体九、硬质晶体 ( (一一) )对晶体的要求对晶体的要求 摩氏硬度摩氏硬度H9H9的晶体。的晶体。 这样的晶体一般熟知的是金刚石这样的晶体一般熟知的是金刚石(C)(C)。 天然金刚石极其稀少，天然金刚石极其稀少，19541954年美国通用电气公司首次年美国通用电气公司首次利用高温超高压技术将石墨合成出第一颗金刚石。利用高温超高压技术将石墨合成出第一颗金刚石。 此外尚有：此外尚有：刚玉刚玉(A1(A12 20 03 3) )；立方氧化锆；立方氧化锆(Z

24、rO)(ZrO)；立方氮；立方氮化硼化硼(BN)(BN)等。等。( (二二) )应用应用 1 1、单晶金刚石、单晶金刚石 用于表镶钻头，砂轮修正笔，硬度计的压硬头，车刀，用于表镶钻头，砂轮修正笔，硬度计的压硬头，车刀，航空仪表上的抗震支撑轴，激光器窗口，贵重饰品等。航空仪表上的抗震支撑轴，激光器窗口，贵重饰品等。.512 2、多晶金刚石、多晶金刚石 用于制作加工工具，磨料，抛光粉等。用于制作加工工具，磨料，抛光粉等。3 3、金刚石复合材料、金刚石复合材料 利用金刚石的高硬度，高耐磨性，在利用金刚石的高硬度，高耐磨性，在高温，高压条件制成超硬复合材料。高温，高压条件制成超硬复合材料。用于工具磨料

25、切削工具材料等。用于工具磨料切削工具材料等。 .52十、液晶十、液晶 液晶的名称大家并不生疏，一些高科液晶的名称大家并不生疏，一些高科技电子产品并不少见，但多用于显示，技电子产品并不少见，但多用于显示，如液晶电视，液晶电脑，液晶计算器，如液晶电视，液晶电脑，液晶计算器，甚至电饭锅都可见到它的影子。甚至电饭锅都可见到它的影子。 从晶体学上讲，它是介于液体与晶体从晶体学上讲，它是介于液体与晶体的中间状态，即不是液体，也不是固体，的中间状态，即不是液体，也不是固体，属准晶态。属准晶态。.53 2020世纪世纪7070年代年代，液晶的一系列优良的物理，液晶的一系列优良的物理效应效应( (如电光，热光等

26、如电光，热光等) )才引起人们的注意。才引起人们的注意。发展至今虽有发展至今虽有100100余年余年的历史，但是发展速的历史，但是发展速度很快，现在的电视、电脑的显示器基本度很快，现在的电视、电脑的显示器基本上开始更新换代为液晶显示。上开始更新换代为液晶显示。 主要用途主要用途：数字或图象显示，大屏幕彩色：数字或图象显示，大屏幕彩色显示等。显示等。 优点：优点：对比度清晰，分辨率高，可以彩色对比度清晰，分辨率高，可以彩色显示，有良好的热稳定性，耗能低。基于显示，有良好的热稳定性，耗能低。基于以上的优点，而广泛应用于工业生产家电以上的优点，而广泛应用于工业生产家电产品，工业电子产品等。产品，工业

27、电子产品等。.54 除了上述所列举的各种类型的晶体材除了上述所列举的各种类型的晶体材料外，还有诸如：料外，还有诸如：磁性晶体，绝缘晶磁性晶体，绝缘晶体，敏感晶体，超导晶体体，敏感晶体，超导晶体等等，限于等等，限于课时，此不能一一赘叙。课时，此不能一一赘叙。 科学技术的飞速发展，促使晶体材料科学技术的飞速发展，促使晶体材料的研究和应用范围也在不断拓新，新的研究和应用范围也在不断拓新，新的研究领域，新的研究课题，仍在不的研究领域，新的研究课题，仍在不断涌现断涌现。.55第二章第二章 晶体生长的基本规律晶体生长的基本规律 在上一章中我们已经知道了什么在上一章中我们已经知道了什么是晶体，什么是类晶体、

28、液晶等。是晶体，什么是类晶体、液晶等。然而，晶体是怎样形成的然而，晶体是怎样形成的? ? 它在生它在生长过程中是遵循怎样的规律？这将长过程中是遵循怎样的规律？这将是本章要讨论的问题。是本章要讨论的问题。 .562-1 结晶作用方式与过程结晶作用方式与过程.57 下一章讲授.58实际晶体外形实际晶体外形= =成分成分+ +结构结构+ +环境环境 (决定晶体实际外形的三要素)对于同种晶体而言，其外形虽可对于同种晶体而言，其外形虽可千差万别，千差万别，但对应晶面的夹角则但对应晶面的夹角则始终保持不变始终保持不变（图2-1示），即遵即遵守面角守恒定律守面角守恒定律（后续课程讲）.59 图图2-1不同形

29、态的正长石晶体其对应晶面夹角恒定的图示不同形态的正长石晶体其对应晶面夹角恒定的图示（上图（上图-体视图，下图体视图，下图-切面图）切面图） .60 简言之，简言之，形成晶体的过程，就形成晶体的过程，就称为结晶作用。称为结晶作用。前已叙及，前已叙及，形成晶体的过程，形成晶体的过程，也就是原来不结晶的物质，在一定也就是原来不结晶的物质，在一定的物理化学条件的物理化学条件( (温度，压力，组温度，压力，组分浓度分浓度) )下转变为结晶质的过程。下转变为结晶质的过程。.61 .62 1 1由气体结晶由气体结晶。如：火山喷出的含。如：火山喷出的含S S气体，气体，在火山口附近因温度降低而结晶析出在火山口

30、附近因温度降低而结晶析出硫黄硫黄晶体。晶体。 2 2从溶体从溶体( (溶液或熔融体溶液或熔融体) )中结晶中结晶。如：盐。如：盐湖中因蒸发作用，使溶液达到过饱和而结湖中因蒸发作用，使溶液达到过饱和而结晶析出晶析出石盐，硼砂石盐，硼砂晶体。晶体。 3 3由固态的非晶质由固态的非晶质 结晶质结晶质。如：火山。如：火山玻璃，经过漫长的地质年代，发生脱玻化，玻璃，经过漫长的地质年代，发生脱玻化，而最终形成结晶质的而最终形成结晶质的- - -石髓石髓等矿物。等矿物。 4 4由一种晶体由一种晶体 另一种晶体另一种晶体（也称再结（也称再结晶作用）。晶作用）。.632-2 晶体的发生与成长过程晶体的发生与成长

31、过程 由于一切晶体都是具有由于一切晶体都是具有格子构格子构造的固体造的固体，因此，晶体的发生，因此，晶体的发生和成长过程，应该是和成长过程，应该是质点按空质点按空间格子规律进行规则排列，堆间格子规律进行规则排列，堆积的过程。积的过程。.64 一、晶体的发生一、晶体的发生 这里只考虑在理想条件下从这里只考虑在理想条件下从液相中液相中结晶的过程。结晶的过程。 当熔体达到当熔体达到过冷却过冷却，或溶液达到，或溶液达到过过饱和饱和时，作为第一步，液体中相应组时，作为第一步，液体中相应组分的质点，将会按照格子构造形式首分的质点，将会按照格子构造形式首先聚合成一些达到一定大小，但实际先聚合成一些达到一定大

32、小，但实际上仍是极其微小的上仍是极其微小的微晶粒微晶粒，称为，称为晶芽晶芽或晶核或晶核。在以后的结晶过程中，它们。在以后的结晶过程中，它们将成为晶体成长的将成为晶体成长的结晶中心结晶中心，即，即质点质点 将围绕它堆积。将围绕它堆积。 .65 质点在堆积过程中有一种质点在堆积过程中有一种现象或规律现象或规律： 如果如果：熔体的温度下降的过快，或溶液：熔体的温度下降的过快，或溶液的浓度增加的过快时。的浓度增加的过快时。则：则：产生的晶芽数产生的晶芽数目就多，反之，就少。目就多，反之，就少。 上述这种晶芽是上述这种晶芽是自发形成的：称自发晶芽。自发形成的：称自发晶芽。 如果如果:晶芽是外来的某种物质

33、晶芽是外来的某种物质，称非自发，称非自发 晶芽。晶芽。 人工晶体培养中，通常要先放入与人工晶体培养中，通常要先放入与熔质熔质相同的晶粒（称为籽晶）作为晶芽，相同的晶粒（称为籽晶）作为晶芽，以它以它为为生长中心晶体缓慢涨大生长中心晶体缓慢涨大，它是一种巨，它是一种巨 大的大的非自发晶芽非自发晶芽。.66二、晶体的理想生长过程二、晶体的理想生长过程 晶芽形成以后，下一步就是溶液或熔体中晶芽形成以后，下一步就是溶液或熔体中的质点按照格子构造规律不断地堆积到晶的质点按照格子构造规律不断地堆积到晶芽上去，使晶芽得以成长。芽上去，使晶芽得以成长。 在理想条件下，质点的堆积将按一定的在理想条件下，质点的堆积

34、将按一定的顺序进行。当质点堆积到晶芽的不同位置顺序进行。当质点堆积到晶芽的不同位置上去时，所受到的引力是有差异的，此时，上去时，所受到的引力是有差异的，此时，质点将优先堆积到对它吸引最强的位置上质点将优先堆积到对它吸引最强的位置上去，以便释放出尽可能多的能量，从去，以便释放出尽可能多的能量，从 而使晶体内能达到最小。而使晶体内能达到最小。 .67 假设晶芽为单种原子组成的假设晶芽为单种原子组成的立方体格子立方体格子(见图2-2)。其相邻质其相邻质点间距为点间距为a a0 0，在此，存在，在此，存在3 3种可种可能的位置。能的位置。1 1，2 2，3 3 分别称之：分别称之：三面凹角，两面凹角，

35、一般位三面凹角，两面凹角，一般位置，置，每种位置都有不等的若干每种位置都有不等的若干个邻近的质点吸引它。个邻近的质点吸引它。.68图图2-2 晶体理想生长过程中质点堆积晶体理想生长过程中质点堆积 顺顺 序图解序图解.69 物理学知识表明，物理学知识表明，引力与距离的平方成引力与距离的平方成反比，反比，因此可知，当质点向晶芽堆积时，因此可知，当质点向晶芽堆积时，将优先落到将优先落到l l位置位置，其次为，其次为2 2位置位置，最后才，最后才是是3 3位置位置。 当一个质点堆积到当一个质点堆积到1 1位位后，三面凹角并不后，三面凹角并不消失，而只是向前移动了一个位置，如此消失，而只是向前移动了一个

36、位置，如此逐步向前移动，直到整个行列被堆满之后，逐步向前移动，直到整个行列被堆满之后，三面凹角才消失。此时质点将在任一两面三面凹角才消失。此时质点将在任一两面凹角位置堆积，而且一旦堆上一个以上后，凹角位置堆积，而且一旦堆上一个以上后，立即导致三面凹角的又出现，一直到该行立即导致三面凹角的又出现，一直到该行列全被堆满后它才再消失，如此反复，不列全被堆满后它才再消失，如此反复，不断向外推移，直到堆满该层面网为止。断向外推移，直到堆满该层面网为止。 .70 此时，此时，3 3、2 2 面凹角都消失，质点面凹角都消失，质点只能堆积到一般位置上，但一旦堆积只能堆积到一般位置上，但一旦堆积上后，接着就会出

37、现二面凹角，随后上后，接着就会出现二面凹角，随后又出现三面凹角。于是，如此重复上又出现三面凹角。于是，如此重复上述过程。述过程。 简要总结，晶体的理想成长过程是：简要总结，晶体的理想成长过程是：在晶芽的基础上先长满一层面网，再在晶芽的基础上先长满一层面网，再长相邻的一层，逐层向外平行推移。长相邻的一层，逐层向外平行推移。当生长停止时，其最外层的面网即为当生长停止时，其最外层的面网即为实际晶面。实际晶面。.71 每两个相邻面网相交的公共行列为每两个相邻面网相交的公共行列为一晶棱，整个晶体则为晶面所包围而一晶棱，整个晶体则为晶面所包围而形成占有一定空间的形成占有一定空间的封闭几何多面体封闭几何多面

38、体- - -结晶多面体结晶多面体 上述结论是以晶芽由一个上述结论是以晶芽由一个单种原子单种原子所组成的立方体格子所组成的立方体格子为前提而导出的。为前提而导出的。实际晶体大多数并非如此理想，而且实际晶体大多数并非如此理想，而且化合物晶体中还必须考虑到质点间的化合物晶体中还必须考虑到质点间的静电作用力。但这些并不影响最终结静电作用力。但这些并不影响最终结论的普遍意义。论的普遍意义。.72.73图图2-3：面网密度小的晶面：面网密度小的晶面优先生长图解优先生长图解 图图2-4：生长速度快的晶面在：生长速度快的晶面在生长过程中逐渐被淹没的示意图。生长过程中逐渐被淹没的示意图。 .74 由图分析可以导

39、出这样的结果：面网密由图分析可以导出这样的结果：面网密度小的面，其面网间距也小，从而相邻面度小的面，其面网间距也小，从而相邻面网间的引力就大，因此将优先生长；反之，网间的引力就大，因此将优先生长；反之，面网密度越大，相应的面网间距也越大，面网密度越大，相应的面网间距也越大，面网间的引力就越小，也就是不利于质点面网间的引力就越小，也就是不利于质点堆积，成长最慢。于是可以得出如下结论：堆积，成长最慢。于是可以得出如下结论： 在一个晶体上，在一个晶体上，各晶面间的相对生长速各晶面间的相对生长速度与它们本身面网密度大小成反比。即：度与它们本身面网密度大小成反比。即：面网密度越大的晶面，其生长速度越慢，

40、面网密度越大的晶面，其生长速度越慢，反之则快。反之则快。 .75 由图由图2-42-4可以看到，面网密度小的晶面由于可以看到，面网密度小的晶面由于其生长速度快，在晶体成长过程中，其面积将逐其生长速度快，在晶体成长过程中，其面积将逐渐缩小，而最终被面网密度大的相邻晶面所淹没。渐缩小，而最终被面网密度大的相邻晶面所淹没。因此，得以继续扩大成长的晶面一般都是面网密因此，得以继续扩大成长的晶面一般都是面网密度大的晶面。度大的晶面。 布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的布拉维法则：实际晶体往往为面网密度大的晶面所包围。晶面所包围。 应当说明：以上的讨论，只是从格子构造的应当说明：以上的讨论，只是从格子

41、构造的几何因素出发，而根本没有考虑键力的因素。几何因素出发，而根本没有考虑键力的因素。.76 如果考虑到键力因素，并基于如果考虑到键力因素，并基于类似的原理，可以得出以下结论：类似的原理，可以得出以下结论： 面网内部质点间的键力很强，面网内部质点间的键力很强，而面网间的键力很弱的面网，将而面网间的键力很弱的面网，将具有很小的晶面生长速度。具有很小的晶面生长速度。 实际上，这样的面网也都是密实际上，这样的面网也都是密度大的面网，因此，并不影响布度大的面网，因此，并不影响布拉维法则得出的结论。拉维法则得出的结论。 .77 对布拉维法则的讨论是对布拉维法则的讨论是以大大简化了的条件为前提的，根本没有

42、以大大简化了的条件为前提的，根本没有考虑环境因素考虑环境因素( (P P、T T、组份浓度、杂质、涡、组份浓度、杂质、涡流等流等) )对晶面生长速度的影响。因此，实际对晶面生长速度的影响。因此，实际上必然会出现许多偏离布拉维法则的现象。上必然会出现许多偏离布拉维法则的现象。 另外，晶体在整个生长过程中，外界条另外，晶体在整个生长过程中，外界条件也在不断变化，有的晶面被淹没以后，件也在不断变化，有的晶面被淹没以后，又可以重新长出来，如此等等。但是布拉又可以重新长出来，如此等等。但是布拉维法则总的来说是维法则总的来说是符合实际的，基本上是符合实际的，基本上是有效的有效的。.78 生长锥：就是晶体在

43、生长过程中，晶面移动生长锥：就是晶体在生长过程中，晶面移动的轨迹。的轨迹。 既：既：晶面间相对生长速度的变化，可以从晶晶面间相对生长速度的变化，可以从晶体生长锥的形状上反映出来体生长锥的形状上反映出来。 生长锥表现为，以晶核的中心为角顶，以最生长锥表现为，以晶核的中心为角顶，以最外层晶面为底的棱锥体外层晶面为底的棱锥体(图2-5)。实际晶体的生长。实际晶体的生长锥，可以根据锥体内部的颜色，所含杂质的分布锥，可以根据锥体内部的颜色，所含杂质的分布等方面的不同观察到。由于不同面网的性质不同，等方面的不同观察到。由于不同面网的性质不同，所以它吸附杂质等方面的本领也有差异。这种差所以它吸附杂质等方面的

44、本领也有差异。这种差异可以从晶体生长锥的形状上反映出来。异可以从晶体生长锥的形状上反映出来。 .79 图图2-5 生长锥。（生长锥。（a）.为体视图为体视图 （b）.为横切面图为横切面图 （a） （b） .80（C）.石英晶体的生长环带（为横切面图）石英晶体的生长环带（为横切面图）.81 当许多晶体，在一定的有限空间内生长时，当许多晶体，在一定的有限空间内生长时，并不是每个晶体都能充分长大，并不是每个晶体都能充分长大，只有那些最只有那些最大生长速度方向与基底平面垂直的晶体大生长速度方向与基底平面垂直的晶体才能才能继续生长。这一现象继续生长。这一现象所说明的问题，就是所所说明的问题，就是所谓的谓

45、的几何淘汰律几何淘汰律。 由于几何淘汰律所致，得以长大的那些晶由于几何淘汰律所致，得以长大的那些晶体，最后将使它们的最大生长速度方向相互体，最后将使它们的最大生长速度方向相互平行成平行成“梳齿状梳齿状”(图25)。.82 图图2-5几何淘汰律的示意图几何淘汰律的示意图.（a）.天然生长的晶体天然生长的晶体(b).烧杯中生长的晶体烧杯中生长的晶体（a） (b)（a） (b)（a） (b) .83 根据对大量实际晶体测量的结果，根据对大量实际晶体测量的结果，16691669年丹麦学者发现并从中总结出了一条规律。年丹麦学者发现并从中总结出了一条规律。 面角恒等定律面角恒等定律：同种晶体之间，其对应：

46、同种晶体之间，其对应晶面间夹角恒等晶面间夹角恒等（见图（见图22-122-1）。）。 面角面角：晶面法线间的夹角，其数值等于：晶面法线间的夹角，其数值等于相应晶面间实际夹角的补角。实际夹角守相应晶面间实际夹角的补角。实际夹角守恒，面角当然守恒。恒，面角当然守恒。.84 天然晶体在生长过程中，不可避免地要天然晶体在生长过程中，不可避免地要受到外界环境因素的影响。因此，同种晶受到外界环境因素的影响。因此，同种晶体在不同个体上往往表现为，体在不同个体上往往表现为，晶面数目经晶面数目经常有多有少，晶面的形状，大小各异，导常有多有少，晶面的形状，大小各异，导致各个个体的晶体形状迥然不同致各个个体的晶体形

47、状迥然不同(图2-6)，但它们都遵守但它们都遵守面角守恒定律面角守恒定律。 面角守恒定律是在面角守恒定律是在1717世纪下半叶总结得世纪下半叶总结得出的晶体所固有的规律。它使人们得以根出的晶体所固有的规律。它使人们得以根据面角关系来恢复出晶体理想形状，从而据面角关系来恢复出晶体理想形状，从而奠定了奠定了几何结晶学几何结晶学的基础。的基础。.852-4 晶体生长速度对实际晶体的影响晶体生长速度对实际晶体的影响 晶体生长速度是晶体上各晶面生长速度的总晶体生长速度是晶体上各晶面生长速度的总和，它对实际晶体的形状，大小及纯度都有显著和，它对实际晶体的形状，大小及纯度都有显著影响。影响。 快速生长的晶体

48、，经常发育成细长的柱状、快速生长的晶体，经常发育成细长的柱状、针状、鳞片状的集合体，有时甚至生长成特殊形针状、鳞片状的集合体，有时甚至生长成特殊形状的骸晶。状的骸晶。 如果晶体在近于平衡状态下生长，生长速度如果晶体在近于平衡状态下生长，生长速度较缓慢，一般情况下可获得较完整的多面体晶体。较缓慢，一般情况下可获得较完整的多面体晶体。.86 晶体快速生长时，在结晶的母体中形成较晶体快速生长时，在结晶的母体中形成较多的结晶中心多的结晶中心( (晶核晶核) )，而且结晶作用是在短，而且结晶作用是在短时间內完成的，所以，生长出的晶体数量多，时间內完成的，所以，生长出的晶体数量多，个体小，常形成不规则的粒

49、状集合体。个体小，常形成不规则的粒状集合体。 如果结晶作用进行的比较缓慢，在生长过如果结晶作用进行的比较缓慢，在生长过程中，由于晶核之间相互吞并，几何淘汰，程中，由于晶核之间相互吞并，几何淘汰，因此生出的晶体少，晶形也较完整，而且个因此生出的晶体少，晶形也较完整，而且个体也较粗大体也较粗大。.87 晶体生长速度较快时，常常将晶体所在母晶体生长速度较快时，常常将晶体所在母体中的其他物质包裹在其中，而形成包裹体，体中的其他物质包裹在其中，而形成包裹体，有的掺杂在晶体构造中，难以得到高纯度的有的掺杂在晶体构造中，难以得到高纯度的理想晶体。晶体缓慢生长具有排杂作用，易理想晶体。晶体缓慢生长具有排杂作用

50、，易得到高纯度的晶体。得到高纯度的晶体。 有些要求高的晶体，要连续生长几个月才有些要求高的晶体，要连续生长几个月才能得到几个能得到几个mmmm大小的晶体。大小的晶体。 .88 第三章第三章 晶体的不完整性晶体的不完整性 在学习矿物学时我们已经知道，晶在学习矿物学时我们已经知道，晶体的基本特征是：质点体的基本特征是：质点( (原子、离子、原子、离子、分子分子) )的规则排列，整个晶体的结构可的规则排列，整个晶体的结构可以看成是：以看成是：由同种质点在三度空间周由同种质点在三度空间周期性地平移重复而构成。期性地平移重复而构成。 然而，这只是理想的晶体，或称为完然而，这只是理想的晶体，或称为完整的晶