第1章 晶体学基础及材料性能
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第1章 晶体学基础及材料 性能
1.1 晶体特征
1.自范性(自限性) 晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发地成 长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它 与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。
人工水晶
天然绿柱石
百度文库
2.均一性 晶体不同区域的结构、成分、透光率、微观 组成等性质相同。 可以这样理解：一块大晶体，从上面任意取
斥晶体在某几个特定的方向可以是异向同性的。晶体
的宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现象称为
晶体的对称性。
晶体的对称性反映在晶体的几何外形和物理性质两
个方面。实验表明，晶体的许多物理性质都与其几何
外形的对称性相关。
5.最小内能 实验表明：从气态、液态或非晶态过渡到晶体时 都要放热，反之，从晶态转变为非晶态、 液态或气态时都有要吸热。表明：在相同的热力 学条件下，与同种化学成分的气体、液体或 非晶体相比，晶体的内能最小。即在相同的热力 学条件下，以具有相同化学成分的晶体与非 晶体相比，晶体是稳定的，非晶体是不稳定的， 后者有自发转变为晶体的趋势。
6.固定熔点
晶体具有固定的熔点。当加热晶体到某一特定的
温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度 不变，直至晶体全部熔化后，温度才又开始上升。 石英的熔点是1470℃，硅单晶的熔点是1420℃。 反之，玻璃等非晶体在加热过程中，先出现整个 固体变软，然后逐渐熔化为液体，也就是说，他们 没有固定的熔点，而只是在某一温度范围内发生软
点缺陷分类
弗仑克系缺陷 2、根据缺陷产生的原因分为： 肖特基缺陷
（1）热缺陷
由于晶格上，原子的热运动有一部分能量较 大的离开正市位置进入间隙，变成填隙原子，并在 原来位置上留下一个空位，生成后成弗仑克系缺陷 ，或正市格点上原子迁移到晶格表面，在晶格内部 正市格点上留下空位，生成肖特基缺。
体缺陷
在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空 洞，气泡等。
1.5 导体、半导体和绝缘体
导体
在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能 量，集体定向流动形成电流。 绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场 的能量，所以形不成电流。 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间。
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能带
• 晶体是原子有序堆积而成的以至于可以将所形成 的分子轨道的能级看成是准连续的，即能带。
两块模样相同的小晶体，它们是完全一样的。
3.各向异性
晶体的物理性质随观测方向而变化的现象称
为各向异性。晶体的很多性质表现为各向异
性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热
学性质等。
例如：石墨的电导率，当我们沿晶体不同方 向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导 率数值也不同的结果。
4.对称性
晶体的宏观性质一般说来是各向异性的，但并不排
离子键
离子键
熔沸点较高；硬度较大； 所有离子化合物：强碱、大部分
固体不导电；熔融态导电
盐、大部分金属氧化物等
原子 晶体 金属 晶体
共价键
共价键
熔沸点很高；硬度大； 不导电 熔沸点和硬度差距较大； 固体和熔融态均导电
金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧 化硅
金属键
金属键
金属
1.3 晶体结构
典型金属晶体结构
典型非金属晶体结构
典型离子晶体结构
典型共价晶体结构
1.4 晶体缺陷
晶体缺陷类型
点缺陷：空位、间隙原子、杂质原子
线缺陷：刃型位错、螺旋位错
面缺陷：表面、界面和堆垛层错 体缺陷：镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等
点缺陷
1.按形态分：
填隙原子 原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置 空位 正常结点没能被原子或离子所占据 杂质原子 外来原子进入晶格，杂质取代原来的原子进入正常 位置或进入间隙
LOGO
化，这个范围称为软化区。
1.2 化学键与晶体
化学键分类
离子键 偏移：极性键 根据共用电子对是否偏移 不偏移：非极性键 化学键 共价键 共用电子对的来源 单方提供：配位键（如 NH4+、H3O+） ，实为一种特殊的共价键 双方提供：共价键
金属键：金属阳离子与自由电子之间的相互作用，存在于金属单质、金属晶体中
能带结构示意图
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称最高的满带为价带 最低的空带为导带 价带与导带之间为禁带。 电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导 带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为载流子。 对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金 属，价带是满带，但禁带宽度为零； 绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价 带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～ 1.5电子伏，绝缘体的禁带宽度从1.5～1.0电子伏。
线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷， 其特征是两个方向尺寸上很小另外两个方向延伸 较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错，由 晶体中原子平面的错动引起。位错从几何结构可 分为两种：刃型位错和螺型位错。
堆垛层错
是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。 它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某 二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面 （称为层错面）两侧附近原子的错误排布。
注：肖特基缺陷是成对产生的。 此两类缺陷作为基本的热缺陷类型，且缺 陷浓度随温度上升而成指数上升。 （2）杂质缺陷
外来原子进入晶格而产生。
（3）非化学计量结构缺陷 一些化合物基化学组成会明显随周围气氛性质和 压力的大小的变化而将生偏离，化学计量组成的 现象，一些半导体如几型P型半半体就是如此形成 的。
分子晶体、离子晶体、金属晶体
晶体 类型 分子 晶体
构成粒子
晶体中粒子间 状 态 变 化 时 破 的作用力 坏的作用力
物理通性
典型实例
分子 阴、阳离子
范德华力
范德华力
熔沸点低；硬度小； 固体和熔融态不导电
多数非金属单质及氧化物、稀有 气体、非金属氢化物
离子
无单个分子
晶体
原子 无单个分子 金属阳离子、 自由电子
1.1 晶体特征
1.自范性(自限性) 晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发地成 长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它 与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。
人工水晶
天然绿柱石
百度文库
2.均一性 晶体不同区域的结构、成分、透光率、微观 组成等性质相同。 可以这样理解：一块大晶体，从上面任意取
斥晶体在某几个特定的方向可以是异向同性的。晶体
的宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现象称为
晶体的对称性。
晶体的对称性反映在晶体的几何外形和物理性质两
个方面。实验表明，晶体的许多物理性质都与其几何
外形的对称性相关。
5.最小内能 实验表明：从气态、液态或非晶态过渡到晶体时 都要放热，反之，从晶态转变为非晶态、 液态或气态时都有要吸热。表明：在相同的热力 学条件下，与同种化学成分的气体、液体或 非晶体相比，晶体的内能最小。即在相同的热力 学条件下，以具有相同化学成分的晶体与非 晶体相比，晶体是稳定的，非晶体是不稳定的， 后者有自发转变为晶体的趋势。
6.固定熔点
晶体具有固定的熔点。当加热晶体到某一特定的
温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度 不变，直至晶体全部熔化后，温度才又开始上升。 石英的熔点是1470℃，硅单晶的熔点是1420℃。 反之，玻璃等非晶体在加热过程中，先出现整个 固体变软，然后逐渐熔化为液体，也就是说，他们 没有固定的熔点，而只是在某一温度范围内发生软
点缺陷分类
弗仑克系缺陷 2、根据缺陷产生的原因分为： 肖特基缺陷
（1）热缺陷
由于晶格上，原子的热运动有一部分能量较 大的离开正市位置进入间隙，变成填隙原子，并在 原来位置上留下一个空位，生成后成弗仑克系缺陷 ，或正市格点上原子迁移到晶格表面，在晶格内部 正市格点上留下空位，生成肖特基缺。
体缺陷
在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空 洞，气泡等。
1.5 导体、半导体和绝缘体
导体
在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能 量，集体定向流动形成电流。 绝缘体 在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场 的能量，所以形不成电流。 半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间。
26
能带
• 晶体是原子有序堆积而成的以至于可以将所形成 的分子轨道的能级看成是准连续的，即能带。
两块模样相同的小晶体，它们是完全一样的。
3.各向异性
晶体的物理性质随观测方向而变化的现象称
为各向异性。晶体的很多性质表现为各向异
性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热
学性质等。
例如：石墨的电导率，当我们沿晶体不同方 向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导 率数值也不同的结果。
4.对称性
晶体的宏观性质一般说来是各向异性的，但并不排
离子键
离子键
熔沸点较高；硬度较大； 所有离子化合物：强碱、大部分
固体不导电；熔融态导电
盐、大部分金属氧化物等
原子 晶体 金属 晶体
共价键
共价键
熔沸点很高；硬度大； 不导电 熔沸点和硬度差距较大； 固体和熔融态均导电
金刚石、晶体硅、碳化硅、二氧 化硅
金属键
金属键
金属
1.3 晶体结构
典型金属晶体结构
典型非金属晶体结构
典型离子晶体结构
典型共价晶体结构
1.4 晶体缺陷
晶体缺陷类型
点缺陷：空位、间隙原子、杂质原子
线缺陷：刃型位错、螺旋位错
面缺陷：表面、界面和堆垛层错 体缺陷：镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等
点缺陷
1.按形态分：
填隙原子 原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置 空位 正常结点没能被原子或离子所占据 杂质原子 外来原子进入晶格，杂质取代原来的原子进入正常 位置或进入间隙
LOGO
化，这个范围称为软化区。
1.2 化学键与晶体
化学键分类
离子键 偏移：极性键 根据共用电子对是否偏移 不偏移：非极性键 化学键 共价键 共用电子对的来源 单方提供：配位键（如 NH4+、H3O+） ，实为一种特殊的共价键 双方提供：共价键
金属键：金属阳离子与自由电子之间的相互作用，存在于金属单质、金属晶体中
能带结构示意图
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称最高的满带为价带 最低的空带为导带 价带与导带之间为禁带。 电子可以从价带激发到导带，价带中产生空穴，导 带中出现电子，空穴和电子都参与导电成为载流子。 对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金 属，价带是满带，但禁带宽度为零； 绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价 带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～ 1.5电子伏，绝缘体的禁带宽度从1.5～1.0电子伏。
线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷， 其特征是两个方向尺寸上很小另外两个方向延伸 较长，也称一维缺陷，集中表现形式是位错，由 晶体中原子平面的错动引起。位错从几何结构可 分为两种：刃型位错和螺型位错。
堆垛层错
是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。 它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某 二层间出现了错误，从而导致的沿该层间平面 （称为层错面）两侧附近原子的错误排布。
注：肖特基缺陷是成对产生的。 此两类缺陷作为基本的热缺陷类型，且缺 陷浓度随温度上升而成指数上升。 （2）杂质缺陷
外来原子进入晶格而产生。
（3）非化学计量结构缺陷 一些化合物基化学组成会明显随周围气氛性质和 压力的大小的变化而将生偏离，化学计量组成的 现象，一些半导体如几型P型半半体就是如此形成 的。
分子晶体、离子晶体、金属晶体
晶体 类型 分子 晶体
构成粒子
晶体中粒子间 状 态 变 化 时 破 的作用力 坏的作用力
物理通性
典型实例
分子 阴、阳离子
范德华力
范德华力
熔沸点低；硬度小； 固体和熔融态不导电
多数非金属单质及氧化物、稀有 气体、非金属氢化物
离子
无单个分子
晶体
原子 无单个分子 金属阳离子、 自由电子