【精品】南京大学-晶体生长课件-Chapter 1-绪论ppt课件

体的特征
晶体的概念
晶体— 晶体（Crystal）是指内部质点(原子、离子或分子)在三维空
间周期性地重复排列构成的固体物质。这种质点在三维空间周期性地重 复排列也称格子构造，所以，晶体就是具有格子构造的固体。 X射线衍 射结构表明：晶体内部的原子、离子在三维空间周期性地重复排列。这 就找到了晶体的本质特性。
如何理解?
格子构造(＝空间点阵)是什么? (next…)
是固体, 而非液体或气体
即晶体内部的质点排列具有周期性(长程有序, long-range order)； 在原子近邻具有的周期性，叫短程有序(shortrange order)， 液体具有短程有序；气体既无长程，也无 短程有序。
金刚石的晶体结构 周期性排列示意图 KBe2BO3F2（KBBF） 晶体的表面周期性
金刚石三维周期性示意图
氯化钠的晶格结构
氯化钠三维周期性
氯化钠周期性结构
晶体与非晶体的区别:
自然界中的固体物质可以分为晶体和非晶体两大类。 其中，晶体是指那些内部质点(原子、离子或分子)在三维 空间周期性地重复排列构成的固体物质。 与此相反，内 部质点在三维空间无规律地排列的固体物质为非晶体或 非晶态（Non－crystal）。
玻璃、松香、沥青、橡胶、塑料等都是非晶体,它们 没有规则的几何形状，虽然我们可以通过加工而使其具 有某种规则的外形。非晶体的各种物理性质，在各个方 向上都是相同的，即各向同性。非晶体没有固定的熔点 ，在熔化过程中，随着温度的升高，它首先变软，然后 逐渐由稠变稀，经历一个软化过程。这些特征和晶体是 不同的。
，顾名思义，就是大自然亿万年而天然形成的晶体。这些天 然晶体有红宝石、蓝宝石等珍贵的宝石，也有食盐、石英等 常见的晶体，也有黄铁矿、磁铁矿、菱锰矿、金红石等矿物 晶体，普普通通的砂石泥土等常见的物质，以及金属、雪花 、牙齿骨骼、多种生物组织等都是晶体。
晶体化学
相关系
化学键 结构 组成
晶体的不同规则外形
钒铅矿
人工水晶
蓝铁矿
电气石 （碧玺）
金刚石原石的八面体外形
石榴子石的正十二面体外形
无色的水晶，白色的玉石和珍珠，以及各种其他颜色的宝石
晶体必须有规则外形吗？ 没有几何多面体形态的物质就不是晶体吗？
生长条件对于晶体的形成以及形态影响巨大。不同的环境可能 是导致花岗岩中的石英晶体不能表现出规则的外形的原因。 但是， 晶体能自发形成规则形态仅仅是晶体的一个表面现象，有着内在的 机理。在有些情况下，生长条件不允许，晶体生长不成大尺寸的规 则的几何多面体形态，例如花岗岩中的石英晶体。不过，如果我们 把物体放大，我们就会看到无数个微小的晶粒，每一个晶粒都向与 完整的单晶相类似。这说明，晶体的生长，其内部的驱动力是主因， 决定了能否生长出晶体；而环境因素则起着推波助澜或阻碍作用。 比如，多晶体虽然没有规则几何多面体形态，但是，它们仍然属于 晶体，只不过不是单晶而已。同样，即使经过加工把玻璃制作成规 则的形状，它仍然不是晶体。所以，不能仅仅以是否具有规则形态 来判断是否为晶体，而需要探寻更加有说服力的证据做出判断。目 前，有多种方法让人们了解物质的微观结构，比如X射线衍射仪、 原子力显微镜等。
金伯利岩岩筒的形成
石英晶簇 (SiO2)
石膏晶体 (CaSO4.2H2O)
探险世界最大水晶洞：巨型水晶长达11米
石盐晶体 （NaCl)
黄铁矿晶体 (FeS2)
纤维状蛇纹石石棉晶体
针状辉锑矿晶体 (antimonite, Sb2S3)
片状云母晶体
金刚石晶体 Diamond in kimberlite
Approx. 1 x 1 x 1 cm
电气石晶体 (Tourmaline)
玛瑙 SiO2
碳酸钙晶体
铬钒钙铝榴石 Grossulars
KTN晶体
DKDP晶体
KDP晶体
宝石、玉石与珠宝
蓝宝石的玻璃光泽 软玉的油脂光泽
珍珠的“珠光”
晶体的规则外形
在远古年代，人们在晶洞中发现了具有规则几何外形的 水晶、黄铁矿和赤铁矿等，就把这种能自发生长成（非人 工磨削的）规则几何多面体形态的物体叫做晶体。后来， 随着人们生产生活手段的不断提高，和对于大自然探索的 深入，人们发现了更多的各种各样的晶体。在对于晶体的 观察过程中，不断积累经验，总结出许多关于晶体外形的 规律。
SiO2玻璃的内部结构
晶体与非晶体的转化
晶体与非晶体在一定条件下是可以互相转化的。 由 非晶态转化为晶态，这一过程称为晶化（crystallizing）或 脱玻化（devitrification）。晶化过程可以自发进行，因为 非晶态内能高、不稳定，而晶态内能低、稳定。相反， 晶体也可因内部质点的规则排列遭到破坏而转化为非晶 态，这个过程称为非晶化（non-crystallizing）。非晶化一 般需要外能。因为晶体比非晶体稳定，所以晶体的分布 十分广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。我 们日常生活中接触到的石头、沙子、金属器材、水泥制 品、食盐、糖、甚至土壤等等，大多数是由晶体组成的 。在这些物质中，晶体颗粒大小十分悬殊，有的晶体尺 寸可达几米或几十米，但有的晶体（例如在土壤中的晶 体）则只有微米级大小。
晶体生成学(crystallogeny): 研究天然及人工晶体的发生、成长和变 化的过程与机理, 以及控制和影响它们的因素;
几何结晶学(geometrical crystallography):研究晶体外表几何多面体 的形状及其间的规律性;
晶体结构学（crystal structure）：研究晶体结构的几何规律、结构 型式＆构造的缺陷；
1984年中国、美国、法国和以色列等国家的学者几乎同时在淬冷合金中发 现了存在有5次对称轴，确证这些合金相是具有长程定向有序，而没有周期平 移有序的一种封闭的正20面体相。以后又陆续发现了具有8次、10次、12次对 称的准晶结构。目前在自然界中还没有发现准晶体。
准晶体的发现为我们提供了一种全新的物质状态，在此之前人们认为物 质状态只有晶态和非晶态这两种；准晶体的发现也对传统的晶体对称理论提 出了挑战，因为准晶体里面所蕴含的对称规律是传统晶体学对称理论所不能 够研究的，因此迅速发展起一门新的分支学科-----准晶体学。
冰糖
冰糖多晶 冰糖晶体颗粒 冰糖晶体颗粒
雪花
自然界中的晶体
上图依次为石英晶体、绿柱石、锗酸铋、晨砂、 电气石、刚玉、邻苯二甲酸氢、钾水晶、天然铜
夏威夷劳厄火山裂缝喷 气孔附近的自然硫沉积
自然硫晶体
金伯利岩（kimberlite）是一种非常稀 少的碱性或偏碱性超基性岩，为具斑 状结构为具斑状结构和（或）角砾状 构造的云母橄榄岩。1887年发现于南 非的金伯利(Kimberley)，故名。 ... 金伯利岩是金刚石最主要的母岩，它 多呈黑色、暗绿色、绿色，主要由橄 榄石，金云母 ...
随着近代科技发展，关于晶体的诸多定律和规律不断 提出，比如晶体的“面角守恒定律”等。二十世纪科学大 发展，特别是随着X射线等观测手段的建立，人们逐渐从 微观上发现了有关晶体的各种内在规律,形成了一门学科晶体学。
那么，晶体所自发生长的成规则几何多面体形态一样 吗？没有几何多面体形态的物质就不是晶体吗？有规则外 形的固体就是晶体吗？晶体为什么会有规则的几何外形？
现代结晶学
➢20世纪中叶以来晶体结构测定的速度和精度大大提 高；由晶体平均结构的测定到真实的精细结构和晶体 缺陷的研究，从间接的结构数据推算到电子显微镜下 晶格象的直接观察，把结晶学推进到了一个现代结晶 学的新阶段。
多功能X射线衍射仪
高分辨X射线衍射仪
X射线光电子能谱仪
晶体学的研究内容
晶体学的分支
晶体化学(crystal chemistry): 亦称结晶化学,研究晶体的化学组成与 晶体结构以及晶体的物理、化学性质间关系的规律性;
晶体物理学(crystal physics): 研究晶体的各项物理性质及其产生的 机理。
生长设备 控制
生长理论
晶体生长
生长方法 生长工艺
形貌 缺陷
物性
晶体物理
应用
晶体学发展历史简介
➢ 人类认识晶体是从具有规则外形的天然矿物晶体开始的。 1784年 法国学者 R.-J.阿维提出了有理指数定律，阐述了晶面与晶棱的关 系，为晶体定向和晶面符号的确定提供了理论依据。C.S.魏斯提 出晶带定律。此二定律从不同角度阐明了晶面与晶棱间的关系。
➢ 1830年德国学者J.F.C.赫塞尔建立了晶体按对称的分类体系。1839 年，英国学者W.H.米勒创立用以表示晶面空间方位的米氏符号， 并得到广泛的应用。在外形几何规律的启示下，人们开始了晶体 内部结构的探索。
准晶体
固体的分类有两种：晶体，原子有序排列；非晶体，原子无序排列。德 国科学家在1850年就总结出晶体的平移周期性，即晶体中原子的三维周期排 列方式可以概括为14种空间点阵。受这种平移对称约束、晶体的旋转对称只 能有1、2、3、4、6等5种旋转轴。这种限制就像生活中不能用正五角形拼块 铺满地面一样，晶体中原子排列是不允许出现5次或6次以上的旋转对称性的。 但是， 1984年10月，肖特曼（D. Shechtman ）在美国物理评论快报上发表文章， 报道了具有五次对称的金属相。 在快速冷却的Al4Mn 合金中发现了一种新的 相，其电子衍射斑具有明显的晶体所没有的五次对称性，但是没有平移对称 性，没有格子构造。后来在许多复杂的合金中也发现了这一现象。这种特殊 的物质既不是晶体又不是非晶体，我们称之为准晶体。
regulargeometricsolidboundedsmoothsurfacesregulargeometricsolidboundedsmoothsurfaces日常生活中经常看见而有可能经常会被忽略的晶体食盐冰糖雪花冰糖多晶冰糖晶体颗粒冰糖晶体颗粒上图依次为石英晶体绿柱石锗酸铋晨砂电气石刚玉邻苯二甲酸氢钾水晶天然铜自然硫晶体夏威夷劳厄火山裂缝喷气孔附近的自然硫沉积金伯利岩岩筒的形成金伯利岩kimberlite是一种非常稀少的碱性或偏碱性超基性岩为具斑构造的云母橄榄岩
➢ 1842年德国学者M.L.弗兰肯海姆推出晶体结构的15种空间格子； 1848年法国学者A.布拉维修正了这一成果，最终确定了空间格子 的14种型式（布拉维格子）。俄国结晶学家Е.С.费多罗夫和德国 学者A.M.圣佛利斯各自独立地于1889和 1891年导出了晶体结构对 称的230种空间群。至此，一个晶体结构完备的几何理论形成。
南京大学-晶体生长课件Chapter 1-绪论
绪论
什么是晶体? 身边的晶体 晶体的规则外形 这些是晶体吗? 透明的晶体 闪闪发光的晶体 五颜六色的晶体
a regular geometric solid bounded by smooth surfaces
日常生活中经常看见、而有可能经常会被忽略的晶体 食盐
天然晶体
天然晶体与人工晶体
晶体是具有规则外形的固体，具有内在的点阵结构、周
期性和对称性。很多晶莹剔透、美丽完整、质地纯洁的固体 ，比如钻石、水晶等珍贵的宝石都是晶体，雪花属于枝晶的 一种，而一些不起眼的物体或物质，比如砂石、泥土也属于 晶体的范畴。
晶体根据其形成方式分为天然晶体和人工晶体。天然晶体
➢1855年布拉维提出了阐明晶面发育顺序的布拉维法则，认为实际晶体 被网面密度大的晶面所包围。1927年德国学者W.科塞尔提出了晶体的 层生长理论。1949年F.C.夫兰克提出螺旋生长理论。1955年P.哈特曼和 N.G.佩多克提出周期键链(PBC)理论。晶体发生成长机理的研究日益深 入，同时还开展了晶体人工培育的研究。
晶体与非晶体的区别在于其内部质点排列是否具有周 期性。
石英晶体结构
石英的周期性
玻璃晶格结构
玻璃无周期性
石英晶粒
石英晶体
巨大晶体
非晶体
非晶体(non-crystal): 内部质点在三维空间不成周期性重复排列 的固体。（玻璃、松香、琥珀等）不具有long-range order
α-石英的内部结构
用两种“积木”堆积而成整个球面， 很好地体现了准晶体的对称性。
准晶体结构示意图。本图来自/
准晶体衍射图
准晶对称的鱼
准晶体
目前推导的准晶体点群共28种, 单形42个, 5个晶
系。
晶系
五方 八方 十方 十二方 二十面体
对称元素特点
有唯一的5 次轴 有唯一的8 次轴 有唯一的10 次轴 有唯一的12 次轴 有10 个3 次轴
➢ 1912年德国学者 M.T.F.von劳厄成功地完成了晶体衍射 X射线的实验，
他与英国学者 W.L.布喇格先后提出了晶体结构X射线分析的两个基本方 程，开创了结晶学微观研究的新阶段。在大量实测晶体结构资料的基础 上，逐渐建立起探索晶体成分与结构关系的新学科──晶体化学。
➢ 1927年挪威学者V.M.戈尔德施密特提出了阐明晶体成分与结构的第 一个晶体化学定律──戈尔德施密特定律。1929年美国学者N.L.鲍温总 结出关于离子晶体结构的五条规则──鲍温法则。