固体、液体、气体, 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、准晶体它们的本质差别是什么

固体、液体、气体, 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、准晶体/ 它们的本质差别是什么？

2009-12-15 11:55:31| 分类：微电子物理| 标签：|字号大中小订阅

作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

（1）气体：

气体能够压缩其体积，而固体与液体都不能被压缩，这是气体与其它两种状态（固体和液体）之间的最大差别。显然这是由于气体中原子（或分子）的分布比较稀疏、间距较大，而固体和液体中原子（或分子）的分布比较紧凑的缘故。

（2）固体与液体：

它们的最大差别就在于是否有流动性。造成这种差别的根本原因就是其中的原子排布是否有确定的框架规则，即是否存在所谓晶体结构。固体有一定的晶体结构，而液体则否。也因此，液体中原子的分布可以更加紧密一些，则原子密度通常也较大于固体。

例如Si和Ge晶体，都具有立方晶系的结构（通过具有方向性和饱和性的共价键把各个原子联系起来）；当这些晶体被熔化而变成液体以后，晶体结构即解体，其中的原子将排列得更加紧密，则其体积都将相应地有所减小。再如常见的水，是一种典型的液体，但在0oC 以下时即转变为固体——冰，就使得各个水分子都被水的晶体结构约束住了，不能随意流动，相应地体积也将增大。

（3）晶体和非晶体：

所有的固体都具有一定的晶体结构，这是区别于液体和气体的最大特点。但固体又有晶体与非晶体之分。晶体就是其中的原子排列非常规则，严格按照一定的晶体结构分布；采用科学术语，即是说，晶体就是其中原子的排列具有周期性和对称性的固体，或者说晶体中原子的排列具有长程有序性。

而非晶体，其中原子的排列虽然也遵从一定晶体结构的框架，但它只是在小范围内是完全规则的，而在大范围内则否，即不具有长程有序性，而是具有短程有序性。所以，非晶体实际上也是晶体，只不过其中原子的排列从大范围来看不太规则而已，即原子在排列上存在有缺陷。例如，非晶硅，它仍然具有立方晶系的晶体结构，但是从整个材料的大范围来看，原子排列就缺乏周期性和对称性，其中存在大量排列不规则的原子——缺陷。又如，半导体工艺中常用的SiO2薄膜，它具有六边形网络式的晶体结构，但是缺乏长程有序性，也是一种非晶体；当然，若把SiO2生长成水晶的话，那就成为了单晶体。

（4）单晶体和多晶体：

晶体又可区分为单晶体和多晶体。单晶体就是整个晶体中原子的排列都具有长程有序性，即晶体结构非常完整。现在用来制造半导体器件和集成电路的Si片就是典型的单晶体。

多晶体也是晶体，它不算非晶体；但多晶体又不同于单晶体。也可以说，多晶体是由许多单晶体（晶粒）组成的。每一个晶粒是单晶体，具有长程有序性；但不同的晶粒，它们的原子排列的取向不同；并且各个晶粒之间存在一个原子排列混乱的区域——晶粒间界。总之，多晶体是包含有晶粒（单晶体）和晶粒间界（缺陷）的一种复杂晶体。

（5）准晶体：

通常说的单晶体就是具有长程有序性——原子排列具有严格的周期性和对称性的晶体，它不可能存在五度和6度以上的旋转轴对称性。然而，1984年，丹?谢赫舍特曼在快速冷却的Al4Mn 合金中发现了一种新的相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性，并推测这种结构具有三维空间的彭罗斯拼图结构，后来在许多复杂的合金中也发现了这一现象。这种具有5度旋转对称轴的、具有长程定向有序的固体相，它只是没有平移对称性，这种固体就

称为准周期性的晶体——准晶体（quasicrystal）。

准晶体既不同于真正完整的晶体（具有5度旋转对称轴），也不同于非晶体（具有短程定向有序性）。晶体是所有原子的排列都是规则（有序）的；非晶体是在小范围内原子的排列是规则（有序）的，但在大范围内是不规则（无序）的。

实际上，从拼图的观点来看，可以认为晶体、非晶体和准晶体之间存在着一定的的共性，即长程有序的晶体是只具有一种模块的材料，短程有序的非晶体是具有几种模块的材料，而准晶体是具有无限多种模块的材料。

准晶体的发现在当时曾经震动了凝聚态物理学界，并从根本上改变了化学家们看待固体物质的方式，谢赫特曼也因此工作得到了2011年诺贝尔化学奖。