无机合成化学- 合成晶体-PPT演示文稿

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水热法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的 方法。
表征: X射线结构分析
在电磁波谱中,X射线的波长范围为0.005~10nm
射线
一张粉末衍射图能提供哪些信息?
获得材料成分、内部原子或分子的结构或形态等信息
随堂测试:
1.详述先进陶瓷的制备工艺流程。
2.详述晶体生长理论(层生长理论和螺旋生长理论)。
晶体的生长基础
相变过程和结晶的驱动力
• 晶体的形成是在一定热力学条件下发生的物质相变过 程,它可分为成核和晶体生长两个阶段。晶体生长又 包括两个基本过程,即界面过程和运输过程。
• 晶体的形成过程是物质由其它聚集态即气态、液态、 固态(包括非晶态和其它晶相)向特定晶态转变的过 程,其实质是相变过程。
熔融法
提拉法是被普遍采用 的晶体生长方法。在 一定温度场、提拉速 度和旋转速度下,熔 体通过籽晶生长,形 成一定尺寸的单晶。
水平区熔法:主要用于材料的物理提纯,但也常用于生长晶体。 生长晶体时,首先将原料烧结或压制成棒状,固定两端,然后 移动原料棒或加热高频线圈,使得只有受加热的部分熔融,而 绝大部分材料处于固态。随着熔区沿着原料棒由一端向另一端 缓慢移动,晶体就慢慢生长,并慢慢冷却直至完成生长过程。
石英的带状构造
晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹 形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或 砂钟状构造。
螺旋生长理论
合成晶体的方法和技术
人工晶体的制备实际上就是把组成晶体的基元(原子、 分子或离子)解离后又重新使它们组合的过程。按照晶体 组分解离手段的不同,人工晶体的制备有三大类。 气相法--使晶体原料蒸发或挥发,包含有化学气相沉积、 升华法、气相外延技术,化学气相运输法等。
指不考虑外来质点或表面的影响,在一个体系中各个地方成核 的概率均相等,称为均匀成核。
真正均匀成核很少遇见,在实际晶体生长中,经常有不均匀部 位存在,这种在相界表面(外来质点、容器壁及原有晶体表面) 上形成晶核称为不均匀成核作用。
粗糙表面上非均匀成核
层状生长理论
层生长理论态演示
晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。 在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不 同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方 面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常 常可以看到带状构造。它表明晶面是平行向外 推移生长的。 由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿 物对应晶面间的夹角不变。
合成晶体
主要内容
• 晶体概述 • 晶体的生长基础 • 晶体的合成
什么是晶体?
• 晶体的一般定义为:具有格子构造的固体,或指内部质点 (原子、分子或离子)在三维空间周期性地重复排列构成 的固体物质。
• 晶体又有单晶体和多晶体之分。 • 单晶体就是由同一空间点阵结构贯穿整个晶体而成的; • 而多晶体却没有这种能贯穿整个晶体的结构,它是由许多
➢ 最小内能 :在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非 晶体、液体、气体相比较,其内能最小。
➢ 稳定性 :晶体由于有最小内能,因而结晶状态是一个相 对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。
天然晶体的不足
第四,天然晶体不具备合成晶体的某些功能。
KDP(磷酸二氢钾)晶体
人工晶体的分类
人工晶体的分类: 人工晶体按照功能不同,可粗略分为半 导体晶体,激光晶体,非线性光学晶体,光折变晶体,闪 烁晶体,电光、磁光、声光调制晶体,压电晶体,红外探 测晶体,光学晶体,双折射晶体,宝石晶体与超硬晶体, 等十二类。
升华法是气相法生长晶 体的一种,是在高温区 将材料升华,然后输送 到冷凝区,使其成为饱 和蒸气,经过冷凝成核 而长为晶体。其装置示 意图如图所示。
升华法生长速度较慢,主要应用于生长小块晶体 ,薄膜和晶须等。
为了得到完整性好的晶体,需要调节好扩散速度
对于易于氧化的原料,需要加惰性气体保护,升 华室一般都充有氮气或氩气等
冷坩埚法,如人工合成氧化锆。因为氧化锆的熔点高 (~2700℃),找不到合适的坩埚材料。此时,用原 料本身作为“坩埚”进行生长 。
主要流程:
加入ZrO2粉末和掺杂的离子—加热—持续熔化数小时— 逐渐降温冷却—退火
溶液法
水溶液法的基本原理是将原料 (溶质)溶解在水中,采取适 当的措施造成溶液的过饱和状 态,使晶体在其中生长。
• 结晶过程是在热力学驱动下非平衡相变过程。
相变过程和结晶的驱动力
• 气相生长 • 熔体生长 • 溶液生长
气相生长
当蒸气压到达过饱和状态时,体系才能由气相转变为晶 相。驱动力是蒸气压的过饱和度。
熔体生长
对于结晶过程ΔH小于零,为使反应自发进行,T必须 小于Te 。
过冷度ΔT即Te - T,为其熔体生长过程的驱动力。
熔融法--使晶体原料完全熔化,包含有提拉法、坩埚 相对移动法、区熔法、基座法、冷坩埚法与焰熔法等。 溶液法--使晶体原料溶解在溶液中,具体包含有水 溶液法、水热法与助熔剂法。水溶液法在常压下生长 晶体,温度约为八、九十摄氏度;水热法是在高温高 压下生长;而助熔剂法则是在常压高温下生长晶体。
气相法
溶液生长
Δ G =RTlnco/c
当溶液处于过饱和状态时,体系才能由液相转变为晶相。 驱动力是溶液的过饱和度。
晶体的生长
这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒 子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的 区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成结晶微粒子 的作用称之为成核作用。
单晶体以随机的取向结合起来的。 特征: • 自发形成规则的几何多面体的外形 • 具有固定的熔点(固体受热变成液体的温度) • 物理性质随方向不同(各向异性)
单晶体和非晶体的区别
晶体的基本性质(通性)
➢ 自范性:自范性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何 多面体的性质。
➢ 均一性(均匀性):同一晶体的不同部分其物理化学性质完 全相同。具有空间平移不变性。晶体是绝对均一性,非晶态 是统计的平均近似均一性。
➢ 各向异性:同一格子构造中,在不同方向上质点排列一般是 不同的,因此,晶体的性质也随方向的不同而有所差异,这就 是晶体的异向性。如,蓝晶石的不同方向上硬度不同。
➢ 对称性:在晶体的外形上,也常有相等的晶面、晶棱和角 顶重复出现。这种相同的性质在不同的方向或位置上作有 规律地重复,就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点 重复规律的体现。
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