准晶晶体材料探究

准晶晶体材料研究

尹显富

内容提要：准晶体结构自1984年被报道以来，因其与传统晶体周期性不相容的专门结构，引起各国学者的极大兴趣。对准晶材料性能及应用研究结果表明，准晶材料因独特的结构而具有独特的性能，但由于材料科学迅猛进展，新材料层出不穷，而准晶材料所具有的一些优异的性能，能满足一些实际应用中传统材料所不能满足的要求。因此，了解其进展历程、掌握其理论基础、研究现状及其进展前景，关于研究开发能应用于实际生活、生产的准晶材料有着重要意义，这是本题的要紧内容。

关键词：准晶材料物理性质性能准晶结构

The physical properties of quasicrystalline materials and research progress

YinXianfu

Abstract: Quasi-crystal structure has been reported since 1984, because of its incompatibility with traditional periodic special crystal structure, causing great interest scholars from different countries. Alignment of crystal material properties and applied research results show that because of the unique quasi-crystalline structure of materials with unique properties, but because of the rapid development of materials science, new materials emerging, while the quasi-crystalline material with some of the excellent performance, to meet some practical applications of traditional materials can not meet the requirements. Therefore, understanding the development process, to grasp its theoretical basis, research status and development prospects for the research and development can be applied in real life, the production of quasi-crystalline materials is of great significance, which is the main content for this question. Keywords: Quasicrystal Physical properties Performance Quasicrystals

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目录

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绪论

准晶材料作为一种新兴材料，自从1982年准晶（Quasicrystal）的发觉至今，有关什么是晶体的辩论一直没有中断。我们明白，传统的晶体学基于晶体微观结构的周期性，晶体是绝对可不能出现5次和高于6次对称轴的。准晶的电子衍射图难道出现了5次对称，只好给那个新生儿起了个“准晶”的名字，具有对称性结构的固体都应该能够称之为晶体,只是其中传统晶体的定义是建立在一阶对称基础上——所谓1-4次对称以及6次对称。准晶则是建立在超对称基础上——所谓5次对称。考虑到光波的复合能够用这两种对称作出表示,那么 A crystal is a structure the description of which is much smaller than the structure itself（晶体是一种固体，远程与位置或平移周期性或规律性秩序）也许能够得到更直观的表达[1]。它已表现出许多优异的性能，从发觉至今只是二十几年的时刻，由于其专门的结构和性能，已引起了全世界科研工作者的极大兴趣，并认识到了这种新材料的进展潜力，因此，准晶材料将会是今后材料科学领域研究的一个重要方向，尤其是在其制备技术和应用方面,存在较大的进展空间。准晶薄膜尽管能够制得，但到目前为止，只有法国、日本、美国等几个国家真正掌握了其制备技术。另外，准晶仅在表面涂层、增强材料等几个方面得到了有限的应用，它所具有的独特的热电性、磁阻性、吸氢性、催化性等的应用都还需要

进行系统的研究和开发。这都预言了准晶材料将会有宽敞的应用前景，但现遇到的问题还需进一步的研究解决。

第1章准晶结构的确定、形成以及要紧物理性质

1.1 准晶结构的确定

在 1984 年准晶被发觉之前，物理学家一致认为固态物质存在的方式只有晶体和非晶体两类前者的结构周期有序的，其对称性受周期性的限制，只有固定的几种；后者的结构是长程无序的，仅短程有序，因而不存在任何对称性而准晶，即准周期晶体，是一种同时具有长程准周期平移有序和非晶体学旋转对称性的固态有序相，它是一种新型的固态结构[2]，准晶的发觉，打破了旧的晶体学对固态物质的定义，震惊了整个

科学界由于其结构的独特性，准晶一直受到材料物理，化学数学等领域科学家的广泛关注随着对准晶研究的逐步深入，以及对其专门性质的全面认识，准晶差不多进展成为一门独立的分支学科，同时属于现代固体物理和材料学领域的前沿学科[3]。在准晶发觉之前，科学家们差不多开始了关于准周期结构的研究1974 年，英国数学家 Penrose 设计出一种准周期拼图[4](如图 a)，这种拼图首次用两种拼块按照严格的拼接规则构成了准周期图形，拼块是锐内角分不为 36 和 72 的菱形单元如此的准周期图形对晶体学产生了深远阻碍在上世纪80年代初，期晶体学家Levine和 Steinhardt[5]将Penrose拼图引入晶体学，获得五次对称的傅立叶变换图谱(如图 b 所示)，并提出了准点阵的概念1984年夏，Shechtman在美国马里兰州国家标准局与Gratias Cahn等科学家合作，采纳碎冷法制备A18Mn合金，通过电子衍射法分析，得到了具有明锐布拉格散射斑点的图像他们对衍射图样作进一步分析，发觉除了15个二次轴和10个三次轴外，还发觉了6个五次对称轴而几乎在同时，Levine和Steinhardt已从理论上计算出具有5次对称性的衍射图理论和实践的完美结合，充分确信了5次旋转对称的客观存在之后，他们在美国物理评论快报上发表了一篇题为具有长程取向有序而没有平移对称序的金属相的论文，报道了他们发觉的这种具有五重旋转轴的二十面体点群对称的合金相五重轴与周期点阵是不相容的，因此Shechtman等人的这一报道，

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