01-第一章 晶体的特性

《结晶学》第一章
晶体的特性
探寻晶体的本质，分析晶体普遍具 有的属性，了解常见分类。
§1.1 晶体和非晶体 §1.2 晶体的基本性质 §1.3 晶体的类型和结合力

§1.1 晶体和非晶体
——晶体和非晶体都是固体(研究范围) ——晶体常有整齐的多面体外型(砸晶体) ——晶体内部构造中存在一定的规律性(X射线衍射) 晶体：内部微粒(原子、分子或离子)按一定规则周 期排列而构成的固体或具有格子构造的固体(现代)。 由于晶体的内部粒子的分布有高度的规律性，在 一定方向的直线上，粒子有规则的重复千百万次， 晶体具有远程有序性。(超连接) 非晶体具有近程有序性，近似于液态，被视为过 冷液体，也称之为无定型体。
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晶体和非晶体微观结构的差别举例：
(a)石英晶体
(b)石英玻璃
图1.1.1 石英晶体与石英玻璃的平面结构
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晶体最主要的两种存在形式：
(a)单晶
(b)多晶
图1.1.2 单晶体与多晶体的结构示意图
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与晶体相关的几个常用概念
单晶：在整个晶体内部，微粒都是按一定规则周期性排列着的。 多晶：由许多小块单晶组成的晶体小块，小块晶体的大小取向 又各不相同。 拉单晶：将多晶熔化后，利用旋转提拉结晶生成单晶的过程。 微晶体(微晶)：由尺度小于1微米的晶粒构成。 纳米晶：尺度为纳米量级(1-100nm)或以此做基本结构的晶体。 晶体中原子数目是有限的，且表面原子所占比例相当 大。使其产生多种特别的物理或化学性质。 液晶：许多有机物质，在从固态转变为液体之前，会经历一个 或多个中间态，中间态的性质介于晶体和液体之间，称 液晶态。这类可呈现液晶态的物质称为液晶。
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§1.1小结：
气体 液体
内部微粒(原子、分子或离 子)按一定规则周期排列而 构成的固体或具有格子构 造的固体。(长程有序) 状
光子
晶体
？
常见物相 不常见物相 凝聚态 ？ 液晶 晶体
态 分 类
固体
电浆
流
体？
非晶体
(短程有序 过冷液体)
单晶
多晶 拉单晶
微晶
纳米晶
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§1.2 晶体的基本性质
1、自范性：晶体具有自发生长成一个结晶多面体的可能性。即晶体常以 平面作为与周围介质的分界面。 例1：天然矿物晶体外形。
—— 据国外媒体报道：墨西哥奈卡水晶洞是世界上最大的水晶洞穴…… 去年秋天，探险 家和摄影师乔治-库罗尼斯不畏艰险，深入奈卡水晶洞与世界上最大的天然水晶近距离接 触…… （2010 年02月20日 09:06:37 来源：新浪科技 ）
例2：拉单晶过程中，在放肩部位出现平整的小平面，在等径部位出现的 棱线都是自范性的表现。
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§1.2 晶体的基本性质
1、自范性：晶体具有自发生长成一个结晶多面体的可能性。即晶体常以 平面作为与周围介质的分界面。这些平面是具有最低表面能的微粒小平面。 2、均匀性和各向异性：均匀性是指晶体的各个部位表现出的各种宏观性 质是完全相同的。各向异性是指从不同方向上看，晶体内沿不同方向上的 性质又有所差异。 例1：云母片的导热性的均匀性与各向异性。
云母片 石蜡 石蜡 石蜡 石蜡
例2：石墨不同方向上的电导率的不同。 例3：Si、Ge、GaAs等半导体材料沿各个方向呈现的物理特性、生长 特性，腐蚀特性的差别是晶体各向异性的表现。
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§1.2 晶体的基本性质
1、自范性：晶体具有自发生长成一个结晶多面体的可能性。即晶体常以 平面作为与周围介质的分界面。这些平面是具有最低表面能的微粒小平面。 2、均匀性和各向异性：均匀性是指晶体的各个部位表现出的各种宏观性 质是完全相同的。各向异性是指从不同方向上看，晶体内沿不同方向上的 性质又有所差异。 这同晶体内部不位置不同方向微观粒子规则排列有关。 3、对称性：所有的晶体在外型上和各种性质上都或多或少地具有对称性。 （第三章将详细介绍对称理论） 4、最小内能和固定熔点：在一定的热力学条件(T，P)下，晶体处于晶态 的内能最小，且具有固定的熔点。 例1：实验从气体，液体和非晶体转变成晶体时要放热；相反，从晶体转 变为非晶体、液体和气体时都要吸热。
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晶体为什么具有最小内能？ 如果把微粒间的距离相对于平衡位置拉大或减小都 将导致微粒间的相互作用势能增大，从而使整个物体 内部的势能增大，即内能增加。 因此相对于非晶体来说，晶体状态是最稳定的，非 晶体有自发调整其内部质点排列方式而向晶体转变的 倾向。
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晶体

本性质

图1.3.2 NaCl晶

体的微观结构

离子晶体一般配位数较高，硬度较大，熔点较高，熔融后

如溶于水)等。

图1.3.3 金刚石型晶体结构图

图1.3.4 SP3杂化轨道电子云分布

极性分子和非极性分子间相互作用非极性分子间的相互作用力

杂

图1.3.7 石墨

晶体的结构

图1.3.7 石墨晶体的结构

图1.3.8 C

的结构图1.3.9 C纳米管的结构60

化学键晶体粒子

电离势能电子亲和能

电负性X = 0.18(I+Y )共价键非极性共价键极性共价键

静电力色散力

诱导力共价晶体