晶體

晶體（crystal）是原子、離子或分子按照一定的周期性，在結晶過程中，在空間排列形成具有一定規則的幾何外形的固體。其分布非常廣泛，自然界的固體物質中，絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。

（1）自然凝結的、不受外界干擾而形成的晶體擁有整齊規則的幾何外形，即晶體的自范性。（2）晶體擁有固定的熔點，在熔化過程中，溫 度始終保持不變。

（3）單晶體有各向異性的特點。（4）晶體可以使X光發生有規律的衍射。宏觀上能否產生X光衍射現象，是實驗上判定某物質是不是晶體的主要方法。（5）晶體相對應的晶面角相等，稱為晶面角守恒。

晶體按其結構粒子和作用力的不同可分為四類：離子晶體、原子晶體、分子晶體和金屬晶體。固體可分為晶體、非晶體和準晶體三大類。具有整齊規則的幾何外形、固定熔點和各向異性的固態物質，是物質存在的一種基本形式。固態物質是否為晶體，一般可由X射線衍射法予以鑒定。晶體內部結構中的質點（原子、離子、分子、原子團）有規則地在三維空間呈周期性重復排列，組成一定形式的晶格，外形上表現為一定形狀的幾何多面體。組成某種幾何多面體的平面稱為晶面，由于生長的條件不同，晶體在外形上可能有些歪斜，但同種晶體晶面間夾角（晶面角）是一定的，稱為晶面角不變原理。晶體按其內部結構可分為七大晶系和14種晶格類型。晶 體都有一定的對稱性，有32種對稱元素系，對應的對稱動作群稱做晶體系點群。按照內部質點間作用力性質不同，晶體可分為離子晶體、原子晶體、分子晶體、金屬晶體等四大典型晶體，如食鹽、金剛石、干冰和各種金屬等。同一晶體也有單晶和多晶(或粉晶)的區別。在實際中還存在混合型晶體。說到晶體，還得從結晶談起。大家知道，所有物質都是由原子或分子構成的。眾所周知，物質有三種聚集形態：氣體、液體和固體。但是，你知道根據其內部構造特點，固體又可分為幾類嗎？研究表明，固體可分為晶體、非晶體和準晶體三大類。

合成鉍單晶

幾何形狀晶體通常呈現規則的幾何形狀，就像有人特意加工出來的一樣。其內部原子的排列十分規整嚴格，比士兵的方陣還要整齊得多。如果把晶體中任意一個原子沿某一方向平移一定距離，必能找到一個同樣的原子。而玻璃、珍珠、瀝青、塑料等非晶體，內部原子的排列則是雜亂無章的。準晶體是發現的一類新物質，其內部排列既不同于晶體，也不同于非晶體。究竟什么樣的物質才能算作 晶體呢？首先，除液晶外，晶體一般是固體形態。其次，組成物質的原子、分子或離子具有規律、周期性的排列，這樣的物質就是晶體。

但僅從外觀上，用肉眼很難區分晶體、非晶體與準晶體。那么，如何才能快速鑒定出它們呢？一種最常用的技術是X光技術。用X光對固體進行結構分析，你很快就會發現，晶體和非晶體、準晶體是截然不同的三類固體。為了描述晶體的結構，我們把構成晶體的原子當成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了像圖中所表示的格架式空間結構。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格。由于晶體中原子的排列是有規律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫作晶胞。許多取向相同的晶胞組成晶粒，由取向不同的晶粒組成的物體，叫做多晶體，而單晶體內所有的晶胞取向完全一致，常見的單晶如單晶硅、單晶石英。大家最常見到的一般是多晶體。由于物質內部原子排列的明顯差異，導致了晶體與非晶體物理化學性質的巨大差異。例如，晶體有固定的熔點，當溫度高到某一溫度便立即熔化；而玻璃及其它非晶體則沒有固定的熔點，從軟化到熔化是一個較大的溫度范圍。類別實例1.立方晶系：鉆石 明礬 金鐵鉛2.正方 晶系：錫 金紅石 白鎢

3.斜方晶系：硫 碘 硝酸銀4.單斜晶系：硼砂蔗糖石膏5.三斜晶系：硫酸銅 硼酸6.三方（菱形）晶系：砷[shēn] 水晶 冰 石墨7.六方晶系：鎂 鋅 鈹 鎘 鈣

晶體的分布非常廣泛，自然界的固體 物質中，絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。

1. 長程有序：晶體內部原子在至少在微米級范圍內的規則排列。2. 均勻性：晶體內部各個部分的宏觀性質是相同的。3. 各向異性：晶體中不同的方向上具有不同的物理性質。4 .對稱性：晶體的理想外形和晶體內部結構都具有特定的對稱性。5. 自限性：晶體具有自發地形成封閉幾何多面體的特性。6. 解理性：晶體具有沿某些確定方位的 晶面劈裂的性質。7. 最小內能：成型晶體內能最小。8. 晶面角守恒：屬于同種晶體的兩個對應晶面之間的夾角恒定不變。具體介紹：均一性和異向性因為晶體是具有格子構造的固體，同一晶體的各個部分質點分布是相同的，所以同一晶體的各個部分的性質是相同的，此即晶體的均一性；同一晶體格子中，在不同的方向上質點的排列一般是不相同的，晶體的性質也隨方向的不同而有所差異，此即晶體的異向性。最小內能與穩定性晶體與同種物質的非晶體、液體、氣體比較，具 有最小內能。晶體是具有格子構造的固體，其內部質點作規律排列。這種規律排列的質點是質點間的引力與斥力達到平衡，使晶體的各個部分處于位能最低的結果。

對稱性晶體的對稱表現在晶體中相等的晶面，晶棱和角頂有規律的重復出現。這是由于它具有規律的格子構造。是其在三維空間周期性重復的體現。既晶體的對稱性不僅表現在外部形態上，而且其內部構造也同樣也是對稱的。在晶體的外形以及其他宏觀表現中還反映了晶體結構的對稱性。晶體的理想外形或其結構都是對稱圖象。這類圖象都能經過不改變其中任何兩點間距離的操作後復原。這樣的操作稱為對稱操作，平移、旋轉、反映和倒反都是對稱操作。能使一個圖象復原的全部不等同操作，形成一個對稱操作群。在晶體結構中空間點陣所代表的 是與平移有關的對稱性，此外，還可以含有與旋轉、反映和倒反有關并能在宏觀上反映出來的對稱性，稱為宏觀對稱性，它在晶體結構中必須與空間點陣共存，并互相制約。制約的結果有二：

鎵， 一種很容易結成大塊單晶的金屬

（1）晶體結構中只能存在

次對稱軸，（2）空間點陣只能有14種形式。n次對稱軸的基本旋轉操作為旋轉

，因此，晶體能在外形和宏觀中反映出來的軸對稱性也只限于這些軸次。由于原子并不處于靜止狀態，存在著外來原子引起的點陣畸變以及一定的缺陷，基本結構雖然仍符合上述規則性，但絕不是如設想的那樣完整無缺，存在數目不同的各種形式的晶體缺陷。另外還必須指出，絕大多數工業用的金屬材料不是只由一個巨大的單晶所構成，而是由大量小塊晶體組成，即多晶體。在整塊材料內部，每個小晶體（或稱晶粒）整個由三維空 間界面與它的近鄰隔開。這種界面稱晶粒間界，簡稱晶界。晶界厚度約為兩三個原子。大多數天然晶體都是一個原子接一個原子或一個分子接一個分子來完成的但是JillianBanfield和同事們發現了一些晶體，它們是由含有成百上千個原子的“預制”納米晶體裝配而成。據一篇相關的研究評述，這種晶體的塊生長方式可能會對制造用于光學和電子設備(比如激光或硬盤)的人工材料有用。水鐵石（ferrihydrite）的天然的預制晶體是由細菌合成的，在被水淹了的礦的爛泥里能找到，水鐵石靠排列的納米晶體連接起來而生長。這種生長晶體的方式引入特有的缺陷，可能會影響晶體在以后反應中的性質。

晶體的一些性質取決于將分子聯結成固體的結合力。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子（或稱價電子）的相互作用。如果結合力強，晶體有較高的熔點。如果它們稍弱一些，晶體將有較低的熔點，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成，此時分子可利用的能量不多。有四種主要的晶體鍵。離子晶體由正離子和負離子構成，靠不同電荷之間的引力（離子鍵）結合在一起。氯化鈉是離子晶體的一例。原子晶體（共價晶體）的原子或分子共享它們的價電子（共價鍵）。鉆石、鍺和硅是重要的共價晶體。金屬晶體是金屬的原子變為離子，被自由的價電子所包圍，它們能夠容易地從一個原子運動到另一個原子，可形象的描述為沉浸在自由電子的海洋里（金屬鍵）。當這些電子全在同一方向運動時，它們的運動稱為電流。分子晶體的分子完全不分享它們的電子。它們的結合是由于從分子的一端到另一端電場有微小的變動。因為這個結合力很弱（范德華力和氫鍵），這些晶體在很低的溫度下就熔化，且硬度極低。典型的分子結晶如固態氧和冰。在離子晶體中，電子從一個原子轉移到另一個原子。共價晶體的原子分享它們的價電子。金屬原子的一端有少量的負電荷，另一端有少量的正電荷。一個弱的電引力使分子就位。用來制作工業用的晶體的技術之一，是從熔液中生長。籽晶可用來促進單晶體的形成。在這個工序里，籽晶降落到裝有熔融物質的容器中。籽晶周圍的熔液冷卻，它的分子就依附在籽晶上。這些新的晶體分子承接籽晶的取向，形成了一個大的單晶體。藍寶石和紅寶石的基本成分是氧化鋁，它的熔點高，制成一個盛裝它的熔液的容器是困難的。人工合成藍寶石和紅寶石是用維爾納葉法（焰熔法）制成，即將氧化鋁粉和少量上色用的鈦、鐵或鉻粉，通過火焰下滴到籽晶上。火焰將粉熔解，然后在籽晶上重新結晶。生長人造鉆石需要高于

的溫度和

大氣壓。人造鉆石砂粒小且黑，它們適宜工業應用。區域熔化過程用來純化半導體工業中的硅晶體。一個單晶體垂直懸掛在硅棒的頂端上。在兩者接觸處加熱，棒的頂端熔化，并在單晶體上重結晶，然后將加熱處慢慢地沿棒下移。

晶體缺陷各種偏離晶體結構中質點周期重復排列的因素，嚴格說，造成晶體點陣結構周期勢場畸變的一切因素。如晶體中進入了一些雜質。這些雜質也會占據一定的位置，這樣破壞了原質點排列的周期性，在二十世紀中期，發現晶體中缺陷的存在，它嚴重影響晶體性質，有些是決定性的，如半導體導電性質，幾乎完全是由外來雜質原子和缺陷存在決定的，許多離子晶體的顏色、發光等。另外，固體的強度，陶瓷、耐火材料的燒結和固相反應等等均與缺陷有關，晶體缺陷是近三、四年國內外科學研究十分注意的一個內容。根據缺陷的作用范圍把真實晶體缺陷分四類：點缺陷：在三維尺寸均很小，只在某些位置發生，只影響鄰近幾個原子。線缺陷：在二維尺寸小，在另一維尺寸大，可被電鏡觀察到。面缺陷：在一維尺寸小，在另二維尺寸大，可被光學顯微鏡觀察到。體缺陷：在三維尺寸較大，如鑲嵌塊，沉淀相，空洞，氣泡等。按形成的原因不同分三類：1熱缺陷（晶格位置缺陷）在晶體點陣的正常格點位出現空位，不該有質點的位置出現了質點（間隙質點）。2 組成缺陷外來質點（雜質）取代正常質點位置或進入正常結點的間隙位置。3 電荷缺陷晶體中某些質點個別電子處于激發狀態，有的離開原來質點，形成自由電子，在原來電子軌道上留下了電子空穴。符號及反應方程式1. 缺陷符號及缺陷反應方程式缺陷符號 以二元化合物MX為例（1）晶格空位：正常結點位沒有質點，

（2）間隙離子：除正常結點位置外的位置出現了質點，

（3）錯位離子：M排列在X位置，或X排列在M位置上，若處在正常結點位置上，則

（4）取代離子：外來雜質L進入晶體中，若取代M，則LM，若取代X，則LX，若占據間隙位，則Li。（5）自由電子

（代表存在一個負電荷），，表示有效電荷。

（5）電子空穴 h·(代表存在一個正電荷)，·表示有效正電荷如：從

晶體中取走一個

，留下一個空位造成電價不平衡，多出負一價。相當于取走Na原子加一個負有效負電荷，e失去→自由電子，剩下位置為電子空穴h·（7）復合缺陷同時出現正負離子空位時，形成復合缺陷，雙空位。

缺陷反應方程式必須遵守三個原則（1）位置平衡——反應前后位置數不變（相對物質位置而言）（2）質點平衡——反應前后質量不變（相對加入物質而言）（3）電價平衡——反應前后呈電中性例：將

中：將

中注意：只從缺陷反應方程看，只要符合三個平衡就是對的，但實際上往往只有一種是對的，這要知道其它條件才能確定哪個缺陷反應是正確的。確定（1）式密度增加，要根據具體實驗和計算。

（晶格位置缺陷)只要晶體的溫度高于xxx零度，原子就要吸收熱能而運動，但由于固體質點是牢固結合在一起的，或者說晶體中每一個質點的運動必然受到周圍質點結合力的限制而只能以質點的平衡位置為中心作微小運動，振動的幅度隨溫度升高而增大，溫度越高，平均熱能越大，而相應一定溫度的熱能是指原子的平均動能，當某些質點大于平均動能就要離開平衡位置，在原來的位置上留下一個空位而形成缺陷，實際上在任何溫度下總有少數質點擺脫周圍離子的束縛而離開原來的平衡位置，這種由于熱運動而產生的點缺陷——熱缺陷。熱缺陷兩種基本形式：a-弗侖克爾缺陷,b-肖特基缺陷（1）弗侖克爾缺陷具有足夠大能量的原子（離子）離開平衡位置后，擠入晶格間隙中，形成間隙原子離子），在原來位置上留下空位。特點：空位與間隙粒子成對出現，數量相等，晶體體積不發生變化。在晶體中弗侖克爾缺陷的數目多少與晶體結構有很大關系，格點位質點要進入間隙位，間隙必須要足夠大，如螢石（

）型結構的物質空隙較大，易形成，而

型結構不易形成。總的來說，離子晶體，共價晶體形成該缺陷困難。（2）肖特基缺陷表面層原子獲得較大能量，離開原來格點位跑到表面外新的格點位，原來位置形成空位這樣晶格深處的原子就依次填入，結果表面上的空位逐漸轉移到內部去。特點：體積增大，對離子晶體、正負離子空位成對出現，數量相等。結構致密易形成肖特基缺陷。晶體熱缺陷的存在對晶體性質及一系列物理化學過程，導電、擴散、固相反應、燒結等產生重要影響，適當提高溫度，可提高缺陷濃度，有利于擴散，燒結作用，外加少量填加劑也可提高熱缺陷濃度，有些過程需要xxx限度避免缺陷產生，如單晶生產，要非常快冷卻。3. 組成缺陷主要是一種雜質缺陷，在原晶體結構中進入了雜質原子，它與固有原子性質不同，破壞了原子排列的周期性，雜質原子在晶體中占據兩種位置（1）填隙位（2）格點位4. 電荷缺陷（Charge defect）從物理學中固體的能帶理論來看，非金屬固體具有價帶，禁帶和導帶，當在OR時，導帶全部完善，價帶全部被電子填滿，由于熱能作用或其它能量傳遞過程，價帶中電子得到一能量Eg，而被激發入導帶，這時在導帶中存在一個電子，在價帶留一孔穴，孔穴也可以導電，這樣雖末破壞原子排列的周期性，在由于孔穴和電子分別帶有正負電荷，在它們附近形成一個附加電場，引起周期勢場畸變，造成晶體不完整性稱電荷缺陷。例：純半導體禁帶較寬，價電帶電子很難越過禁帶進入導帶，導電率很低，為改善導電性，可采用摻加雜質的辦法，如在半導體硅中摻入P和B，摻入一個P，則與周圍Si原子形成四對共價鍵，并導出一個電子，叫施主型雜質，這個多余電子處于半束縛狀態，只須填加很少能量，就能躍遷到導帶中，它的能量狀態是在禁帶上部靠近導帶下部的一個附加能級上，叫施主能級，叫n型半導體。當摻入一個B，少一個電子，不得不向其它Si原子奪取一個電子補充，這就在Si原子中造成空穴，叫受主型雜質，這個空穴也僅增加一點能量就能把價帶中電子吸過來，它的能量狀態在禁帶下部靠近價帶頂部一個附加能級，叫受主能級，叫P型半導體，自由電子，空穴都是晶體一種缺點缺陷在實踐中有重要意義：燒成燒結，固相反應，擴散，對半導體，電絕緣用陶瓷有重要意義，使晶體著色等。線缺陷實際晶體在結晶時，受到雜質，溫度變化或振動產生的應力作用或晶體由于受到打擊，切割等機械應力作用，使晶體內部質點排列變形，原子行列間相互滑移，不再符合理想晶體的有序排列，形成線狀缺陷。位錯直觀定義：晶體中已滑移面與未滑移面的邊界線。這種線缺陷又稱位錯，注意：位錯不是一條幾何線，而是一個有一定寬度的管道，位錯區域質點排列嚴重畸變，有時造成晶體面網發生錯動。對晶體強度有很大影響。位錯主要有兩種：刃型位錯和螺型位錯。

其形式可以設想為：在一完整晶體，沿

晶面橫切一刀，從

，將

面上半部分，作用以壓力δ，使之產生滑移，距離（柏氏矢量晶格常數或數倍）滑移面

，滑移區

，未滑移區

，AD為已滑移區交界線—位錯線。正面看簡圖：如上圖滑移上部多出半個原子面，就象刀刃一樣（劈木材）稱刃型位錯。特點：滑移方向與位錯線垂直，符號⊥，有多余半片原子面。

其形成可設想為：在一完整晶體，沿

晶面橫切一刀，在

面上部分沿X方向施一力δ，使其生產滑移，滑移區

未滑移區

，交界線AD（位錯線）特點：滑移方向與位錯線平行，與位錯線垂直的面不是平面，呈螺施狀，稱螺型位錯。刃型位錯與螺型位錯a-正常面網,b-刃型位錯，c-螺型位錯主要從各自特點區別刃型：滑移方向與位錯線垂直，多半個原子面，位錯線可為曲線。螺型：滑移方向與位錯線平行，呈螺旋狀，位錯線直線。由于位錯的存在對晶體的生長，雜質在晶體中的擴散，晶體內鑲嵌結構的形成及晶體的高溫蠕變性等一系列性質和過程都有重要影響。晶體位錯的研究方法：通常用光學顯微鏡，X光衍射電子衍射和電子顯微鏡等技術進行直接觀察和間接測定。位錯具有以下基本性質：（1）位錯是晶體中原子排列的線缺陷，不是幾何意義的線，是有一定尺度的管道。（2）形變滑移是位錯運動的結果，并不是說位錯是由形變產生的，因為一塊生長很完事的晶體中，本身就存在很多位錯。（3）位錯線可以終止在晶體的表面（或多晶體的晶界上），但不能終止在一個完事的晶體內部。（4）在位錯線附近有很大應力集中，附近原子能量較高，易運動。面缺陷涉及較大范圍（二維方向）、晶界、晶面、堆垛層錯。

由于晶體表面處的離子或原子具有不飽和鍵，有很大反應活性，表面結構出現不對稱性，使點陣受到很大彎曲變形，因而能量比內部能量高，是一種缺陷。（1）小角度晶界（鑲嵌塊）尺寸在

的小晶塊，彼此間以幾秒到的微小（ ）角度傾斜相交，形成鑲嵌結構，有人認為是棱位錯，由于晶粒以微小角度相交，可以認為合并在一起，在晶界面是形成了一系列刃型位錯。（2）大角度晶界，各晶面取向互不相同，交角較大，在多晶體中，晶體可能出現大角度晶界。在這種晶界中，頂點排列接近無序狀態，晶界處是缺陷位置，所以能量較高，可吸附外來質點。晶界是原子或離子擴散的快速通道，也是空位消除的地方，這種特殊作用對固相反應，燒結起重要作用，對陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕變、強度等力學性能和極化、損耗等介電性能影響較大。

離子堆垛過程中發生了層次錯動，出現堆垛層錯，如面心立方堆積形式為

中間的B層和C層發生了層次錯動，出現缺陷（一般了解）非化學計量化合物定義：化合物中各元素的原子數之比不是簡單的整數而出現了分數，如

等。可偏離化合式的化合物在基礎化學中學到的化合物的分子式都是符合定比定律的，即元素的原子數之比為簡單整數比，如

等非化學計量化合物缺陷（1）陽離子過剩，形成陰離子空位

會產生這種缺陷，分子式為

,從化學計量觀念，正負離子比為

由于揣氧不足，在晶體中存在氧空位，而變為非化學計量化合物。從化學觀念看，缺氧

可以看作是四價鈦和三價鈦氧化物的固體溶液，即

中的固溶體，或從電中性考慮，Ti由四價→三價，原因：

獲得一個電子→

，所獲得的電了是由于氧不足脫離。正常

晶格結點放出的，在電場作用下，這一電子可以一個鈦離子位置遷移到另一個鈦離子位置，并非固定在某一鈦離子上，從而形成電子電導，具有這種缺陷的材料稱n型半導體。這種非化學計量化合物缺陷方程可寫成：例：在還原氣氛下

（2）也可看成部分O由晶格逸出變成氣體可見：這種非化學計量化合物的形成多是由變價正離子構成的氧化物，由高價變為低價，形成負離子空位，還有

等，與氣氛有關。陽離子過剩形成間隙陽離子如

，過剩的金屬離子進入間隙位，為保持電中性，等價電子被束縛在間隙位的金屬離子周圍。例：

在鋅蒸氣中加熱，顏色逐漸加深變化。負電子過剩形成間隙負離子。發現

，可以看作

中的固溶體，當負離子過剩進入間隙位置時，結構中必須出現兩個電子空穴，以平衡整體電中性，相應正離子電價升高，電子空穴在電場作用下產生運動，這種材料稱P型半導體。形成正離子空位由于存在正離子空位，為保持電中性，在正離子空位周圍捕獲電子空位，因此其也是P型半導體，如

即是。例：

在氧氣下形成這種缺陷，實際上是

中形成的固溶體（高價取代低價），即

，同時在晶格中形成個正離子空位，在氧氣條件下，氧氣進入FeO晶格結構中，變為氧離子，必須從鐵離子獲得兩個電子，使

，并形成VFe。可見，非化學計量化合物缺陷的形成主要受氣氛影響，也與溫度有關，嚴格說，世界上所有化合物都是非化學計量的，只是程度不同而已。

結晶分兩種，一種是降溫結晶，另一種是蒸發結晶。降溫結晶：首先加熱溶液，蒸發溶劑成飽和溶液，此時降低熱飽和溶液的溫度，溶解度隨溫度變化較大的溶質就會呈晶體析出，叫降溫結晶。蒸發結晶：蒸發溶劑，使溶液由不飽和變為飽和，繼續蒸發，過剩的溶質就會呈晶體析出，叫蒸發結晶。

石英、云母、明礬、食鹽、硫酸銅、味精。