第一章 無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能

1、化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能1無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能2參考書 無機(jī)材料化學(xué)，林建華，荊西平等，北京大學(xué)出版社，2006 1. 材料結(jié)構(gòu)與性能，李宗全，陳湘明，浙江大學(xué)出版社，2001年。 2. 固體化學(xué)導(dǎo)論，蘇勉曾，北京大學(xué)出版社。 3. 固體化學(xué)及其應(yīng)用，A R West，蘇勉曾等譯，復(fù)旦大學(xué)出版社。1989 4. 無機(jī)材料物理性能，關(guān)振鐸，張中太，焦金生，清華大學(xué)出版社，1992 5. 無機(jī)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，田鳳仁主編，冶金工業(yè)出版社，1993 6. 結(jié)晶化學(xué)導(dǎo)論，錢逸泰，科大

2、出版社，1999化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能3講 課 內(nèi) 容學(xué)時數(shù)第一章 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識4第二章 理想晶體結(jié)構(gòu)6第三章 晶體的結(jié)構(gòu)缺陷6第四章 無機(jī)材料的電學(xué)性能8第五章 無機(jī)材料的光學(xué)性能6第六章 無機(jī)材料的磁學(xué)性能4復(fù)習(xí)、答疑(機(jī)動)2合 計36化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能4 引言引言 1、物質(zhì)的狀態(tài) 固體：分子或原子處于完全確定的平衡位置作熱振動。具有確定的形狀和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)即固體性。 固體分為：晶體與非晶，準(zhǔn)晶 氣體：分子或原子不停地，自由地作長距離運(yùn)動即流動性。 無確定的體積和形狀 液體：有一定的體積但無確定

3、的形狀化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能5材料科學(xué)的內(nèi)涵材料科學(xué)的內(nèi)涵 性能性能使用效能使用效能合成與合成與制備制備組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)材料科學(xué)材料科學(xué)材料科學(xué)是一門研究材料合成與制備合成與制備、組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)、性能、性能、使用效能使用效能 四者之間的關(guān)系與規(guī)律關(guān)系與規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能6 1. 1. 合成與制備合成與制備合成合成指促使原子、分子結(jié)合而構(gòu)成材料的化學(xué)與物理過程。合成的研究既包括有關(guān)尋找新合成方法尋找新合成方法的科學(xué)問題，也包括以適當(dāng)?shù)臄?shù)量和形態(tài)合成材料的合成材料的技術(shù)問題技術(shù)問題；既

4、包括新材料的合成新材料的合成，也應(yīng)包括已有材料的新合成方法有材料的新合成方法（如溶膠-凝膠法）及其新形態(tài)新形態(tài)（如纖維、薄膜）的合成?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能7制備制備研究如何控制原子與分子使之構(gòu)成有用的材料。這一點(diǎn)是與合成相同的，但制備還包括在更為宏觀的尺度宏觀的尺度上或以更大的規(guī)?？刂撇牧系慕Y(jié)構(gòu)，使之具備所需的性能和適用效能， 即包括材料的加工、處理、裝配和制造。 合成與制備就是將原子、分子聚合起來并合成與制備就是將原子、分子聚合起來并最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程。最終轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏卯a(chǎn)品的一系列連續(xù)過程?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化

5、工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能8 2. 2. 組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)組成組成 指構(gòu)成材料物質(zhì)的原子、分子及其分布；除主要組成以外，雜質(zhì)雜質(zhì)及對無機(jī)非金屬材料結(jié)構(gòu)與性能有重要影響的微量添加物亦不能忽略。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)則指組成原子、分子在不同層次上彼此結(jié)合的形式、狀態(tài)和空間分布，包括原子與原子與電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、表面與晶界結(jié)構(gòu)、缺陷結(jié)構(gòu)缺陷結(jié)構(gòu)等等；在尺度上則包括納米以下納米以下、納米、微米、毫納米、微米、毫米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次米及更宏觀的結(jié)構(gòu)層次?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能9了解材

6、料的了解材料的組成與結(jié)構(gòu)組成與結(jié)構(gòu)及它們及它們同同合成與制備合成與制備之間、之間、性能與使用性能與使用效能效能之間的內(nèi)在聯(lián)系，一直是之間的內(nèi)在聯(lián)系，一直是無無機(jī)材料科學(xué)機(jī)材料科學(xué)的基本研究內(nèi)容的基本研究內(nèi)容。合成與制備組成與結(jié)構(gòu)性能與使用效能化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能10材料結(jié)構(gòu)性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，材料結(jié)構(gòu)性能的研究，既是材料開發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其重要?dú)w屬也是其重要?dú)w屬 材料結(jié)構(gòu)性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)性能的研究，有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能關(guān)聯(lián)性結(jié)構(gòu)性能關(guān)聯(lián)性 對材料性能的要求，決定了材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和制對材料性能的要求，決定了

7、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備方法、生產(chǎn)工藝等備方法、生產(chǎn)工藝等 材料結(jié)構(gòu)性能研究目的、意義材料結(jié)構(gòu)性能研究目的、意義 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能114. 對晶體的認(rèn)識進(jìn)程對晶體的認(rèn)識進(jìn)程（1）人類對晶體的認(rèn)識過程人類對晶體的認(rèn)識過程從古至今，人類一直在孜孜不倦地探索著這個問題。早在石器從古至今，人類一直在孜孜不倦地探索著這個問題。早在石器時代，人們便發(fā)現(xiàn)了各種外形規(guī)則的石頭，并把它們做成工具，從時代，人們便發(fā)現(xiàn)了各種外形規(guī)則的石頭，并把它們做成工具，從而揭開了探求晶體本質(zhì)的序幕。之后，經(jīng)過長期觀察，人們發(fā)現(xiàn)晶而揭開了探求晶體本質(zhì)的序幕。之后，經(jīng)過長期觀察，人們發(fā)現(xiàn)

8、晶體最顯著的特點(diǎn)就是具有規(guī)則的外形。體最顯著的特點(diǎn)就是具有規(guī)則的外形。 1669年，意大利科學(xué)家斯丹諾年，意大利科學(xué)家斯丹諾(Steno,N.1638-1686Steno,N.1638-1686)和和 17831783年年法國礦物學(xué)家愛斯?fàn)枺ǚ▏V物學(xué)家愛斯?fàn)枺―eI Isle,R.1736-1790DeI Isle,R.1736-1790）分別在觀測各種礦）分別在觀測各種礦物晶體時發(fā)現(xiàn)了晶體的第一個定律物晶體時發(fā)現(xiàn)了晶體的第一個定律晶面夾角守恒定律。在晶面夾角守恒定律。在1919世世紀(jì)初，晶體測角工作積累了關(guān)于大量天然礦物和人工晶體的精確觀紀(jì)初，晶體測角工作積累了關(guān)于大量天然礦物和人工晶體的

9、精確觀測數(shù)據(jù)。這為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)晶體外形的規(guī)律性（特別是關(guān)于晶體對稱測數(shù)據(jù)。這為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)晶體外形的規(guī)律性（特別是關(guān)于晶體對稱性的規(guī)律）創(chuàng)造了條件。性的規(guī)律）創(chuàng)造了條件。接著，法國科學(xué)家阿羽依接著，法國科學(xué)家阿羽依(Rene Just Hauy)于于1784年提出了著名的晶胞學(xué)說，使人類對晶體的認(rèn)識邁出了一大年提出了著名的晶胞學(xué)說，使人類對晶體的認(rèn)識邁出了一大步。根據(jù)這一學(xué)說，晶胞是構(gòu)成晶體的最小單位，晶體是由大量晶步。根據(jù)這一學(xué)說，晶胞是構(gòu)成晶體的最小單位，晶體是由大量晶胞堆積而成的。胞堆積而成的。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能12 在晶體對稱性的研究中，關(guān)

10、于對稱群的數(shù)學(xué)理論起了很大在晶體對稱性的研究中，關(guān)于對稱群的數(shù)學(xué)理論起了很大作用。在作用。在1805180518091809年間，德國學(xué)者魏斯（年間，德國學(xué)者魏斯（Weiss,C.S. 1780-Weiss,C.S. 1780-18561856）開始研究晶體外形的對稱性。）開始研究晶體外形的對稱性。18301830年德國人赫塞爾年德國人赫塞爾（Hessel,J.F.Ch. 1796-1872Hessel,J.F.Ch. 1796-1872），），18671867年俄國人加多林分別獨(dú)年俄國人加多林分別獨(dú)立地推導(dǎo)出，晶體外形對稱元素的一切可能組合方式（也就是立地推導(dǎo)出，晶體外形對稱元素的一切可能組

11、合方式（也就是晶體宏觀對稱類型）共有晶體宏觀對稱類型）共有3232種（稱為種（稱為3232種點(diǎn)群）。人們又按晶種點(diǎn)群）。人們又按晶體對稱元素的特征將晶體合理地分為立方晶系、六方晶系等七體對稱元素的特征將晶體合理地分為立方晶系、六方晶系等七個晶系。個晶系。 1919世紀(jì)世紀(jì)4040年代年代 ，德國人弗蘭根海姆（，德國人弗蘭根海姆（Frankenheim,M.L. Frankenheim,M.L. 1801 -18691801 -1869）和法國人布拉維（）和法國人布拉維（Bravais A.1811-1863Bravais A.1811-1863）發(fā)展前）發(fā)展前人的工作，奠定了晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣?yán)?/p>

12、論（即空間格子理論）人的工作，奠定了晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣?yán)碚摚纯臻g格子理論）的基礎(chǔ)。弗蘭根海姆首行提出晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)以點(diǎn)為單位，這的基礎(chǔ)。弗蘭根海姆首行提出晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)以點(diǎn)為單位，這些點(diǎn)在三維空間周期性的重復(fù)排列。他于些點(diǎn)在三維空間周期性的重復(fù)排列。他于18421842年推出了年推出了1515種可種可能的空間點(diǎn)陣形式。布拉維于能的空間點(diǎn)陣形式。布拉維于18481848年指出，弗蘭根海姆的年指出，弗蘭根海姆的1515種種空間點(diǎn)陣形式中有兩種實質(zhì)上是相同的，確定了空間點(diǎn)陣的空間點(diǎn)陣形式中有兩種實質(zhì)上是相同的，確定了空間點(diǎn)陣的1414種形式。種形式?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無

13、機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能13關(guān)于晶體的微觀對稱性，德國人松克（關(guān)于晶體的微觀對稱性，德國人松克（Sohncke,L.1842-1897Sohncke,L.1842-1897）在前人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究以后，提出晶體全部可能的在前人工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究以后，提出晶體全部可能的微觀對稱類型共有微觀對稱類型共有230230種（稱為種（稱為230230個空間群）。在個空間群）。在1885188518901890年間，俄國結(jié)晶學(xué)家弗多羅夫完成了年間，俄國結(jié)晶學(xué)家弗多羅夫完成了230230個空間群的嚴(yán)格的推個空間群的嚴(yán)格的推引工作。在引工作。在1919世紀(jì)的最后十年中，幾何晶體學(xué)理論已全部完成世紀(jì)的最后十

14、年中，幾何晶體學(xué)理論已全部完成了。了。 幾何晶體學(xué)雖然在幾何晶體學(xué)雖然在1919世紀(jì)末已成為系統(tǒng)的學(xué)說，但直到世紀(jì)末已成為系統(tǒng)的學(xué)說，但直到19121912年以前它還僅僅是一種假說，尚未被科學(xué)實驗所證實。年以前它還僅僅是一種假說，尚未被科學(xué)實驗所證實。 18951895年倫琴發(fā)現(xiàn)了射線。但射線和幾何晶體學(xué)這兩件幾年倫琴發(fā)現(xiàn)了射線。但射線和幾何晶體學(xué)這兩件幾乎同時出現(xiàn)的重大科學(xué)成就沒有被聯(lián)系起來。乎同時出現(xiàn)的重大科學(xué)成就沒有被聯(lián)系起來。 19121912年，德國科學(xué)家勞厄年，德國科學(xué)家勞厄(Max van Laue)(Max van Laue)對晶體進(jìn)行了對晶體進(jìn)行了X X射射線衍射實驗，首次證

15、實了這一學(xué)說的正確性，并因此獲得了諾線衍射實驗，首次證實了這一學(xué)說的正確性，并因此獲得了諾貝爾物理獎。貝爾物理獎。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能14（2）晶體的概念晶體的概念 具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物體就是晶體，空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)共有具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物體就是晶體，空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)共有14種。例如，食鹽的主要成份氯化鈉種。例如，食鹽的主要成份氯化鈉 (NaCl)具有面心立方結(jié)構(gòu)，具有面心立方結(jié)構(gòu)，是一種常見的晶體。此外，許多金屬是一種常見的晶體。此外，許多金屬(如鎢、鉬、鈉、常溫下如鎢、鉬、鈉、常溫下的鐵等的鐵等)都具有體心立方結(jié)構(gòu)，因而都屬于晶體。都具有體心立方結(jié)構(gòu)，

16、因而都屬于晶體。 值得注意的是，在晶體中，晶瑩透明的有很多，但是，并值得注意的是，在晶體中，晶瑩透明的有很多，但是，并不是所有透明的固體都是晶體，如玻璃就不是晶體。這是因為，不是所有透明的固體都是晶體，如玻璃就不是晶體。這是因為，組成玻璃的質(zhì)點(diǎn)只是在一個原子附近的范圍內(nèi)作有規(guī)則的排列，組成玻璃的質(zhì)點(diǎn)只是在一個原子附近的范圍內(nèi)作有規(guī)則的排列，而在整個玻璃中并沒有形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。而在整個玻璃中并沒有形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 （3）天然晶體與人工晶體天然晶體與人工晶體 晶體分成天然晶體和人工晶體。千百年來，自然界中形成晶體分成天然晶體和人工晶體。千百年來，自然界中形成了許多美麗的晶體，如紅寶石、藍(lán)寶石、

17、祖母綠等，這些晶體了許多美麗的晶體，如紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠等，這些晶體叫做天然晶體。叫做天然晶體?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能15 從從19世紀(jì)末，人們開始探索各種方法來生長晶體，這種由人世紀(jì)末，人們開始探索各種方法來生長晶體，這種由人工方法生長出來的晶體叫人工晶體。到目前為止，人們已發(fā)明工方法生長出來的晶體叫人工晶體。到目前為止，人們已發(fā)明了幾十種晶體生長方法，如提拉法、浮區(qū)法、焰熔法、坩堝下了幾十種晶體生長方法，如提拉法、浮區(qū)法、焰熔法、坩堝下降法、助熔劑法、水熱法、降溫法、再結(jié)晶法等。利用這些方降法、助熔劑法、水熱法、降溫法、再結(jié)晶法等。利用這些方

18、法，人們不僅能生長出自然界中已有的晶體，還能制造出自然法，人們不僅能生長出自然界中已有的晶體，還能制造出自然界中沒有的晶體。從紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫到各種混合界中沒有的晶體。從紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫到各種混合顏色，這些人工晶體五彩紛呈，有的甚至比天然晶體還美麗。顏色，這些人工晶體五彩紛呈，有的甚至比天然晶體還美麗。 紅寶石紅寶石(Cr：Al2O3)、橄欖石、橄欖石(Mg2SiO4)、金紅石、金紅石(TiO2) 、摻鉻釓鎵石榴石摻鉻釓鎵石榴石(Cr：GGG)、鎵酸鋰、鎵酸鋰(LiGaO2)、鋁酸鑭、鋁酸鑭 (LaAlO3)、 氮化鎵氮化鎵(GaN) 、摻釹釩酸釔、摻釹釩酸釔(Nd：YVO

19、4)、摻鑭鍶、摻鑭鍶銅氧化合物銅氧化合物(La2-xSrxCuO4) 等。等。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能16鈦寶石化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能17人工生長金剛石人工生長金剛石化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能185.晶體的性質(zhì)和應(yīng)用晶體的性質(zhì)和應(yīng)用 “晶體是晶體生長工作者送給物理學(xué)家的最好的禮物。晶體是晶體生長工作者送給物理學(xué)家的最好的禮物?！?”這是這是因為，當(dāng)物質(zhì)以晶體狀態(tài)存在時，它將表現(xiàn)出其它物質(zhì)狀態(tài)所因為，當(dāng)物質(zhì)以晶體狀態(tài)存在時，它將表現(xiàn)出其它物質(zhì)狀態(tài)所沒有的優(yōu)異的物理性能，

20、因而是人類研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性沒有的優(yōu)異的物理性能，因而是人類研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的重要基礎(chǔ)。此外，由于能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、光、聲和力的相能的重要基礎(chǔ)。此外，由于能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、光、聲和力的相互作用和轉(zhuǎn)換，晶體還是電子器件、半導(dǎo)體器件、固體激光器互作用和轉(zhuǎn)換，晶體還是電子器件、半導(dǎo)體器件、固體激光器件及各種光學(xué)儀器等工業(yè)的重要材料，被廣泛地應(yīng)用于通信、件及各種光學(xué)儀器等工業(yè)的重要材料，被廣泛地應(yīng)用于通信、攝影、宇航、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、建筑學(xué)、軍事技術(shù)等領(lǐng)攝影、宇航、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、建筑學(xué)、軍事技術(shù)等領(lǐng)域。域。 按功能來分，晶體有按功能來分，晶體有20種之多，如半導(dǎo)體晶體、磁光晶體、

21、種之多，如半導(dǎo)體晶體、磁光晶體、激光晶體、電光晶體、聲光晶體、非線性光學(xué)晶體、壓電晶體、激光晶體、電光晶體、聲光晶體、非線性光學(xué)晶體、壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電晶體、閃爍晶體、絕緣晶體、敏感晶體、光熱釋電晶體、鐵電晶體、閃爍晶體、絕緣晶體、敏感晶體、光色晶體、超導(dǎo)晶體以及多功能晶體等。色晶體、超導(dǎo)晶體以及多功能晶體等。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能19 （1）半導(dǎo)體晶體）半導(dǎo)體晶體 半導(dǎo)體晶體是從半導(dǎo)體晶體是從20世紀(jì)世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來的。第一年代開始發(fā)展起來的。第一代半導(dǎo)體晶體是鍺代半導(dǎo)體晶體是鍺(Ge)單晶和硅單晶單晶和硅單晶 (Si)。由它們制成

22、的各種二。由它們制成的各種二極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅及大功率管等器件，在無線電極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅及大功率管等器件，在無線電子工業(yè)上有著極其廣泛的用途。它們的發(fā)展使得集成電路從只包子工業(yè)上有著極其廣泛的用途。它們的發(fā)展使得集成電路從只包括十幾個單元電路飛速發(fā)展到含有成千上萬個元件的超大規(guī)模集括十幾個單元電路飛速發(fā)展到含有成千上萬個元件的超大規(guī)模集成電路，從而極大地促進(jìn)了電子產(chǎn)品的微小型化，大大提高了工成電路，從而極大地促進(jìn)了電子產(chǎn)品的微小型化，大大提高了工作的可靠性，同時又降低了成本，進(jìn)而促進(jìn)了集成電路在空間研作的可靠性，同時又降低了成本，進(jìn)而促進(jìn)了集成電路在空間研究、核武器、

23、導(dǎo)彈、雷達(dá)、電子計算機(jī)、軍事通信裝備及民用等究、核武器、導(dǎo)彈、雷達(dá)、電子計算機(jī)、軍事通信裝備及民用等方面的廣泛應(yīng)用。方面的廣泛應(yīng)用。 目前，除了向大直徑、高純度、高均勻度及無缺陷方向發(fā)展目前，除了向大直徑、高純度、高均勻度及無缺陷方向發(fā)展的硅單晶之外，人們又研究了第二代半導(dǎo)體晶體的硅單晶之外，人們又研究了第二代半導(dǎo)體晶體-V族化族化合物，如合物，如(GaAs)、磷化鎵、磷化鎵 (GaP)等單晶。近來，為了滿足對更高等單晶。近來，為了滿足對更高性能的需求，已發(fā)展到三元或多元化合物等半導(dǎo)體晶體。性能的需求，已發(fā)展到三元或多元化合物等半導(dǎo)體晶體。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)

24、材料結(jié)構(gòu)與性能20在半導(dǎo)體晶體材料中，特別值得一提的是氮化鎵在半導(dǎo)體晶體材料中，特別值得一提的是氮化鎵(GaN)晶體。晶體。由于它具有很寬的禁帶寬度由于它具有很寬的禁帶寬度(室溫下為室溫下為34eV)，因而是藍(lán)綠光，因而是藍(lán)綠光發(fā)光二級管發(fā)光二級管(LED)、激光二極管、激光二極管(LD)及高功率集成電路的及高功率集成電路的理想理想材料，近年來在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮，成為炙手可材料，近年來在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮，成為炙手可熱的研究焦點(diǎn)。目前，中國科學(xué)院物理研究所在該晶體的生熱的研究焦點(diǎn)。目前，中國科學(xué)院物理研究所在該晶體的生長方面獨(dú)辟蹊徑，首次利用熔鹽法生長出長方面獨(dú)辟蹊徑，首次利

25、用熔鹽法生長出 3mm 4mm的片狀的片狀晶體。一旦該晶體的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，它將在發(fā)光器晶體。一旦該晶體的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，它將在發(fā)光器件、光通訊系統(tǒng)、件、光通訊系統(tǒng)、CD機(jī)、全色打印、高分辨率激光打印、大機(jī)、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色顯示系統(tǒng)、超薄電視等方面得到廣泛的應(yīng)用。屏幕全色顯示系統(tǒng)、超薄電視等方面得到廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能21 （2）激光晶體）激光晶體 激光晶體是激光的工作物質(zhì)，經(jīng)泵浦之后能發(fā)出激光，激光晶體是激光的工作物質(zhì)，經(jīng)泵浦之后能發(fā)出激光，所以叫做激光晶體。所以叫做激光晶體。1960年，美國科學(xué)家年

26、，美國科學(xué)家 Maiman以紅寶石晶以紅寶石晶體作為工作物質(zhì)，成功地研制出世界上第一臺激光器，取得了體作為工作物質(zhì)，成功地研制出世界上第一臺激光器，取得了舉世矚目的重大科學(xué)成就。舉世矚目的重大科學(xué)成就。 目前，人們已研制出數(shù)百種激光晶體。其中，最常用的有目前，人們已研制出數(shù)百種激光晶體。其中，最常用的有紅寶石紅寶石(Cr：Al2O3)、鈦寶石、鈦寶石(Ti：A12O3)、摻釹釓鋁石榴石、摻釹釓鋁石榴石(Nd：Y3Al5O12)、摻鏑氟化鈣、摻鏑氟化鈣(Dy：CaF2)、摻釹釩酸釔、摻釹釩酸釔(Nd：YVO4)、四硼酸鋁釹、四硼酸鋁釹 (NdAl3(BO3)4)等晶體。等晶體。近年來，由于新近年

27、來，由于新的激光晶體的不斷出現(xiàn)以及非線性倍頻、差頻、參量振蕩等技的激光晶體的不斷出現(xiàn)以及非線性倍頻、差頻、參量振蕩等技術(shù)的發(fā)展，利用激光晶體得到的激光已涉及紫外、可見光到紅術(shù)的發(fā)展，利用激光晶體得到的激光已涉及紫外、可見光到紅外譜區(qū)，并被成功地應(yīng)用于軍事技術(shù)、宇宙探索、醫(yī)學(xué)、化學(xué)外譜區(qū)，并被成功地應(yīng)用于軍事技術(shù)、宇宙探索、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等眾多領(lǐng)域。等眾多領(lǐng)域。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能22 在材料加工上，激光大顯身手，特別是對于超硬材料的加工，它在材料加工上，激光大顯身手，特別是對于超硬材料的加工，它具有無可比擬的優(yōu)越性。如在金剛石上打一個孔，用傳統(tǒng)方法需要

28、具有無可比擬的優(yōu)越性。如在金剛石上打一個孔，用傳統(tǒng)方法需要兩小時以上的時間，而用晶體產(chǎn)生的激光，連兩小時以上的時間，而用晶體產(chǎn)生的激光，連01秒的時間都不用。秒的時間都不用。此外，用激光進(jìn)行焊接，可以高密度地把很多電子元件組裝在一起，此外，用激光進(jìn)行焊接，可以高密度地把很多電子元件組裝在一起，并能夠大大提高電路的工作可靠性，從而大幅度地減小電子設(shè)備的并能夠大大提高電路的工作可靠性，從而大幅度地減小電子設(shè)備的體積。激光晶體還可以制成激光測距儀和激光高度計，進(jìn)行高精度體積。激光晶體還可以制成激光測距儀和激光高度計，進(jìn)行高精度的測量。的測量。 在醫(yī)學(xué)上，激光晶體更是得到了巧妙的應(yīng)用。激光通過可以自在

29、醫(yī)學(xué)上，激光晶體更是得到了巧妙的應(yīng)用。激光通過可以自由彎曲的光導(dǎo)管進(jìn)行傳送，在出口端裝有透鏡和外科醫(yī)生用的手柄。由彎曲的光導(dǎo)管進(jìn)行傳送，在出口端裝有透鏡和外科醫(yī)生用的手柄。經(jīng)過透鏡，激光被聚焦成直徑僅有幾微米的小斑點(diǎn)，變成一把無形經(jīng)過透鏡，激光被聚焦成直徑僅有幾微米的小斑點(diǎn)，變成一把無形卻又十分靈巧的手術(shù)刀，不但能夠徹底殺菌，而且可以快速地切斷卻又十分靈巧的手術(shù)刀，不但能夠徹底殺菌，而且可以快速地切斷組織，甚至一個細(xì)胞。對于極其精細(xì)的眼科手術(shù)，摻鉺的激光晶體組織，甚至一個細(xì)胞。對于極其精細(xì)的眼科手術(shù)，摻鉺的激光晶體是最合適不過的了。它可以產(chǎn)生近是最合適不過的了。它可以產(chǎn)生近3 um波長的激光，

30、由于水對該激波長的激光，由于水對該激光的強(qiáng)烈吸收，導(dǎo)致它進(jìn)入生物組織后，只有幾微米短的穿透深度，光的強(qiáng)烈吸收，導(dǎo)致它進(jìn)入生物組織后，只有幾微米短的穿透深度，因此，這種激光是十分安全的，不會使患者產(chǎn)生任何痛苦。激光可因此，這種激光是十分安全的，不會使患者產(chǎn)生任何痛苦。激光可以快速而精確地進(jìn)行切割，手術(shù)時間極短，因而避免了眼球的不自以快速而精確地進(jìn)行切割，手術(shù)時間極短，因而避免了眼球的不自覺運(yùn)動的干擾，保證了手術(shù)的順利進(jìn)行。覺運(yùn)動的干擾，保證了手術(shù)的順利進(jìn)行。 此外，激光電視、激光彩色立體電影、激光攝影、激光計算機(jī)此外，激光電視、激光彩色立體電影、激光攝影、激光計算機(jī)等都是激動人心的激光晶體的新用

31、途。等都是激動人心的激光晶體的新用途?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能23 （3）非線性光學(xué)晶體非線性光學(xué)晶體 光通過晶體進(jìn)行傳播時，會引起晶體的電極化。當(dāng)光強(qiáng)光通過晶體進(jìn)行傳播時，會引起晶體的電極化。當(dāng)光強(qiáng)不太大時，晶體的電極化強(qiáng)度與光頻電場之間呈線性關(guān)系，不太大時，晶體的電極化強(qiáng)度與光頻電場之間呈線性關(guān)系，其非線性關(guān)系可以被忽略；但是，當(dāng)光強(qiáng)很大時，如激光通其非線性關(guān)系可以被忽略；但是，當(dāng)光強(qiáng)很大時，如激光通過晶體進(jìn)行傳播時，電極化強(qiáng)度與光頻電場之間的非線性過晶體進(jìn)行傳播時，電極化強(qiáng)度與光頻電場之間的非線性關(guān)關(guān)系變得十分顯著而不能忽略，這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)

32、效應(yīng)稱系變得十分顯著而不能忽略，這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)稱為非線性光學(xué)效應(yīng)，具有這種效應(yīng)的晶體就稱為非線性光學(xué)為非線性光學(xué)效應(yīng)，具有這種效應(yīng)的晶體就稱為非線性光學(xué)晶體。晶體。 非線性光學(xué)晶體與激光緊密相連，是實現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換、非線性光學(xué)晶體與激光緊密相連，是實現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和Q開關(guān)等技術(shù)的關(guān)鍵材料。當(dāng)前，直接利用激光開關(guān)等技術(shù)的關(guān)鍵材料。當(dāng)前，直接利用激光晶體獲得的激光波段有限，從紫外到紅外譜區(qū)，尚有激光空晶體獲得的激光波段有限，從紫外到紅外譜區(qū)，尚有激光空白波段。而利用非線性光學(xué)晶體，可將激光晶體直接輸出的白波段。而利用非線性光學(xué)晶體，可將激光晶體直接輸出的激光轉(zhuǎn)

33、換成新波段的激光，從而開辟新的激光光源，拓展激激光轉(zhuǎn)換成新波段的激光，從而開辟新的激光光源，拓展激光晶體的應(yīng)用范圍。光晶體的應(yīng)用范圍。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能24 常用的非線性光學(xué)晶體有碘酸鋰常用的非線性光學(xué)晶體有碘酸鋰(-LiIO3) 、鈮酸鋇鈉、鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15)、磷酸二氘鉀、磷酸二氘鉀 (KD2PO4)、 、三硼酸鋰、三硼酸鋰(LiB3O5)偏硼酸鋇偏硼酸鋇(-BaB2O4) 等。其中，偏硼酸鋇和三硼酸鋰晶體是等。其中，偏硼酸鋇和三硼酸鋰晶體是我國于我國于20世紀(jì)世紀(jì)80年代首先研制成功的，具有非線性光學(xué)系數(shù)年代首先研制成功的，具

34、有非線性光學(xué)系數(shù)大、激光損傷閾值高的突出優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)秀的激光頻率轉(zhuǎn)換晶大、激光損傷閾值高的突出優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)秀的激光頻率轉(zhuǎn)換晶體材料，在國際上引起了很大的反響。體材料，在國際上引起了很大的反響。 另一種著名的晶體是磷酸鈦氧鉀晶體另一種著名的晶體是磷酸鈦氧鉀晶體(KTiOPO4)，它是，它是迄今為止綜合性能最優(yōu)異的非線性光學(xué)晶體，被公認(rèn)為迄今為止綜合性能最優(yōu)異的非線性光學(xué)晶體，被公認(rèn)為1064m和和132m激光倍頻的首選材料，它可以把激光倍頻的首選材料，它可以把1064m的紅外激光轉(zhuǎn)換成的紅外激光轉(zhuǎn)換成 053m的綠色激光。由于綠光的綠色激光。由于綠光不僅能夠用于醫(yī)療、激光測距，還能夠進(jìn)行水下攝影和水

35、中不僅能夠用于醫(yī)療、激光測距，還能夠進(jìn)行水下攝影和水中通信等，因此，磷酸鈦氧鉀晶體得到了廣泛的應(yīng)用。通信等，因此，磷酸鈦氧鉀晶體得到了廣泛的應(yīng)用。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能25 （4）壓電晶體壓電晶體 當(dāng)晶體受到外力作用時，晶體會發(fā)生極化，并形成表面當(dāng)晶體受到外力作用時，晶體會發(fā)生極化，并形成表面電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)晶體受到外加電電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)；反之，當(dāng)晶體受到外加電場作用時，晶體會產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。場作用時，晶體會產(chǎn)生形變，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具具有壓電效應(yīng)的晶體則稱為壓電晶體，它只存在于沒有對稱中有

36、壓電效應(yīng)的晶體則稱為壓電晶體，它只存在于沒有對稱中心的晶類中。心的晶類中。 最早發(fā)現(xiàn)的壓電晶體是水晶最早發(fā)現(xiàn)的壓電晶體是水晶(-SiO2)。它具有頻率穩(wěn)定的。它具有頻率穩(wěn)定的特性，是一種理想的壓電材料，可用來制造諧振器、濾波器、特性，是一種理想的壓電材料，可用來制造諧振器、濾波器、換能器、光偏轉(zhuǎn)器、聲表面波器件及各種熱敏、氣敏、光敏換能器、光偏轉(zhuǎn)器、聲表面波器件及各種熱敏、氣敏、光敏和化學(xué)敏器件等。它還被廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活中，和化學(xué)敏器件等。它還被廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活中，如石英表、電子鐘、彩色電視機(jī)、立體聲收音機(jī)及錄音機(jī)如石英表、電子鐘、彩色電視機(jī)、立體聲收音機(jī)及錄音機(jī)等。等。

37、化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能26近年來，人們又研制出許多新的壓電晶體，如近年來，人們又研制出許多新的壓電晶體，如鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鉀、鉭酸鉀(KTaO3)等，等，鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋇鈉鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15)、鈮酸鉀鋰、鈮酸鉀鋰(K1-xLiNbO3)等以及層狀結(jié)構(gòu)的鍺酸鉍等以及層狀結(jié)構(gòu)的鍺酸鉍(Bi12GeO20)等。利用這些晶體的壓電效應(yīng)，可制成各種器件，等。利用這些晶體的壓電效應(yīng)，可制成各種器件，廣泛地用于軍事和民用工業(yè)，如血壓計、呼吸心音廣泛地用于軍事和民用工業(yè)，如血壓計、呼吸心音

38、測定器、壓電鍵盤、延遲線、振蕩器、放大器、壓測定器、壓電鍵盤、延遲線、振蕩器、放大器、壓電泵、超聲換能器、壓電變壓器等。電泵、超聲換能器、壓電變壓器等。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能27 （5）聲光晶體聲光晶體 當(dāng)光波和聲波同時射到晶體上時，聲波和光波當(dāng)光波和聲波同時射到晶體上時，聲波和光波之間將會產(chǎn)生相互作用，從而可用于控制光束，如之間將會產(chǎn)生相互作用，從而可用于控制光束，如使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、使光強(qiáng)和頻率發(fā)生變化等使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、使光強(qiáng)和頻率發(fā)生變化等，這種，這種晶體稱為聲光晶體，如鉬酸鉛晶體稱為聲光晶體，如鉬酸鉛(PbMoO4)、二氧化、二氧化碲碲 (T

39、eO2)、硫代砷酸鉈、硫代砷酸鉈(Tl3AsS4)等。利用這些晶體，等。利用這些晶體，人們可制成各種聲光器件，如聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)人們可制成各種聲光器件，如聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)Q開關(guān)、聲表面波器件等，從而把這些晶體廣泛地開關(guān)、聲表面波器件等，從而把這些晶體廣泛地用于激光雷達(dá)、電視及大屏幕顯示器的掃描、光子用于激光雷達(dá)、電視及大屏幕顯示器的掃描、光子計算機(jī)的光存儲器及激光通信等方面。計算機(jī)的光存儲器及激光通信等方面。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能28（6）光折變晶體）光折變晶體 光折變晶體是眾多晶體中最奇妙的一種晶體。光折變晶體是眾多晶體中最奇妙的一種晶體。當(dāng)

40、外界當(dāng)外界微弱微弱的激光照到這種晶體上時，晶體中的載流子被激發(fā)，在晶體中的激光照到這種晶體上時，晶體中的載流子被激發(fā)，在晶體中遷移并重新被捕獲，使得晶體內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷場，然后，通遷移并重新被捕獲，使得晶體內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷場，然后，通過電光效應(yīng)，空間電荷場改變晶體中折射率的空間分布，形成過電光效應(yīng)，空間電荷場改變晶體中折射率的空間分布，形成折射折射濾濾光柵，從而產(chǎn)生光折變效應(yīng)光柵，從而產(chǎn)生光折變效應(yīng). 光折變效應(yīng)的特點(diǎn)是，在弱光作用下就可表現(xiàn)出明顯的效光折變效應(yīng)的特點(diǎn)是，在弱光作用下就可表現(xiàn)出明顯的效應(yīng)。例如，在自泵浦相位共軛實驗中，一束毫瓦級的激光與光應(yīng)。例如，在自泵浦相位共軛實驗中，一束毫

41、瓦級的激光與光折變晶體作用就可以產(chǎn)生相位共軛波，使畸變得無法辨認(rèn)的圖折變晶體作用就可以產(chǎn)生相位共軛波，使畸變得無法辨認(rèn)的圖像清晰如初。由于折射像清晰如初。由于折射濾濾光柵在空間上是非局域的，它在波矢光柵在空間上是非局域的，它在波矢方向相對于干涉條紋有一定的空間相移，因而能使光束之間實方向相對于干涉條紋有一定的空間相移，因而能使光束之間實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。如兩波耦合實驗中，當(dāng)一束弱信號光和一束強(qiáng)光現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。如兩波耦合實驗中，當(dāng)一束弱信號光和一束強(qiáng)光在光折變晶體中相互作用時，弱信號光可以增強(qiáng)在光折變晶體中相互作用時，弱信號光可以增強(qiáng)1 000倍。倍?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)

42、材料結(jié)構(gòu)與性能29此外，憑借著光折變效應(yīng)，光折變晶體還具有以下特殊的性能：可此外，憑借著光折變效應(yīng)，光折變晶體還具有以下特殊的性能：可以在以在3cm3的體積中存儲的體積中存儲5000幅不同的圖像，并可以迅速顯示其中任幅不同的圖像，并可以迅速顯示其中任意一幅；可以精密地探測出小得只有意一幅；可以精密地探測出小得只有10-7厘米的距離改變；可以濾厘米的距離改變；可以濾去靜止不變的圖像，專門跟蹤剛發(fā)生的圖像改變；甚至還可以模擬去靜止不變的圖像，專門跟蹤剛發(fā)生的圖像改變；甚至還可以模擬人腦的聯(lián)想思維能力。因此，人腦的聯(lián)想思維能力。因此，這種晶體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便引起了人們的這種晶體一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便引起了人們的極

43、大興趣。極大興趣。 目前，有應(yīng)用價值的光折變晶體有鈦酸鋇目前，有應(yīng)用價值的光折變晶體有鈦酸鋇(BaTiO3)、鈮酸鉀、鈮酸鉀(KNbO3)、鈮酸鋰、鈮酸鋰(LiNbO3)、鈮酸鍶鋇、鈮酸鍶鋇(Sr1-xBaxNb2O6)系列、硅酸系列、硅酸鉍鉍(Bi12SiO20)等晶體。其中，摻鈰鈦酸鋇等晶體。其中，摻鈰鈦酸鋇(Ce：BaTiO3)是由中國科是由中國科學(xué)院物理研究所于學(xué)院物理研究所于90年代在國際上首次研制成功的。它的優(yōu)異性能，年代在國際上首次研制成功的。它的優(yōu)異性能，使光折變晶體在理論研究和實用化方面取得突破性進(jìn)展。當(dāng)前，光使光折變晶體在理論研究和實用化方面取得突破性進(jìn)展。當(dāng)前，光折變晶體

44、已發(fā)展成一種新穎的功能晶體，在光的圖像和信息處理、折變晶體已發(fā)展成一種新穎的功能晶體，在光的圖像和信息處理、相位共軛、全息存儲、光通訊和光計算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面展示著良相位共軛、全息存儲、光通訊和光計算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面展示著良好的應(yīng)用前景。好的應(yīng)用前景。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能306. 晶體研究的發(fā)展趨勢晶體研究的發(fā)展趨勢 隨著人們對晶體認(rèn)識的不斷深入，晶體研究的方向也逐隨著人們對晶體認(rèn)識的不斷深入，晶體研究的方向也逐步地發(fā)生著變化，其總的發(fā)展趨勢是：從晶態(tài)轉(zhuǎn)向非晶態(tài)；從步地發(fā)生著變化，其總的發(fā)展趨勢是：從晶態(tài)轉(zhuǎn)向非晶態(tài)；從體單晶轉(zhuǎn)向薄膜晶體；從通常的

45、晶格轉(zhuǎn)向超晶格；從單一功能體單晶轉(zhuǎn)向薄膜晶體；從通常的晶格轉(zhuǎn)向超晶格；從單一功能轉(zhuǎn)向多功能；從體性質(zhì)轉(zhuǎn)向表面性質(zhì)；從無機(jī)擴(kuò)展到有機(jī)轉(zhuǎn)向多功能；從體性質(zhì)轉(zhuǎn)向表面性質(zhì)；從無機(jī)擴(kuò)展到有機(jī)等。等。 此外，鑒于充分認(rèn)識到晶體此外，鑒于充分認(rèn)識到晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- 性能性能關(guān)系的重要性，關(guān)系的重要性，人們已經(jīng)開始利用分子設(shè)計來探索各種新型晶體。而且，隨著人們已經(jīng)開始利用分子設(shè)計來探索各種新型晶體。而且，隨著光子晶體和納米晶體的出現(xiàn)和發(fā)展，人類對晶體的認(rèn)識更是有光子晶體和納米晶體的出現(xiàn)和發(fā)展，人類對晶體的認(rèn)識更是有了新的飛躍?？梢韵嘈?，在不久的將來，晶體的品種將會更多、了新的飛躍。可以相信，在不久的將來，晶體的

46、品種將會更多、性能將會更優(yōu)異、應(yīng)用范圍也將會越來越廣。性能將會更優(yōu)異、應(yīng)用范圍也將會越來越廣。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能31第一章第一章 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識 目的和要求：初步掌握結(jié)晶化學(xué)的基本知識，目的和要求：初步掌握結(jié)晶化學(xué)的基本知識，掌握晶體結(jié)構(gòu)描述的基本方法。掌握晶體結(jié)構(gòu)描述的基本方法。教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)：結(jié)晶化學(xué)的基本知識，晶體教學(xué)難點(diǎn)、重點(diǎn)：結(jié)晶化學(xué)的基本知識，晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的基本概念。結(jié)構(gòu)有關(guān)的基本概念。第一節(jié)第一節(jié) 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間點(diǎn)陣第二節(jié)第二節(jié) 晶體的宏觀對稱性晶體的宏觀對稱性第三節(jié)第三節(jié) 晶體的晶體的

47、32種點(diǎn)群及分類種點(diǎn)群及分類第四節(jié)第四節(jié) 14種布拉維點(diǎn)陣和晶胞種布拉維點(diǎn)陣和晶胞第五節(jié)第五節(jié) 點(diǎn)陣幾何元素的表示法點(diǎn)陣幾何元素的表示法第六節(jié)第六節(jié) 微觀對稱和空間群微觀對稱和空間群化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能32一、一、 晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)的周期性和點(diǎn)陣 晶體是微粒（原子、分子、離子）在空間按一定規(guī)律周期性排列晶體是微粒（原子、分子、離子）在空間按一定規(guī)律周期性排列而成的固體。一切晶體在結(jié)構(gòu)上不同于非晶體（以及液體、氣體）的而成的固體。一切晶體在結(jié)構(gòu)上不同于非晶體（以及液體、氣體）的最本質(zhì)的特征，是組成晶體的微粒在三維空間的排列具有結(jié)構(gòu)的周期

48、最本質(zhì)的特征，是組成晶體的微粒在三維空間的排列具有結(jié)構(gòu)的周期性。性。 結(jié)構(gòu)的周期性：是指同一種微粒在空間排列上每隔一定距離重復(fù)出結(jié)構(gòu)的周期性：是指同一種微粒在空間排列上每隔一定距離重復(fù)出現(xiàn)。換句話說，在任一方向排在一直線上的相鄰兩種微粒之間的距離現(xiàn)。換句話說，在任一方向排在一直線上的相鄰兩種微粒之間的距離都相等，這個距離稱為周期。如果每一個微粒用一個點(diǎn)代表，則所有都相等，這個距離稱為周期。如果每一個微粒用一個點(diǎn)代表，則所有這些點(diǎn)組成一個有規(guī)則的空間點(diǎn)陣。這些點(diǎn)組成一個有規(guī)則的空間點(diǎn)陣。過一點(diǎn)在不同方向取三根聯(lián)結(jié)各點(diǎn)的直線作為三個坐標(biāo)軸，用三組平過一點(diǎn)在不同方向取三根聯(lián)結(jié)各點(diǎn)的直線作為三個坐標(biāo)軸

49、，用三組平行于坐標(biāo)軸的直線將所有的點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來，則將空間點(diǎn)陣劃成所謂空間行于坐標(biāo)軸的直線將所有的點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來，則將空間點(diǎn)陣劃成所謂空間格子，空間格子的最小單位是一個平行六面體。晶體的空間格子將晶格子，空間格子的最小單位是一個平行六面體。晶體的空間格子將晶體截分為一個個內(nèi)容（組成粒子、粒子的排布、粒子間的作用力的性體截分為一個個內(nèi)容（組成粒子、粒子的排布、粒子間的作用力的性質(zhì)等）完全等同的基本單位質(zhì)等）完全等同的基本單位晶胞。晶胞的形狀、大小與空間格子晶胞。晶胞的形狀、大小與空間格子的平行六面體單位相同。晶體可以看作無數(shù)個晶胞有規(guī)則地堆積而成。的平行六面體單位相同。晶體可以看作無數(shù)個晶胞有規(guī)則地堆積

50、而成。在非晶體中，微粒的排列沒有規(guī)則，不存在空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在非晶體中，微粒的排列沒有規(guī)則，不存在空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能33（1 1）均勻性）均勻性 一塊晶體內(nèi)部各個部分的宏觀性質(zhì)是相同的。如有相同一塊晶體內(nèi)部各個部分的宏觀性質(zhì)是相同的。如有相同的密度、相同的化學(xué)組成。來源于晶體中原子排布的周期很小，宏觀的密度、相同的化學(xué)組成。來源于晶體中原子排布的周期很小，宏觀觀察無法分辨微觀的不連續(xù)性。氣體、液體和玻璃體也有均勻性，是觀察無法分辨微觀的不連續(xù)性。氣體、液體和玻璃體也有均勻性，是由于原子雜亂無章的分布，來源于統(tǒng)計性規(guī)律。由于原子雜亂無

51、章的分布，來源于統(tǒng)計性規(guī)律。（2 2）各向異性）各向異性 一種性質(zhì)在晶體的不同方向上它的大小有差異，這叫一種性質(zhì)在晶體的不同方向上它的大小有差異，這叫做各向異性。晶體的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱和電的傳導(dǎo)性質(zhì)都表現(xiàn)做各向異性。晶體的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱和電的傳導(dǎo)性質(zhì)都表現(xiàn)出各向異性。例如，石墨晶體在平行于石墨層方向上比垂直于石墨層出各向異性。例如，石墨晶體在平行于石墨層方向上比垂直于石墨層方向上導(dǎo)電率大一萬倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。方向上導(dǎo)電率大一萬倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。這是由于在晶體內(nèi)不同方向上微粒排列的周期長短不同，而微粒間距這是由于在晶體內(nèi)不同方向上微粒

52、排列的周期長短不同，而微粒間距離的長短又直接影響它們相互作用力的大小和性質(zhì)。非晶體由于微粒離的長短又直接影響它們相互作用力的大小和性質(zhì)。非晶體由于微粒的排列是混亂的，表現(xiàn)為各向同性。的排列是混亂的，表現(xiàn)為各向同性。1. 1. 晶體的通性晶體的通性化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能34化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能35（3 3）自范性：）自范性： 晶體有整齊、規(guī)則的幾何外形晶體有整齊、規(guī)則的幾何外形 例如，只有結(jié)晶條件例如，只有結(jié)晶條件良好，可以看出食鹽、石英、明礬等分別具有立方體、六角柱體和八良好，可以看出食鹽、石英、明礬等分

53、別具有立方體、六角柱體和八面體的幾何外形。這是晶體內(nèi)微粒的排布具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在晶體外面體的幾何外形。這是晶體內(nèi)微粒的排布具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在晶體外形上的表現(xiàn)。對晶體有規(guī)則的幾何外形進(jìn)行深入研究以后，人們發(fā)現(xiàn)形上的表現(xiàn)。對晶體有規(guī)則的幾何外形進(jìn)行深入研究以后，人們發(fā)現(xiàn)不同晶體有不同程度的對稱性。晶體中可能具有的對稱元素有對稱中不同晶體有不同程度的對稱性。晶體中可能具有的對稱元素有對稱中心、鏡面、旋轉(zhuǎn)軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒心、鏡面、旋轉(zhuǎn)軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒有一定的幾何外形。晶體在理想環(huán)境中生長成凸多面體，其鏡面數(shù)有一定的幾何外形。晶體在理想環(huán)境中生

54、長成凸多面體，其鏡面數(shù)（F F）、晶棱數(shù)（）、晶棱數(shù)（E E）和頂點(diǎn)數(shù)（）和頂點(diǎn)數(shù)（V V）相互之間的關(guān)系符合）相互之間的關(guān)系符合EulerEuler公式：公式： F F + + V V = = E E + 2+ 2化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能36化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能37（4）在一定壓力下，晶體有固定的熔點(diǎn)在一定壓力下，晶體有固定的熔點(diǎn) 這是由于晶體這是由于晶體的每一個晶胞都是等同的，溫度升高，熱振動加劇，晶的每一個晶胞都是等同的，溫度升高，熱振動加劇，晶體開始熔化時，各部分需要相同的溫度；非晶體沒有固體開始熔

55、化時，各部分需要相同的溫度；非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，只有一段軟化溫度范圍。微粒間的作用力有定的熔點(diǎn)，只有一段軟化溫度范圍。微粒間的作用力有的大有的小，極不均一，所以沒有固定的熔點(diǎn)。的大有的小，極不均一，所以沒有固定的熔點(diǎn)。 （5） 晶體的對稱性晶體的對稱性 理想晶體的外形與其內(nèi)部的微觀理想晶體的外形與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)是緊密相關(guān)的，都具有特定的對稱性，而且其對稱結(jié)構(gòu)是緊密相關(guān)的，都具有特定的對稱性，而且其對稱性與性質(zhì)的關(guān)系非常密切。注意性與性質(zhì)的關(guān)系非常密切。注意:這里所說的對稱性與分這里所說的對稱性與分子點(diǎn)群不完全相同。子點(diǎn)群不完全相同。（6）穩(wěn)定性）穩(wěn)定性 晶體能長期保持其故有狀態(tài)而不會自發(fā)地

56、晶體能長期保持其故有狀態(tài)而不會自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)。轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鼱顟B(tài)?；瘜W(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能382. 點(diǎn)陣和結(jié)構(gòu)基元點(diǎn)陣和結(jié)構(gòu)基元點(diǎn)陣：點(diǎn)陣是一組無限的點(diǎn)。連接其中任意兩點(diǎn)得一向量，將點(diǎn)陣：點(diǎn)陣是一組無限的點(diǎn)。連接其中任意兩點(diǎn)得一向量，將各個點(diǎn)按此向量平移能使它復(fù)原，凡滿足這一條件的一組點(diǎn)稱各個點(diǎn)按此向量平移能使它復(fù)原，凡滿足這一條件的一組點(diǎn)稱為點(diǎn)陣（為點(diǎn)陣（Lattice）。還有定義為：沒有大小、沒有質(zhì)量、不可）。還有定義為：沒有大小、沒有質(zhì)量、不可分辨的，能夠表示晶體結(jié)構(gòu)中原子（或分子、離子）的排布規(guī)分辨的，能夠表示晶體結(jié)構(gòu)中原子（或分子、離子）的

57、排布規(guī)律的點(diǎn)在空間排布形成的圖形，叫點(diǎn)陣。律的點(diǎn)在空間排布形成的圖形，叫點(diǎn)陣。 晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣十結(jié)構(gòu)基元晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣十結(jié)構(gòu)基元點(diǎn)陣：點(diǎn)陣：由一組周圍環(huán)境相同的無數(shù)個點(diǎn)形成的抽象的幾何圖案。由一組周圍環(huán)境相同的無數(shù)個點(diǎn)形成的抽象的幾何圖案。點(diǎn)陣必須具備的三個條件：點(diǎn)陣必須具備的三個條件：（1）點(diǎn)陣點(diǎn)必須無窮多；）點(diǎn)陣點(diǎn)必須無窮多；（2）每個點(diǎn)陣點(diǎn)必須處于相同的環(huán)境；）每個點(diǎn)陣點(diǎn)必須處于相同的環(huán)境；（3）點(diǎn)陣在平移方向的周期必須相同。）點(diǎn)陣在平移方向的周期必須相同。點(diǎn)陣點(diǎn)點(diǎn)陣點(diǎn)：構(gòu)成點(diǎn)陣的點(diǎn)稱為點(diǎn)陣點(diǎn)。：構(gòu)成點(diǎn)陣的點(diǎn)稱為點(diǎn)陣點(diǎn)。平面點(diǎn)陣：平面點(diǎn)陣的所有點(diǎn)陣點(diǎn)分布在一個平面上。平面點(diǎn)陣：平面點(diǎn)陣的所有

58、點(diǎn)陣點(diǎn)分布在一個平面上。化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能39圖13 a一維結(jié)構(gòu)圖形； b 直線（一維）點(diǎn)陣化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能405個平面點(diǎn)陣形式：個平面點(diǎn)陣形式：化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能41 圖圖14 a二維結(jié)構(gòu)間形；二維結(jié)構(gòu)間形；b平面格子平面格子 圖圖15 a空間點(diǎn)陣；空間點(diǎn)陣；b空間格子空間格子化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院無機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性能423. 點(diǎn)陣單位點(diǎn)陣單位 相鄰的點(diǎn)陣點(diǎn)的連線形成直線點(diǎn)陣。相鄰兩個點(diǎn)陣點(diǎn)的矢量相鄰的點(diǎn)陣點(diǎn)的連線形成直線點(diǎn)

59、陣。相鄰兩個點(diǎn)陣點(diǎn)的矢量a a就就是是直線點(diǎn)陣的單位矢量直線點(diǎn)陣的單位矢量。矢量的長度。矢量的長度 |a a| = a, 稱為稱為直線點(diǎn)陣參數(shù)直線點(diǎn)陣參數(shù)。 平面點(diǎn)陣必可劃分為一組平行的直線點(diǎn)陣，并可選擇兩個不想平平面點(diǎn)陣必可劃分為一組平行的直線點(diǎn)陣，并可選擇兩個不想平行的單位矢量行的單位矢量a a和和b b劃分成并置的平行四邊形單位，稱為平面點(diǎn)陣單劃分成并置的平行四邊形單位，稱為平面點(diǎn)陣單位。點(diǎn)陣中每個點(diǎn)陣點(diǎn)位于平行四邊形的頂點(diǎn)上。矢量位。點(diǎn)陣中每個點(diǎn)陣點(diǎn)位于平行四邊形的頂點(diǎn)上。矢量a a和和b b的長度的長度|a a| = a, |b b| = b及其夾角及其夾角g g 稱為稱為平面點(diǎn)陣參

60、數(shù)平面點(diǎn)陣參數(shù)。通過平面點(diǎn)陣點(diǎn)劃分平。通過平面點(diǎn)陣點(diǎn)劃分平行四邊形的方式是多種多樣的，盡管他們的點(diǎn)陣參數(shù)不同。但如果他行四邊形的方式是多種多樣的，盡管他們的點(diǎn)陣參數(shù)不同。但如果他們都只含一個點(diǎn)陣點(diǎn)，他們的面積就一定相等。們都只含一個點(diǎn)陣點(diǎn)，他們的面積就一定相等。 空間點(diǎn)陣可以選擇三個不平行的單位矢量空間點(diǎn)陣可以選擇三個不平行的單位矢量a，b，c，他們將點(diǎn)陣，他們將點(diǎn)陣劃分成并置的平行六邊體單位，成為劃分成并置的平行六邊體單位，成為空間點(diǎn)陣單位空間點(diǎn)陣單位。相應(yīng)地，按照晶。相應(yīng)地，按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位成為體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位成為晶胞晶胞。矢量。矢量a，b