結(jié)晶過程與原理(英文)

ChemistryandCrystalGrowth

JurgHulliger

Researchfields:

1、chemistry,crystalgrowth2、physicalpropertiesofinorganicandorganicsolidmaterials3、thedevelopmentofspecialmethodsforthesynthesisofcrystalsandfortheinsitucharacterizationofcrystalgrowth.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth01020304Introduction

FundamentalsofCrystalGrowth

ExperimentalMethodsofCrystallization

ProgressintheSingle-CrystalGrowth

ofMaterialsofTopicalInterest

05SummaryandFutureProspects

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthAbstract

單晶材料和其他形式的凝聚態(tài)物質(zhì)(陶瓷、聚合物、液晶等)是現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ).因此，新材料的基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)具有“量身定制”的固態(tài)物理特性，因此不僅需要化學(xué)合成，而且還必須生產(chǎn)特定形態(tài)的單晶(要么是大塊的要么是薄的晶體)，以及明確定義的晶體缺陷(摻雜).在這篇綜述中，試圖將傳統(tǒng)的化學(xué)合成概念拓展到單晶合成的過程中.本文對(duì)固體材料的具體性能進(jìn)行了探討，并通過實(shí)驗(yàn)裝置來說明化學(xué)結(jié)晶過程中一系列問題的解決方法.此外，還包括了近年來關(guān)于高溫超導(dǎo)體、有機(jī)非線性光學(xué)化合物和蛋白質(zhì)的單晶體生長(zhǎng)的研究.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth1.Introduction

1.1.ChemistryandCrystalGrowth:TheEvolutionandSignificanceofCrystallization

1.2.FromCrystallizationtoSingleCrystalGrowth

化學(xué)與晶體生長(zhǎng)：結(jié)晶的演變與意義從結(jié)晶到單晶生長(zhǎng)2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth在化學(xué)的發(fā)展過程中，化學(xué)家們主要關(guān)注的是低分子量和大分子物質(zhì)的合成，以及通過分子吸積而形成的擴(kuò)展的固態(tài)結(jié)構(gòu).這導(dǎo)致了“晶體成核和生長(zhǎng)”在化學(xué)知識(shí)的地圖上仍然是黑暗的虛擬區(qū)域.2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthThemorechemistryexpanded,themorethechemistconcernedhimselfwithchemicalreactions,andthelesswiththestateofhissubstances.Inparticular,heentrustedthestudyofcrystalstocrystallographersorstructuralphysicists.”——Luttringhaus

化學(xué)擴(kuò)展得越多，化學(xué)家對(duì)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)注就越多，而對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)關(guān)注越少。特別是將晶體研究委托給晶體學(xué)家或結(jié)構(gòu)物理學(xué)家。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowthItishightimetorecognizethatbesidesclassicalchemistry,whichdealswithindividualmoleculesandatomsorions,Thereexistschemistrywherechemicaltransformationhasacollectivecharacter.Thischemistrycannotbeequatedwithclassicalchemistrynorextrapolatedfromit.——Anopinionpollinvolving50specialists

現(xiàn)在應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，除了涉及單個(gè)分子和原子或離子的經(jīng)典化學(xué)之外，具有集體性質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化也存在。這種化學(xué)不能等同于經(jīng)典化學(xué)，也不能從中推斷出來。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth

在固態(tài)化學(xué)的情況下，導(dǎo)致復(fù)雜固體形成的過程的集體性質(zhì)是有壓力的，但是，即使在這方面，也沒有提到晶體生長(zhǎng)的過程和機(jī)制及其表征的一般重要性。我們必須毫不夸張地說:與晶體生長(zhǎng)(單一晶體的合成——有別于分子合成或他通常的合成固體材料)相關(guān)的固態(tài)性質(zhì)(如物理學(xué)所考慮的)并不是化學(xué)的關(guān)注，或者只是處于邊緣。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth從今天的觀點(diǎn)來看，化學(xué)家的基本問題是化學(xué)在何種程度上將固態(tài)性質(zhì)和單晶合成作為其未來研究和教學(xué)的新主旨之一。

根據(jù)這一提綱，將討論兩個(gè)主題:1)從現(xiàn)代化學(xué)家的觀點(diǎn)中對(duì)結(jié)晶和晶體生長(zhǎng)的基本原理進(jìn)行介紹。2)對(duì)可促進(jìn)大規(guī)模結(jié)晶(實(shí)驗(yàn)室規(guī)模)的進(jìn)展，或生產(chǎn)小單晶(用于結(jié)構(gòu)調(diào)查)和制備大單晶(用于研究固體狀態(tài)的物理)的方法的實(shí)際討論。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth大多數(shù)類型的化學(xué)結(jié)晶可分為三類:a)大規(guī)模生產(chǎn)的小晶體,b)結(jié)晶的單晶(<1mm),和c)增長(zhǎng)的單晶(1mm-1m)。對(duì)于新合成的化合物，理想的固態(tài)性質(zhì)首先是用多晶(例如，陶瓷)和小的單晶樣品進(jìn)行研究，然后通過發(fā)展特定的晶體生長(zhǎng)方法(體積、薄膜和纖維單晶)來優(yōu)化。從材料研究的角度來看，目前常用的合成方法為單晶生長(zhǎng)的方法，實(shí)現(xiàn)了理想的固態(tài)性能。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth到目前為止，這篇文章的目的是闡明化學(xué)中結(jié)晶的意義，并為后面的討論的具體性質(zhì)做準(zhǔn)備，這部分內(nèi)容描述了現(xiàn)代晶體生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。在該理論的概要(第2節(jié))之后，在第三節(jié)中提出了一種非常實(shí)用的系統(tǒng)方法。在第四節(jié)中，簡(jiǎn)要討論了三種熱門材料的晶體生長(zhǎng)情況。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2.1.EnergeticsandKineticsofNucleationandVolumeGrowth2.2.PhaseDiagramsandaSystematicClassificationforGeneralMethodsofCrystalGrowth2.3.MorphologyasaProperty2.FundamentalsofCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth3.1.實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的結(jié)晶3.1.1.溶液結(jié)晶3.1.2.熔體結(jié)晶3.1.3.氣相結(jié)晶3.1.4.固態(tài)結(jié)晶3.1.5.衍生物形成的結(jié)晶3.1.6.溶液化學(xué)結(jié)晶的基本原理。3.2.晶體生長(zhǎng)的探索方法

3.3.現(xiàn)代先

進(jìn)化學(xué)結(jié)晶方法探討3.3.1.略微過冷的有機(jī)熔體結(jié)晶3.3.2.通過等飽和蒸發(fā)進(jìn)行結(jié)晶3.ExperimentalMethodsofCrystallization

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth1）選擇化學(xué)穩(wěn)定的雙組分或多組分體系2）排除抑制成核和生長(zhǎng)的成分3）適合結(jié)晶的濃度范圍：5wt%-30wt%，當(dāng)生長(zhǎng)大量單晶時(shí)，X物質(zhì)的濃度應(yīng)盡可能高。4）最佳的成核和生長(zhǎng)溫度通常遠(yuǎn)低于純物質(zhì)的熔點(diǎn)，并且明顯高于純?nèi)軇┑墓簿囟然蛉埸c(diǎn)。5）在成功成核之后，體積增長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)接近飽和溫度（但總是在亞穩(wěn)區(qū)域內(nèi)）需要具有可編程溫度的加熱槽6）當(dāng)與自發(fā)成核作用時(shí)，少量的不溶性固體在化合物首次結(jié)晶時(shí)不應(yīng)被除去，因?yàn)檫@些成分通常會(huì)降低成核閾值。2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth4.ProgressintheSingle-CrystalGrowthofMaterialsofTopicalInterest4.1.SpecialLiteratureInformation

4.2.High-TemperatureSuperconductors4.3.NonlinearOpticalMolecularCrystals

4.4.ProteinCrystallization

2024/4/14ChemistryandCrystalGrowth5.SummaryandFutureProspects

雖然這些是25年前寫的，但大部分合成化學(xué)尚未采用晶體生長(zhǎng)作為一種特殊的物理性質(zhì)的超分子結(jié)構(gòu)的特殊合成方法。然而，自固體物理學(xué)和材料科學(xué)的普遍高漲以來，大量單晶材料的發(fā)展，已經(jīng)表明了一種化學(xué)的可能性，它既包含了新化合物的經(jīng)典合成，又包含了具有有趣性質(zhì)的單晶相的形成。在我看來，關(guān)于晶體生長(zhǎng)科學(xué)的學(xué)科合作和理論方面的研究，我認(rèn)為中心話題是關(guān)于系統(tǒng)實(shí)際