晶體

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晶體crystal即是物質的質點分子原子離子在三維空間作有規律的周期重複排列所形成的物質

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目 錄1簡介

1.1 概述

1.2 特徵

1.3 結構

1.4 特性

2種類

3缺陷

3.1 分類

3.2 符號及反應方程式

3.3 熱缺 陷

3.4 刃型位錯

3.5 螺型位錯

3.6 晶面不對稱

3.7 堆垛層錯

4熔沸點

5結晶

1簡介概述固態物質分為晶體和非晶體從宏觀上看晶體都有自己獨特的呈對稱性的形狀如食鹽呈立方體冰呈六角稜柱體明礬呈八面體等而非晶體的外形則是不規則的晶體在不同的方向上有不同的物理性質如機械強度導熱性熱膨脹導電性等稱為各向異性而非晶體的物理性質卻表現為各向同性晶體有固定的熔化溫度熔點或凝固點而非晶體則是隨溫度的升高逐漸由硬變軟而熔化非晶體沒有固定的熔點

晶體和非晶體所以含有不同的物理性質主要是由於它的微觀結構不同組成晶體的微粒原子是對稱排列的形成很規則的幾何空間點陣空間點陣排列成不同的形狀就在宏觀上呈現為晶體不同的獨特幾何形狀組成點陣的各個原子之間都相互作用著它們的作用主要是靜電力對每一個原子來說其他原子對它作用的總效果使它們都處在勢能最低的狀態因此很穩定宏觀上就表現為形狀固定且不易改變晶體內部原子有規則的排列引起了晶體各向不同的物理性質例如原子的規則排列可以使晶體內部出現若幹個晶面立方體的食鹽就有三組與其邊面平行的平面如果外力沿平行晶面的方向作用則晶體就很容易滑動變形這種變形還不易恢復稱為晶體的彈性從這裡可以看出沿晶面的方向其彈性限度小隻要稍加力就超出了其彈性限度使其不能複原而沿其他方向則彈性限度很大能承受較大的壓力拉力而仍滿足胡克定律當晶體吸收熱量時由於不同方向原子排列疏密不同間距不同吸收的熱量多少也不同於是表現為有不同的傳熱係數和膨脹係數

非晶體的內部組成是原子無規則的均勻排列沒有一個方向比另一個方向特殊如同液體內的分子排列一樣形不成空間點陣故表現為各向同性

當晶體從外界吸收熱量時其內部分子原子的平均動能XX溫度也開始升高但並不破壞其空間點陣仍保持有規則排列繼續吸熱達到一定的溫度熔點時其分子原子運動的劇烈程度可以破壞其有規則的排列空間點陣也開始解體於是晶體開始變成液體在晶體從固體向液體的轉化過程中吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點陣所以固液混合物的溫度並不升高當晶體完全熔化后隨著從外界吸收熱量溫度又開始升高而非晶體由於分子原子的排列不規則吸收熱量后不需要破壞其空間點陣只用來提高平均動能所以當從外界吸收熱量時便由硬變軟最後變成液體玻璃松香瀝青和橡膠就是常見的非晶體

多數的固體晶體屬於多晶體也叫復晶體它是由單晶體組成的這種組成方式是無規則的每個單晶體的取向不同雖然每個單晶體仍保持原來的特性但多晶體除有固定的熔點外其他宏觀物理特性就不再存在這是因為組成多晶體的單晶體仍保持著分子原子有規則的排列溫度達不到熔解溫度時不會破壞其空間點陣故仍存在熔解溫度而其他方面的宏觀性質則因為多晶體是由大量單晶體無規則排列成的單晶體各方向上的特性平均后沒有一個方向比另一個方向上更佔優勢故成為各向同性各種金屬就屬於多晶體它們沒有固定的獨特形狀表現為各向同性

常見晶體

常見的晶體有萘海波冰各種金屬

珠寶玉石中的晶體定義

晶體是具有格子構造的固體其內部質點在空間作有規律的周期性重複排列

特徵1晶體擁有整齊規則的幾何外形即晶體的自限性

2晶體擁有固定的熔點在熔化過程中溫 晶體

度始終保持不變

3晶體有各向異性的特點固態物質有晶體與非晶態物質無定形固體之分而無定形固體不具有上述特點

晶體是內部質點在三維空間成周期性重複排列的固體具有長程有序並成周期性重複排列

非晶體是內部質點在三維空間不成周期性重複排列的固體具有近程有序但不具有長程有序如玻璃外形為無規則形狀的固體

4晶體可以使X光發生有規律的衍XX

宏觀上能否產生X光衍XX現象實驗上判定某物質是不是晶體的主要方法[1]

5晶體相對應的晶面角相等稱為晶面角守恆[2]

結構晶體按其結構粒子和作用力的不同可分為四類離 透XX電鏡圖片看晶體結構

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准晶體三大類

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XXX線衍XX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複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於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 合成鉍單晶

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乾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准晶體三大類

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准晶體是發現的一類新物質其內部排列既不同於晶體也不同於非晶體

究竟什麼樣的物質才能算作 晶體

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准晶體那麼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准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於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

由於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範圍

類別實例

1.立方晶系鑽石明礬金 鐵鉛

2.正方 晶體

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

6.三方菱形晶系砷水晶冰石墨

7.六方晶系鎂鋅鈹鎘鈣

特性晶體的分佈非常廣泛自然界的固體 晶體

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範圍內的規則排列

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 晶體

晶面劈裂的性質

7.最小內能成型晶體內能最小

8.晶面角守恆屬於同種晶體的兩個對應晶面之間的夾角恆定不變

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佈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 晶體

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於位能最低的結果

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複出現這是由於它具有規律的格子構造是其在三維空間周期性重複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複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複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並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並互相制約制約的結果有二

1晶體結構中只能存在1234和6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360°/n因此晶體能在外形和宏觀中反映出來的軸對稱性也只限於這些軸次

由於原子並不處於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製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製造用於光學和電子設備(比如激光或硬碟)的人工材料有用水鐵石ferrihydrite的天然的預製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後反應中的性質

2種類晶體的一些性質取決於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鑽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於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XX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 晶體

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

用來製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紅寶石的基本成分氧化鋁它的熔點高製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製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後在籽晶上重新結晶

生長人造鑽石需要高於1600℃的溫度和60000倍大氣壓人造鑽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並在單晶體上重結晶然後將加熱處慢慢地沿棒下移

3缺陷分類晶體缺陷各種偏離晶體結構中質點周期重複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XX了一些雜質這些雜質也會佔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科學研究十分注意的一個內容

根據缺陷的作用範圍把真實晶體缺陷分四類

點缺陷在三維尺寸均很小隻在某些位置發生隻影響鄰近幾個原子 晶體

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沉澱相空洞氣泡等

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XX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於激髮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VMVX

2間隙離子除正常結點位置外的位置出現了質點Mi Xx

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MMXX

4取代離子外來雜質LXX晶體中若取代M則LM若取代X則LX若佔據間隙位則Li

5自由電子 e代表存在一個負電荷表示有效電荷 晶體

5電子空穴 h·(代表存在一個正電荷)·表示有效正電荷

如從NaCl晶體中取走一個Na+留下一個空位造成電價不平衡多出負一價 相當於取走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複合缺陷

同時出現正負離子空位時形成複合缺陷雙空位

VM+VX→VM- VX

缺陷反應方程式

必須遵守三個原則

1位置平衡反應前後位置數不變相對物質位置而言

2質點平衡反應前後質量不變相對加入物質而言

3電價平衡反應前後呈電中性

例將CaCl2引入KCl中

將CaO引入ZrO2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

熱缺 陷晶格位置缺陷)

只要晶體的溫度高於絕對零度原子就要吸收熱能而運動但由於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幅度隨溫度升高而XX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於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於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係格點位質點要XX間隙位間隙必須要足夠大如螢石CaF2型結構的物質空隙較大易形成而NaCl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XX對離子晶體正負離子空位成對出現數量相等結構緻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於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最大限度避免缺陷產生 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XX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佔據兩種位置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於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於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XX導帶導電率很低為改善導電性可採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並導出一個電子叫施主型雜質這個多餘電子處於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於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

刃型位錯其形式可以設想為在一完整晶體沿BCEF晶面橫切一刀從BCAD將ABCD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BCEF滑移區ABCD未滑移區ADEFAD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⊥有多餘半片原子面

螺型位錯其形成可設想為在一完整晶體沿ABCD晶面橫切一刀在ABCD面上部分沿X方向施一力δ使其生產滑移滑移區ABCD未滑移區ADEF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

由於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XX電子衍XX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並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

涉及較大範圍二維方向晶界晶面堆垛層錯

晶面不對稱由於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10-6-10-8m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於晶粒以微小角度相交可以認為合併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

堆垛層錯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ABCABCA……→ABCACBABC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Fe1-xO,Cu2-xO,Co1-xO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FeOFe/O=1/1TiO2, Ti/O=1/2等

非化學計量化合物缺陷

1陽離子過剩形成陰離子空位

TiO2ZrO2會產生這種缺陷分子式為TiO2-x, ZrO2-x,從化學計量觀念正負離子比為12由於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TiO2可以看作是四價鈦和三價鈦氧化物的固體溶液即Ti2O3在TiO2中的固溶體或從電中性考慮Ti由四價→三價原因Ti4+獲得一個電子→Ti3+所獲得的電了是由於氧不足脫離 正常TiO2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並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TiO2→TiO2-x

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ThO2CeO2等與氣氛有關

陽離子過剩

形成間隙陽離子

如ZnOCdO→Zn1+xo,Cd1+xO過剩的金屬離子XX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ZnO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UO2+X可以看作U3O8在UO2中的固溶體當負離子過剩XX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

由於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Cu2OFeO即是例FeO在氧氣下形成這種缺陷實際上是Fe2O3在FeO中形成的固溶體高價取代低價即2個Fe3+取代3個Fe2+同時在晶格中形成個正離子空位在氧氣條件下氧氣XXFeO晶格結構中變為氧離子必須從鐵離子獲得兩個電子使Fe2+→Fe3+並形成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

4熔沸點不同晶體類型

一般為原子晶體>離子晶體>分子晶體金屬晶體的熔沸點有的很高如鎢有的很低如汞

同種類型晶體

以下詳見本身詞條

1同屬金屬晶體

2同屬原子晶體

3同屬離子晶體

4同屬分子晶體

5結晶結晶分兩種一種是降溫結晶另一種是蒸髮結晶降溫結晶首先加熱溶液蒸發溶劑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

蒸髮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髮結晶

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參考資料 1. 李聚源 張耀君 .普通化學簡明教程 :化學工業出版社 ,2005年 :151頁 .

2. 朱建國等 .固體物理學 .北京 :科學出版社 ,2005 :1 .

相關文獻物理氣相傳輸(PVT)法生長碳化硅的晶體形態熱應力分析-西安交通大學學報-2011年 第1期 (45)

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石英晶體諧振器預應力條件下的模態分析-感測器與微系統-2011年 第1期 (30)

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1簡介1.1概述1.2特徵1.3結構1.4特性2種類3缺陷3.1分類3.2符號及反應方程式3.3熱缺 陷3.4刃型位錯3.5螺型位錯3.6晶面不對稱3.7堆垛層錯4熔沸點5結晶

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1簡介概述固態物質分為晶體和非晶體從宏觀上看晶體都有自己獨特的呈對稱性的形狀如食鹽呈立方體冰呈六角稜柱體明礬呈八面體等而非晶體的外形則是不規則的晶體在不同的方向上有不同的物理性質如機械強度導熱性熱膨脹導電性等稱為各向異性而非晶體的物理性質卻表現為各向同性晶體有固定的熔化溫度熔點或凝固點而非晶體則是隨溫度的升高逐漸由硬變軟而熔化非晶體沒有固定的熔點

晶體和非晶體所以含有不同的物理性質主要是由於它的微觀結構不同組成晶體的微粒原子是對稱排列的形成很規則的幾何空間點陣空間點陣排列成不同的形狀就在宏觀上呈現為晶體不同的獨特幾何形狀組成點陣的各個原子之間都相互作用著它們的作用主要是靜電力對每一個原子來說其他原子對它作用的總效果使它們都處在勢能最低的狀態因此很穩定宏觀上就表現為形狀固定且不易改變晶體內部原子有規則的排列引起了晶體各向不同的物理性質例如原子的規則排列可以使晶體內部出現若幹個晶面立方體的食鹽就有三組與其邊面平行的平面如果外力沿平行晶面的方向作用則晶體就很容易滑動變形這種變形還不易恢復稱為晶體的彈性從這裡可以看出沿晶面的方向其彈性限度小隻要稍加力就超出了其彈性限度使其不能複原而沿其他方向則彈性限度很大能承受較大的壓力拉力而仍滿足胡克定律當晶體吸收熱量時由於不同方向原子排列疏密不同間距不同吸收的熱量多少也不同於是表現為有不同的傳熱係數和膨脹係數

非晶體的內部組成是原子無規則的均勻排列沒有一個方向比另一個方向特殊如同液體內的分子排列一樣形不成空間點陣故表現為各向同性

當晶體從外界吸收熱量時其內部分子原子的平均動能XX溫度也開始升高但並不破壞其空間點陣仍保持有規則排列繼續吸熱達到一定的溫度熔點時其分子原子運動的劇烈程度可以破壞其有規則的排列空間點陣也開始解體於是晶體開始變成液體在晶體從固體向液體的轉化過程中吸收的熱量用來一部分一部分地破壞晶體的空間點陣所以固液混合物的溫度並不升高當晶體完全熔化后隨著從外界吸收熱量溫度又開始升高而非晶體由於分子原子的排列不規則吸收熱量后不需要破壞其空間點陣只用來提高平均動能所以當從外界吸收熱量時便由硬變軟最後變成液體玻璃松香瀝青和橡膠就是常見的非晶體

多數的固體晶體屬於多晶體也叫復晶體它是由單晶體組成的這種組成方式是無規則的每個單晶體的取向不同雖然每個單晶體仍保持原來的特性但多晶體除有固定的熔點外其他宏觀物理特性就不再存在這是因為組成多晶體的單晶體仍保持著分子原子有規則的排列溫度達不到熔解溫度時不會破壞其空間點陣故仍存在熔解溫度而其他方面的宏觀性質則因為多晶體是由大量單晶體無規則排列成的單晶體各方向上的特性平均后沒有一個方向比另一個方向上更佔優勢故成為各向同性各種金屬就屬於多晶體它們沒有固定的獨特形狀表現為各向同性

常見晶體

常見的晶體有萘海波冰各種金屬

珠寶玉石中的晶體定義

晶體是具有格子構造的固體其內部質點在空間作有規律的周期性重複排列

特徵1晶體擁有整齊規則的幾何外形即晶體的自限性

2晶體擁有固定的熔點在熔化過程中溫 晶體

度始終保持不變

3晶體有各向異性的特點固態物質有晶體與非晶態物質無定形固體之分而無定形固體不具有上述特點

晶體是內部質點在三維空間成周期性重複排列的固體具有長程有序並成周期性重複排列

非晶體是內部質點在三維空間不成周期性重複排列的固體具有近程有序但不具有長程有序如玻璃外形為無規則形狀的固體

4晶體可以使X光發生有規律的衍XX

宏觀上能否產生X光衍XX現象是實驗上判定某物質是不是晶體的主要方法[1]

5晶體相對應的晶面角相等稱為晶面角守恆[2]

結構晶體按其結構粒子和作用力的不同可分為四類離 透XX電鏡圖片看晶體結構

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准晶體三大類

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XXX線衍XX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複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於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 合成鉍單晶

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乾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准晶體三大類

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准晶體是發現的一類新物質其內部排列既不同於晶體也不同於非晶體

究竟什麼樣的物質才能算作 晶體

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准晶體那麼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准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於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

由於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範圍

類別實例

1.立方晶系鑽石明礬金 鐵鉛

2.正方 晶體

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

6.三方菱形晶系砷水晶冰石墨

7.六方晶系鎂鋅鈹鎘鈣

特性晶體的分佈非常廣泛自然界的固體 晶體

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範圍內的規則排列

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 晶體

晶面劈裂的性質

7.最小內能成型晶體內能最小

8.晶面角守恆屬於同種晶體的兩個對應晶面之間的夾角恆定不變

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佈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 晶體

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於位能最低的結果

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複出現這是由於它具有規律的格子構造是其在三維空間周期性重複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複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複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並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並互相制約制約的結果有二

1晶體結構中只能存在1234和6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360°/n因此晶體能在外形和宏觀中反映出來的軸對稱性也只限於這些軸次

由於原子並不處於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製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製造用於光學和電子設備(比如激光或硬碟)的人工材料有用水鐵石ferrihydrite的天然的預製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後反應中的性質

2種類晶體的一些性質取決於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鑽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於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XX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 晶體

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

用來製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製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製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後在籽晶上重新結晶

生長人造鑽石需要高於1600℃的溫度和60000倍大氣壓人造鑽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並在單晶體上重結晶然後將加熱處慢慢地沿棒下移

3缺陷分類晶體缺陷各種偏離晶體結構中質點周期重複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XX了一些雜質這些雜質也會佔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

根據缺陷的作用範圍把真實晶體缺陷分四類

點缺陷在三維尺寸均很小隻在某些位置發生隻影響鄰近幾個原子 晶體

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澱相空洞氣泡等

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XX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於激髮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VMVX

2間隙離子除正常結點位置外的位置出現了質點Mi Xx

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MMXX

4取代離子外來雜質LXX晶體中若取代M則LM若取代X則LX若佔據間隙位則Li

5自由電子 e代表存在一個負電荷表示有效電荷 晶體

5電子空穴 h·(代表存在一個正電荷)·表示有效正電荷

如從NaCl晶體中取走一個Na+留下一個空位造成電價不平衡多出負一價 相當於取走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複合缺陷

同時出現正負離子空位時形成複合缺陷雙空位

VM+VX→VM- VX

缺陷反應方程式

必須遵守三個原則

1位置平衡反應前後位置數不變相對物質位置而言

2質點平衡反應前後質量不變相對加入物質而言

3電價平衡反應前後呈電中性

例將CaCl2引入KCl中

將CaO引入ZrO2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

熱缺 陷晶格位置缺陷)

只要晶體的溫度高於絕對零度原子就要吸收熱能而運動但由於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XX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於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於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係格點位質點要XX間隙位間隙必須要足夠大如螢石CaF2型結構的物質空隙較大易形成而NaCl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XX對離子晶體正負離子空位成對出現數量相等結構緻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於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最大限度避免缺陷產生 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XX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佔據兩種位置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於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於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XX導帶導電率很低為改善導電性可採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並導出一個電子叫施主型雜質這個多餘電子處於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於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

刃型位錯其形式可以設想為在一完整晶體沿BCEF晶面橫切一刀從BCAD將ABCD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BCEF滑移區ABCD未滑移區ADEFAD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⊥有多餘半片原子面

螺型位錯其形成可設想為在一完整晶體沿ABCD晶面橫切一刀在ABCD面上部分沿X方向施一力δ使其生產滑移滑移區ABCD未滑移區ADEF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

由於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XX電子衍XX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並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

涉及較大範圍二維方向晶界晶面堆垛層錯

晶面不對稱由於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10-6-10-8m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於晶粒以微小角度相交可以認為合併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

堆垛層錯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ABCABCA……→ABCACBABC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Fe1-xO,Cu2-xO,Co1-xO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FeOFe/O=1/1TiO2, Ti/O=1/2等

非化學計量化合物缺陷

1陽離子過剩形成陰離子空位

TiO2ZrO2會產生這種缺陷分子式為TiO2-x, ZrO2-x,從化學計量觀念正負離子比為12由於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TiO2可以看作是四價鈦和三價鈦氧化物的固體溶液即Ti2O3在TiO2中的固溶體或從電中性考慮Ti由四價→三價原因Ti4+獲得一個電子→Ti3+所獲得的電了是由於氧不足脫離 正常TiO2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並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TiO2→TiO2-x

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ThO2CeO2等與氣氛有關

陽離子過剩

形成間隙陽離子

如ZnOCdO→Zn1+xo,Cd1+xO過剩的金屬離子XX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ZnO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UO2+X可以看作U3O8在UO2中的固溶體當負離子過剩XX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

由於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Cu2OFeO即是例FeO在氧氣下形成這種缺陷實際上是Fe2O3在FeO中形成的固溶體高價取代低價即2個Fe3+取代3個Fe2+同時在晶格中形成個正離子空位在氧氣條件下氧氣XXFeO晶格結構中變為氧離子必須從鐵離子獲得兩個電子使Fe2+→Fe3+並形成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

4熔沸點不同晶體類型

一般為原子晶體>離子晶體>分子晶體金屬晶體的熔沸點有的很高如鎢有的很低如汞

同種類型晶體

以下詳見本身詞條

1同屬金屬晶體

2同屬原子晶體

3同屬離子晶體

4同屬分子晶體

5結晶結晶分兩種一種是降溫結晶另一種是蒸髮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

蒸髮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髮結晶


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