晶体生长科学与技术1(1-2).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,参考书目,人工晶体,生长技术、性能与应用,，张玉龙唐磊主,编，化学工业出版社（,2005,）,晶体生长基础,，姚连增著，中国科学技术大学出版社,（,1995,）,晶体生长的物理基础,，闵乃本著，科学技术出版社,（,1982,）,Crystal Growth Technology,，,John Wiley,，,Hans,J.Scheel,and,Tsuguo,Fukuda,2003.,Crystal Growth for,Bginners,:fundamentals of nucleation,crystal growth and,epitaxy,，,World Scientific,I.V.Markov,，,1998,意义,材料的发展是新技术发展的基石；,晶体材料具有的特殊性能，如实现电、磁、力、光和热的交互使用以及互相转化，使其在光学、磁学、半导体和激光等诸多领域中得到应用；,是微电子、光电子、通讯、航天、宇航等高科技和现代军事领域中的关键材料；,作为装饰用的水晶，各种宝石，金刚石等都是晶体物质；,晶体材料的研究方向,晶体材料,准晶、非晶态、多晶；,体单晶,薄膜晶体材料；,完整晶体,研究晶体缺陷；,通常的晶格,半导体和金属的超晶格；,单一功能晶体,多功能晶体；,晶体的体内性质,表面性质；,无机晶体,有机高分子晶体；,材料科学与工程,6,晶体科学,晶,体,生,长,晶,体,物,理,晶,体,化,学,晶,体,光,学,晶,体,几,何,晶,体,结,构,分,析,晶,体,构,造,晶体科学,晶,体,几,何,晶,体,的,对,称,性,晶,体,的,理,想,外,形,典,型,晶,体,结,构,准,晶,的,对,称,性,材料的分类,成,分,结,构,金属,无机非金属,有机,晶体,非晶体,准晶体,晶体,原子、离子或分子在空间成周期,性规律排列的固体。长程有序结构,金属、陶瓷、宝石,准晶体,原子在空间成准周期性规律排,列。长程准周期序结构,特定成分和冷却速率下的合金,非晶体,长程无序、短程有序结构。原子排列不遵从,周期性规律,玻璃、大多数有机材料,材料,的,结构,晶体科学发展概况,公元前，古希腊地理学家斯特拉玻,(Strabo)观察到,水晶和冰有相似外形，把水晶叫做“,Krnstallo,s,”“洁净的冰”,Crystal：,晶体、水晶,Crystallography:,晶体学,矿物,晶体学,化学成分为二氧化硅，分子式为,SiO2,；,同种矿物晶体常因成分上微小差异而呈现不同的颜色,；,紫水晶含微量的铁离子,；,萤石(CaF,2,),方解石（CaCO,3,),方解石（CaCO,3,),方解石化学成分为,CaCO3,，无色或白色，有时被铁、铜等元素染成浅黄、褐黑色等各种颜色,；,萤石又称氟石，用于制备氟化氢；,黄铁矿（FeS,2,）,黄铁矿，主要成分是硫化铁,FeS2,，是提取硫、制造硫酸的主要矿物原料,；,黄铁矿因其浅黄铜的颜色和明亮的金属光泽，常被误认为是黄金，故又称为“愚人金”；,重晶石,重晶石，主要成分是硫酸钡,(BaSO4),；纯重晶石显白色、有光泽，由于杂质及混入物的影响也常呈灰色、浅红色、浅黄色等。结晶情况好的重晶石可呈透明；,重晶石化学性质稳定，不溶于水和盐酸，无磁性和毒性；,硬度,按摩氏硬度分类，硬度是指矿物抵抗磨损的能力；,硅主要以化合物的形式,作为仅次于氧的最丰富的元素存在于地壳中，约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅酸盐和硅石中；,工业上，通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得，经过不断提纯，满足冶金、太阳能以及微电子产业的应用；,1822,年，瑞典化学家白则里用金属钾还原四氟化硅,(,或氟硅酸钾,K2SiF6),，得到了单质硅；,主要生长方法：直拉,(,Czochralski,),法，,区熔,(Floating Zone),法；,硅：人工晶体,1669年，丹麦学者斯丹诺（N.Steno）,晶体面角守衡定律,：,同一物质的晶体中，相应晶面之间的夹角是恒定不变的,A、B：141.78；A、C：113.13；B、C：120.0,不同外形的石英,1784年，法国阿羽依（R.J.Hauy）,解理,晶胞学说：,晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的,云母,NaCl 单晶,解理,当晶体受外力作用时，往往沿着特定的晶面破裂，出现许多平行而光滑的破裂面，称为解理面；,解理面一般平行于晶体格架中质点最紧密，联结力最强的面。因为垂直这种面的联结力较弱，晶体易于平行此面破裂；,不同矿物的解理，可能有一个方向，也可能有多个方向。常见的有一向（石墨、云母等）、二向（角闪石等）、三向（方解石等），此外还有四向（如萤石）、六向（如闪锌矿）解理,如果晶体个方向原子结合力都很强时，就不容易出现解理面，代之产生不规则也不平整的破裂面，称为断口,(,贝壳状、纤维状、锯齿状以及不规则状,),；,石英的贝壳状断口,方解石具有三组解理面,空间点阵和晶胞,阵点,空间点阵,为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。,这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。,具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作,为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维,的重复堆砌就构成了空间点阵。,晶胞,晶胞选取的原则,同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞,晶胞选取的原则,选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；,平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；,当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；,当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。,晶胞、晶轴和点阵矢量,点阵矢量：,点阵常数：a,b,c,棱边夹角,14种布拉菲点阵,根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归,属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境,相同“的要求，布拉菲（Bravais A）用数学方法推导,出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有,14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。,三斜：,简单三斜,单斜：,简单单斜,底心单斜,正交：,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,菱方：,简单菱方,六方：,简单六方,四方：,简单四方,体心四方,立方：,简单立方,体心立方,面心立方,晶向指数和晶面指数,晶向：晶体中原子的位置、原子列 的方向,晶面：原子构成的平面,Miller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数,晶向指数,晶向指数：u v w,任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。,OP=u +v +w,晶向指数的确定步骤,1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。,2)过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。,3)在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。,4)将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，u v w即为待定晶向的晶向指数。,晶向指数的例子,正交晶系一些重要晶向的晶向指数,晶向指数的意义,晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；,所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；,晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用表示,晶面指数标定步骤,1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；,2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；,3)取各截距的倒数；,4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(h k l)。,晶面指数,晶面指数的例子,正交点阵中一些晶面的面指数,?,晶面指数的意义,在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以h k l表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。,晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着 一组相互平行的晶面。,立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；,立方晶系中，晶面族,111,表示正八面体的面；,立方晶系中，晶面族,110,表示正十二面体的面；,晶体微观结构的实验研究,1912年，德国劳厄（M.V.Laue），X射线衍射可用来研究晶体结构,1912年，德国弗里德里奇（W.Friedrich）和克尼平（P.Knipping），第一次得到了闪锌矿规律性排列的斑点衍射图,电子显微 镜、场离子显微 镜、,扫描隧道显微 镜,1984年,准晶的发现,钠沸石的x衍射图,微氮硅-高密度小尺寸原生氧沉淀,微氮硅-原生氧沉淀高分辨像,消光规律,简单立方：无消光现象；,面心立方：,h,，,k,，,l,有奇有偶；,体心立方：,h+k+l,=,奇数；,体心四方：,h+k+l,=,奇数；,金刚石立方：,h,，,k,，,l,全偶且,h+k+l,4n,或者,h,，,k,，,l,有奇有偶,；,密排六方：,h+2k=3n,及,l=,奇数；,举例：,硅单晶是由共价键组成的金刚石结构，晶格常数为,5.43,埃；,右图是点阵的投影值。硅单晶的结构：两个面心立方晶体沿着对角线移动,1/4,距离而形成；,典型的硅晶体电子衍射图,典型的硅晶体电子衍射图,典型的硅晶体电子衍射图,不同的晶体由不同的原子组成，具有不同的原子排列方式，具有不同的对称性,Fe a=0.2886 nm,Cu a=0.3615 nm,不同的晶体也可具有相同的对称性,Cu a=0.3615 nm,Ag a=0.4086 nm,化学组成相同，结构不同的材料,原子排列方式上的差异，不仅使两种晶体具有不同的对称性，也具有不同的物理、化学性能。,同质异构体：例如碳,金刚石、石墨、C,60,固体、非晶碳,同质异构体,金刚石,石墨：六方晶系,晶体的物理特性 六大特性,对称性,最小内能,晶态与其他物态（气态、液态、非晶态、准晶态）相比，晶态内能最小、最为稳定。非晶、准晶处在亚稳态。,非晶、准晶具有自发转变成晶态的趋势；而晶态则不具有自发转变成非晶、准晶的趋势。,自范性,晶体生长中具有自发形成封闭的几何多面体的现象,晶体的自范性是晶体内部原子规则性排列的反映。,稳定性,晶体由于有最小内能，因而结晶状态是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。,各向异性,不同方向上，原子的排列情况不同，从而导致了各向异性。如,在晶体不同方向上的,解理、,弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。,O,A,B,C,云母,解理,KFeMg,2,(AlSi,3,O,10,)(OH),2,石墨,宏观：La,Sa,2,Va,3,晶体的性能与取样的部位无关，这是晶体 结构具有周期性的反映,均一性,