晶体形貌的新近发展.doc

晶体形貌学的新近发展姓名：刘文方 班级：10粉体2班 学号：1003012040摘要介绍了晶体形貌学的历史地位和作用,阐述了晶体形貌学与现代先进仪器及前沿理论相结合而产生的几个新的发展趋势。所有这些发展都会深化及拓宽晶体形貌学的研究内容,并会对其它前沿科学理论(分形几何学、耗散结构理论、协同学等) 的发展做出贡献。关键词：晶体形貌、形态、晶体结构晶体形貌学包括两大部分的研究内容:晶体的几何多面体形态和晶面上的生长及蚀象花纹形貌。晶体的几何多面体形态是整个晶体学发展的基础。早在1669 年,丹麦学者Stono 在观察石英晶体形态时发现,虽然各石英晶体形态千差万别,但它们所对应的晶面夹角恒定不变,因此提出了“面角守恒定律”。这一古老的定律的提出,使人们从复杂多变的晶体形态中找到了规律,为以后晶体对称甚至晶体结构的研究奠定了最初的基础1 。因此可以说,整个晶体学的发展是以研究晶体的形态开始的。之后,通过测量晶面方位与晶体结构的关系,提出了布拉维法则、PBC 键链理论;通过观察晶面花纹,验证了二维成核生长理论模型、螺旋生长理论模型;等等。晶体形貌学又为晶体生长学的发展做出了贡献。今天,晶体学与晶体生长学都发展到了非常高的理论水平,晶体形貌学在较长的一段时间内似乎是完成了它的历史使命而退居后位了,虽然也不断地有一些晶体形貌方面的研究成果,但都停留在观察、测量、描述、推测生长机理的水平上。然而,在高新技术与前沿理论突飞猛进的今天,晶体形貌学必然也会受到冲击与挑战,积极地迎接挑战,与前沿科学理论及技术接轨,晶体形貌学就会有新的突破,并且与历史上一样也会对其它科学的发展做出贡献。以下列出几个晶体形貌学的新近发展趋势。1 粗糙面的形貌特点及规律传统的晶体形貌学往往只注重平滑面的形貌,如螺旋纹、二维核形状、台阶花样等等。粗糙面被认为是杂乱无章的、无规律可循的。然而,粗糙面里面肯定也蕴含着规律。首先,晶面的粗糙化就蕴含着一定的规律,例如YbYAl3 (BO3) 4晶体中的(0001)面永远是粗糙面,只要它在晶体中存在,而(1120) 面是随着生长速度增大而由平滑面变为粗糙面。其次,粗糙面也有形貌特征,不同结构的面其粗糙形貌特点不同,可总结出粗糙面的形貌规律来,特别是, 在扫描探针显微镜( 如STM、AFM、MFM) 等先进仪器手段下,有些粗糙面在原子级分辨率图象中可能具有很规律的生长花纹,例如上述YbYAl3 (BO3) 4 晶体中的(1120) 晶面粗糙形貌,在扫描电子显微镜(SEM) 下看不出什么规律,但在原子力显微镜(AFM) 下,可以看出该粗糙面是由许多定向排列的、高差很大的小(1120) 晶面组成。另外,分形就是用来描述自然界中极不光滑的一类物体的数学工具,因此特别适合于粗糙面的描述,可以找出粗糙面的分维及其与生长速度的关系等。2 介观、微观晶体形貌的研究随着扫描探针显微镜等先进仪器的问世,人们已经能够在原子、分子级水平上观察晶体形貌。与晶体的宏观物理性质与介观、微观物理性质具重大变化一样,晶体的介观、微观形貌也与宏观形貌有很大区别,例如人们熟知的C60纳米单晶体结构及形态就与足球表面具正五边形的图案相似,既具五重对称性,这在宏观晶体中是不可能存在的。可以预测:单种类原子形成的晶体结构中,在十几几十个原子堆积而成的晶体胚芽阶段,晶体结构趋于形成具五重对称的二十面体配位结构,这是因为在等大球最紧密堆积中(即单种类原子形成的晶体结构中) ,每个球的配位数是12 ,形成的配位多面体可以是立方八面体(在立方最紧密堆积中) 、可以是切顶底的两个三方双锥聚形(在六方最紧密堆积中) ,还可以是由二十个三角形组成的二十面体,后者从能量上看是最稳定的,但由于具有与晶体的点阵结构不相容的五重对称特点,在长大后的晶体中不能存在,因此导致晶体胚芽阶段的形态与宏观形态不同,这被称为“二十面体原理”。所谓准晶也常具有这种五重对称结构特点,而准晶被认为是在晶体生长胚芽阶段形成的具准稳定结构的晶体。纳米级孪晶也常出现由多个单体组成的具二十面体形状的复杂孪晶,这在宏观孪晶中也是很少见的,可见二十面体形态在介观、微观晶体中占有很重要的地位。宏观形态及结构与微观形态及结构区别的原因是:在晶体胚芽阶段,表面能相对于体自由能来说占主导地位,使晶芽呈球形,在球面上质点有序排列使晶体长大,所形成的结构肯定与在平面上质点有序排列形成的结构(即常说的点阵结构) 肯定不同,这就是介观、微观与宏观的区别。因此,研究介观、微观晶体形貌有可能发现一些新现象、新规律,使晶体形貌学在这一领域内有新的突破。3 非平衡、非线性枝状形貌的研究传统的晶体形貌学只注重研究平衡或近于平衡的形态。近年来,人们已经注意到了晶体在非平衡条件下形成的骸晶、枝晶。所谓骸晶是指晶面的边角处凸出而中央呈凹陷状的特殊晶体形态,枝晶则是指无平整晶面而由许多枝状体组成的形貌。枝晶形貌对称与晶体结构的关系、分枝程度与外界条件的关系、枝晶的生长速度、枝晶分叉行为、分枝程度与晶体结构对称性关系等等都有一些报道。枝晶是在非平衡条件下界面失稳而形成的,在总界面失稳后单个枝体的原子级分辨图象及生长机理并不清楚,有可能分枝级数非常多,因此其形态也具有分形特点,在此基础上可探讨分维与远离平衡程度的关系。枝晶一般认为都是单个晶体的分枝,因此这种分枝严格地受晶体结构制约,即分枝是有规律的。还有另一种枝状形态,其分枝相对来说是没有规律的 ,人们将这种枝状形态称为分形,但我们认为确切地应称为随机分形,因为有的规则枝晶也具有分形特点。这种随机分形一般不是一个单晶体,而是由许多小晶粒组成,有人将这种随机分形比做“水草”,而将规则的枝晶比做“枝叶”。“水草”比“枝叶”的形成条件更远离平衡态,其形成机理还没有定论,DLA 模型(限制聚集扩散模型,于1981 年由美国学者T.A. Witten 和L.M. Sander 提出) 认为是随机扩散形成的,而NLA 模型(成核限制聚集模型,于20世纪90 年代由我国学者闵乃本等提出) 认为是在枝体尖端受表面张力波扰动随机成核形成的。因此,这方面的研究可能会揭示其生长奥秘。此外,还有一些特殊枝状形态,如“花朵”、“藤萝”、“剪纸”,这些是在研究薄膜材料中发现的,它们与属于非线性非平衡的图形花样动力学有关,但它们的生长机理及微结构还不清楚,因此,这方面也是值得深入研究的。上述所有枝状形态都与植物界的花草树木相似,说明无机界与有机界的联系。这方面的研究可能与准平衡、非平衡、非线性的生长演化有关,这对无序2有序的转化、无生命2有生命体系的联系和区别、稳定态2不稳定态的转化等的理论认识有重要意义。这方面的理论研究是困难的,目前的许多前沿理论都不能解释某些生长现象,正是因为如此,才更需要努力探索,使晶体形貌学沿着这一领域发展的同时,也对其它理论科学(如耗散结构理论、突变论、协同学) 的发展作出贡献。4 多晶集合体形貌研究传统的晶体形貌学只注重单个晶体(或单个孪晶) 的形貌特点,忽略了多晶集合体总貌的研究。多晶集合体在地质界是非常广泛的,如菊花石为针状方解石、或天青石、或红柱石等放射状集合而成;铁玫瑰为片状赤铁矿集合而成。多晶集合体在材料界更为常见,如金属、陶瓷中的织构;上述薄膜中扩散形成的“花朵”、“藤萝”、“剪纸”等都是多晶集合体。多晶集合体中各单晶体的生长演化并不是没有规律的,而是相互制约、相互协调地共同生长演化,如华南二叠纪栖霞组沉积泥灰岩中的菊花石,被誉为石头中长出的“花朵”,作为工艺品开采已有上百年历史。这种菊花石是由几百根柱状天青石(Sr2SO4) 放射状集合而成,每个单晶体的大小、间距、空间分布等都非常均匀,并且在同一产地产出的菊花石虽然大小不同但花体形貌特征是相似的,说明它们是相互协调地生长的,也许可以用协同学理论来深入研究;此外,上述菊花石的生长模型还具有多重分形特点,说明其生长过程中物质分布凝聚的奇异性。因此,多晶集合体形貌应是一个不容忽视的晶体形貌研究内容,这方面的内容应包括:多晶集合体各单晶体之间的结晶取向关系、描述集合体总貌的定量参数、集合体形貌特点与生长条件的关系、多晶集合体生长机理及生长模型、与一些理论(如分形、非平衡生长等) 的关系,等等。晶体形貌沿着这一方向发展将会拓宽其研究内容。以上仅列出晶体形貌学的四个新近发展趋势。科学的发展是无止境的,晶体形貌学的发展也不仅仅只是上述四个新趋势,还会不断地涌现出新的生长点,不断地向着更深更广的各个领域渗透、前进。总之,晶体形貌一旦与现代高科技测试手段及前沿科学理论相结合,就会展现出十分光明的前景,并会对其它科学的发展做出应有的贡献。参考文献:1 潘兆橹,赵爱醒,潘铁虹编. 结晶学及矿物学. 地质出版社, 1989；2 赵珊茸,王继扬,刘耀岗. YbYAl3 (BO3