第1章晶体学概论

1、1、课程性质及意义、课程性质及意义 材料化学专业专业平台课程，是进行材料科学、矿物学、生材料化学专业专业平台课程，是进行材料科学、矿物学、生物分子结晶学等学科深入研究的基础。物分子结晶学等学科深入研究的基础。2、课程内容、课程内容 晶体的空间对称性理论（晶体几何学）；晶体的一般性概念晶体的空间对称性理论（晶体几何学）；晶体的一般性概念和原理；和原理； X射线衍射原理；晶体化学应用。射线衍射原理；晶体化学应用。3、学习方法、学习方法 上课认真听讲，课后利用课件提供的模型加深认识、掌握规上课认真听讲，课后利用课件提供的模型加深认识、掌握规律、加强记忆，理论联系实际。律、加强记忆，理论联系实际。4、

2、考核、考核考试考试80%；平时；平时20%，包括作业、出勤、回答问题。，包括作业、出勤、回答问题。第第1章章 晶体学概论晶体学概论 固体分为晶体和非晶体（准晶），随着计算机技术和激光技术的固体分为晶体和非晶体（准晶），随着计算机技术和激光技术的发展，人类进入了光电子时代，发展，人类进入了光电子时代，此巨大变化的基础是单晶硅和激此巨大变化的基础是单晶硅和激光晶体，晶体材料的进一步发展将谱写人类科技文明的新篇章。光晶体，晶体材料的进一步发展将谱写人类科技文明的新篇章。1.1 人类对晶体的认识过程及有关晶体概念人类对晶体的认识过程及有关晶体概念1、认识过程：、认识过程： 石器时代石器时代-各种有规则

3、外形的石头作为工具和装饰各种有规则外形的石头作为工具和装饰品，价值昂贵，不可多得。品，价值昂贵，不可多得。 1669年，意大利科学家斯丹诺（年，意大利科学家斯丹诺（Steno）发现了）发现了晶体的面角守恒晶体的面角守恒定律定律：同一物质的晶体中，相应晶面间的夹角是恒定不变的。：同一物质的晶体中，相应晶面间的夹角是恒定不变的。 法国科学家阿羽衣（法国科学家阿羽衣（Hauy）在）在1784年提出了著名的年提出了著名的晶胞晶胞学说：学说：晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞有序堆积而成。晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞有序堆积而成。 1690年惠更斯提出：晶体中质点的有序排列导致晶体

4、具年惠更斯提出：晶体中质点的有序排列导致晶体具有某种多面体外形。有某种多面体外形。1885年，晶胞学说被法国科学家布年，晶胞学说被法国科学家布喇菲（喇菲（Bravais）发展为空间点阵学说，）发展为空间点阵学说，认为组成晶体认为组成晶体的原子、离子、分子按一定的规则排列，的原子、离子、分子按一定的规则排列， 1912年，德国科学家劳厄（年，德国科学家劳厄（Lane）,首次对晶体进行了首次对晶体进行了X射线衍射实验，证实了这一学说（空间点阵学说）的正射线衍射实验，证实了这一学说（空间点阵学说）的正确性，并因此获得了诺贝尔物理奖确性，并因此获得了诺贝尔物理奖。2、晶体的定义、晶体的定义 * *Cr

5、ystal：本意是石英：本意是石英,来自于希腊语：来自于希腊语：Krystallos （洁（洁净的冰）；净的冰）；古人认为透明的石英是由过冷的冰形成的。古人认为透明的石英是由过冷的冰形成的。*食盐是面心立方，许多金属具有体食盐是面心立方，许多金属具有体心立方结构，因此都属于晶体。心立方结构，因此都属于晶体。*晶体中，晶莹透明的很多，晶体中，晶莹透明的很多，例如玻璃，玻璃固态溶液，在玻璃内部只是在例如玻璃，玻璃固态溶液，在玻璃内部只是在某一个原子附近有序排列。某一个原子附近有序排列。3、天然晶体与人工晶体、天然晶体与人工晶体天然：红宝石，蓝宝石，祖母绿等，特点：稀少昂贵。天然：红宝石，蓝宝石，祖

6、母绿等，特点：稀少昂贵。人工：已发明了几十种晶体生长方法。人工：已发明了几十种晶体生长方法。石英（水晶）石英（水晶）紫水晶紫水晶又名打火石又名打火石磷石英磷石英方石英方石英孔雀石（碱式碳酸铜）孔雀石（碱式碳酸铜）菱锰矿（一种锰碳酸盐矿石）菱锰矿（一种锰碳酸盐矿石）切割后的钻石切割后的钻石锆石锆石天然紫红钻石天然紫红钻石天然金刚石原石天然金刚石原石金刚石原石金刚石原石母岩中八面体金刚石金刚石原石硫酸钡 硫酸钡硫酸钡碳酸钙碳酸钙岩盐岩盐德国柏林晶体生长研究所德国柏林晶体生长研究所(Institute of Crystal Growth in Berlin)Helge Riemann领导的小组开始致

7、力于极纯硅晶体的研究。领导的小组开始致力于极纯硅晶体的研究。研究人员用了研究人员用了6个月的时间，将一块来自俄罗斯的纯度为个月的时间，将一块来自俄罗斯的纯度为99.994%的硅的硅28原材料反复融化除杂，最终得到了理想的纯硅原材料反复融化除杂，最终得到了理想的纯硅28晶体，每晶体，每1000万个硅万个硅28原子中仅含有一个其他原子。原子中仅含有一个其他原子。 珠宝是珍珠与宝石的总称。珍珠是砂粒微生物进珠宝是珍珠与宝石的总称。珍珠是砂粒微生物进入贝蚌壳内受刺激分泌的珍珠质逐渐形成的具有光泽入贝蚌壳内受刺激分泌的珍珠质逐渐形成的具有光泽的美丽小圆体，的美丽小圆体，化学成分是碳酸钙及少量有机物，化学

8、成分是碳酸钙及少量有机物，除除作饰物外，还有药用价值。作饰物外，还有药用价值。而宝石一般来说是指，凡而宝石一般来说是指，凡硬度在硬度在7度以上，色泽美丽，受大气及药品作用不起度以上，色泽美丽，受大气及药品作用不起化学变化，产量稀少，极为宝贵的矿物。化学变化，产量稀少，极为宝贵的矿物。性优者如：性优者如：金刚石、刚玉、绿柱玉、贵石榴石、电气石、贵蛋白金刚石、刚玉、绿柱玉、贵石榴石、电气石、贵蛋白石等；质稍劣者如：水晶、玉髓、玛瑙、碧玉、孔雀石等；质稍劣者如：水晶、玉髓、玛瑙、碧玉、孔雀石、石、琥珀琥珀?、石榴石、蛋白石等。、石榴石、蛋白石等。 蓝宝石是色美、透明的宝石级蓝宝石是色美、透明的宝石级

9、刚玉刚玉。自然界中的宝石。自然界中的宝石级刚玉除红色的称级刚玉除红色的称红宝石红宝石外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝外，其余各种颜色如蓝色、淡蓝色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。蓝宝石色、绿色、黄色、灰色、无色等，均称为蓝宝石。蓝宝石以其晶莹剔透的美丽颜色，被古代人们蒙上神秘的超自然以其晶莹剔透的美丽颜色，被古代人们蒙上神秘的超自然的色彩，被视为吉祥之物。它也曾与钻石、珍珠一起成为的色彩，被视为吉祥之物。它也曾与钻石、珍珠一起成为英帝国国王、俄国沙皇皇冠上和礼服上不可缺少的饰物。英帝国国王、俄国沙皇皇冠上和礼服上不可缺少的饰物。世界蓝宝石产地不多，主要有缅甸、斯里兰卡、泰国、澳世界蓝宝石

10、产地不多，主要有缅甸、斯里兰卡、泰国、澳大利亚、中国等，但就宝石质量而言，以缅甸、斯里兰卡大利亚、中国等，但就宝石质量而言，以缅甸、斯里兰卡质量最佳。质量最佳。 蓝宝石的化学成分为蓝宝石的化学成分为三氧化二铝（三氧化二铝（Al2O3），因含微因含微量元素钛（量元素钛（Ti4+）或铁（）或铁（Fe2+）而呈蓝色）而呈蓝色。属三方晶系。属三方晶系。晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等晶体形态常呈筒状、短柱状、板状等. 晶体生长方法：晶体生长方法： 如：提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、如：提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法

11、等。利用这些方法，人们不仅能生长出自然界中已有的晶这些方法，人们不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、体，还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色，这些人工黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色，这些人工晶体五彩纷呈，有的甚至比天然晶体还美丽。晶体五彩纷呈，有的甚至比天然晶体还美丽。结晶学：结晶学： Crystallography结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的结晶学：以晶体为研究对象，主要研究晶体的对称规对称规律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体律。研究的是晶体的共同规律，不涉及到具体的晶体种类。种类。 特点：空间

12、性、抽象性、逻辑性、共性特点：空间性、抽象性、逻辑性、共性与后续矿物学形成明显的对比：与后续矿物学形成明显的对比：矿物学矿物学: 矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物矿物晶体为研究对象，主要研究各具体矿物晶体的成分、物理性质、成因特点等晶体的成分、物理性质、成因特点等 特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性特点：经验性、感性、具体性、归纳分类性、个性 始于始于17世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一世纪中叶人类的矿业活动，与天文学一起成为人类自然科学发展最早的两门科学。起成为人类自然科学发展最早的两门科学。 1718世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研世纪：以研究晶体形态为主，也初步推

13、测研究晶体内部结构的几何规律；究晶体内部结构的几何规律； 19世纪末世纪末20世纪初：世纪初：X射线的发现及其对晶体射线的发现及其对晶体结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段；结构的测量，进入晶体内部结构研究阶段； 20世纪世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节；构细节； 20世纪世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。新领域。结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介 4、晶体学、晶体学 晶体的晶体的、和和及其它有关晶体方及其它有关晶体方面的问题构成了面的问题构成了

14、。其主要研究内容包括5个部分个部分：其中，晶体生长是研究人工培育晶体的方其中，晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律，是晶体学研究的重要基础；法和规律，是晶体学研究的重要基础；，属属于晶体学研究的经典理论部分。近年来于晶体学研究的经典理论部分。近年来5次等旋转对称性次等旋转对称性的发现，对这一经典理论提出了挑战。的发现，对这一经典理论提出了挑战。 1.2 晶体的性能、应用及进展晶体的性能、应用及进展 一位物理学家说过一位物理学家说过：“晶体是晶体生长工作者送给物理学家的晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。最好的礼物。”这是因为，这是因为，当物质以晶体状态存在时，它将表现出当物质以晶体

15、状态存在时，它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质其它物质状态所没有的优异的物理性能，因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。的结构和性能的重要基础。此外，由于能够实现电、磁、光、声和由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光力的相互作用和转换，晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄器件及各种光学仪器等工业的重要材料，被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。按影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。按功能

16、来分，晶体有功能来分，晶体有20种之多，种之多，如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以及多功能晶体等。 半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，从应用的广泛性和半导体晶体是半导体工业的主要基础材料，从应用的广泛性和重要性来看，它在晶体中占有头等重要的地位。重要性来看，它在晶体中占有头等重要的地位。 半导体晶体是从半导体

17、晶体是从20世纪世纪50年代开始发展起来的。年代开始发展起来的。第一代半导体第一代半导体晶体是锗晶体是锗(Ge)单晶和硅单晶单晶和硅单晶 (Si)。由它们制成的各种二极管、三极。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着管、场效应管、可控硅及大功率管等器件，在无线电子工业上有着极其广泛的用途。极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路，从而极大路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路，从而极大地促进了电子产品的微小型化，大大提高了工作的可

18、靠性，同时又地促进了电子产品的微小型化，大大提高了工作的可靠性，同时又降低了成本，进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷降低了成本，进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导弹、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。 目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的目前，除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外，人们又研究了硅单晶之外，人们又研究了第二代半导体晶体第二代半导体晶体-V族化合物，如族化合物，如(CaAs)、磷化镓、磷化镓 (GaP)等单晶。等单晶。 在半导体晶体材料中，特别值得一提的

19、是氮化镓在半导体晶体材料中，特别值得一提的是氮化镓(GaN)晶体。晶体。由于它具有由于它具有很宽的禁带宽度很宽的禁带宽度(室温下为室温下为3.4eV)，因而是，因而是蓝绿光发光蓝绿光发光二级管二级管(LED)、激光二极管激光二极管(LD)及及高功率集成电路高功率集成电路的理想材料，近年来在全世界范的理想材料，近年来在全世界范围内掀起了研究热潮，成为炙手可热的研究焦点。目前，围内掀起了研究热潮，成为炙手可热的研究焦点。目前，中国科学院物理研究所首次利用熔盐法生长出中国科学院物理研究所首次利用熔盐法生长出 3mm4mm的片状晶体一旦该晶体的质量得到进一步的片状晶体一旦该晶体的质量得到进一步的提高，

20、它的提高，它将在发光器件、光通讯系统、将在发光器件、光通讯系统、CD机、全色机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。电视等方面得到广泛的应用。 激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激激光晶体是激光的工作物质，经泵浦之后能发出激光，所以叫做激光晶体。光，所以叫做激光晶体。1960年，美国科学家年，美国科学家 Maiman以以红宝石晶体作为工作物质，成功地研制出世界上第一台激红宝石晶体作为工作物质，成功地研制出世界上第一台激光器，取得了举世瞩目的重大科学成就。光器，取得了举世瞩目的重大科学成就。 目前，

21、 “受激辐射受激辐射”基于科学家爱因斯爱因斯坦坦在1916年提出的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中，有在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）低能级上，迁）低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，的光，而且而且。产生的激光的产生的激光的装置称为激光器。装置称为激光器。 近年来，由于新的激光晶体的不断出现以及非线性近年来，由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、

22、差频、参量振荡等技术的发展，利用激光晶体得到倍频、差频、参量振荡等技术的发展，利用激光晶体得到的的。例如，例如， 在医学上，激光晶体更是得到了巧妙的应用。它在医学上，激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送，发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送，对于对于极其精细的眼科手术，极其精细的眼科手术，是最合适不过的是最合适不过的了。了。这种晶体可以产生近这种晶体可以产生近3pm波长的激光，由于水对该波长的激光，由于水对该激光的强烈吸收，导致它进人生物组织后，只有几微米激光的强烈吸收，导致它进人生物组织后，只有几微米短的穿透深度，短的穿透深度，因此，这种激光是十分

23、安全的，不会使因此，这种激光是十分安全的，不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割，手术时间极短，因而避免了眼球的不自觉运进行切割，手术时间极短，因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰，保证了手术的顺利进行。动对手术的干扰，保证了手术的顺利进行。3非线性光学晶体非线性光学晶体 光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光通过晶体进行传播时，会引起晶体的电极化。当光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性光强不太大时，晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系，其非线性关系可以被忽略关系，其非线性关系可以被忽略；但是但

24、是，当光强很大时，当光强很大时，如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间如激光通过晶体进行传播时，电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略，的非线性关系变得十分显著而不能忽略， 非线性光学晶体与激光紧密相连，非线性光学晶体与激光紧密相连，当前，直当前，直接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱区，接利用激光晶体获得的激光波段有限，从紫外到红外谱区，尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体，可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光，从而开辟新的激体直接输出的激光转换成新波段的激光，从而开辟新的激光光源，拓展激

25、光晶体的应用范围。光光源，拓展激光晶体的应用范围。 常用的非线性光学晶体有碘酸锂常用的非线性光学晶体有碘酸锂(-LiIO3) 、铌酸钡钠、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、磷酸二氘钾、磷酸二氘钾 (KD2PO4)、偏硼酸钡、偏硼酸钡(-BaB2O4)、三硼酸锂、三硼酸锂(LiB3O5)等等。其中，具有非线具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点，是优秀的激性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点，是优秀的激光频率转换晶体材料，在国际上引起了很大的反响。另一光频率转换晶体材料，在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4)，它是迄今

26、为止，它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体，被公认为综合性能最优异的非线性光学晶体，被公认为1.064m和和1.32m激光倍频的首选材料，它可以把激光倍频的首选材料，它可以把1.064m的红外激光的红外激光转换成转换成 0.53 m的绿色激光。的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距，还能够进行水下摄影和水中通信等，因此，磷激光测距，还能够进行水下摄影和水中通信等，因此，磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。 当晶体受到外力作用时，晶体会发生极化，并形成表面电荷，当晶体受到外力作用时，晶体会发生极化，并形成表面电荷，这种现象称为正压电

27、效应；反之，当晶体受到外加电场作用时，这种现象称为正压电效应；反之，当晶体受到外加电场作用时，晶体会产生形变，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶晶体会产生形变，这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体，体则称为压电晶体，它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶现的压电晶体是水晶(-SiO2)。它具有频率稳定的特性，是一种它具有频率稳定的特性，是一种理想的压电材料，理想的压电材料，可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它器、声

28、表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中，如石英表、电子钟、彩色还被广泛地应用于人们的日常生活中，如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机电视机、立体声收音机及录音机等。 近年来，人们又研制出许多新的压电晶体，如钙钛矿型结构近年来，人们又研制出许多新的压电晶体，如钙钛矿型结构的铌酸锂的铌酸锂(LiNbO3)、钽酸钾、钽酸钾(KTaO3)等，钨青铜型结构的铌酸钡等，钨青铜型结构的铌酸钡钠钠(Ba2NaNb5O15)、铌酸钾锂、铌酸钾锂 (K1-xLiNbO3)等以及层状结构等以及层状结构的锗酸铋的锗酸铋(Bi12 GeO20)等。等。 这种晶体

29、在这种晶体在X射线激发下会产生荧光，形成闪烁现射线激发下会产生荧光，形成闪烁现象。象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠 (Tl：NaI)晶体。该晶体的发光波长在可见光区，闪烁效率高，又晶体。该晶体的发光波长在可见光区，闪烁效率高，又易于生长大尺寸单晶，在核科学和核工业上得到广泛的易于生长大尺寸单晶，在核科学和核工业上得到广泛的应用。应用。 BaF2晶体成为一新型闪烁材料。除了在高能物理中晶体成为一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外，该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱应用之外，该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪，使谱仪的分辨率和计数效率均得到很大

30、的提高。仪，使谱仪的分辨率和计数效率均得到很大的提高。此此外，它还外，它还，具有良好的应用前景。 当光波和声波同时射到晶体上时，声波和光波之间当光波和声波同时射到晶体上时，声波和光波之间将会产生相互作用，从而可用于控制光束，如使光束发生将会产生相互作用，从而可用于控制光束，如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等，这种晶体称为声光晶体，偏转、使光强和频率发生变化等，这种晶体称为声光晶体，如钼酸铅如钼酸铅(PbMoO4)、二氧化碲、二氧化碲 (TeO2)、硫代砷酸砣、硫代砷酸砣(Tl3AsS4)等。利用这些晶体，人们可制成各种声光器件，等。利用这些晶体，人们可制成各种声光器件，如声光偏转器、声光

31、调如声光偏转器、声光调Q开关、声表面波器件等，开关、声表面波器件等，从而从而 7.光折变晶体光折变晶体 光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的当外界微弱的激光照到这种晶体上时，晶体中的载流子被激发，在晶体中迁移激光照到这种晶体上时，晶体中的载流子被激发，在晶体中迁移并重新被捕获，使得晶体内部产生空间电荷场，然后，通过电光并重新被捕获，使得晶体内部产生空间电荷场，然后，通过电光效应，效应， 光折变效应的特点是，在弱光作用下就可表现出明显的效应。光折变效应的特点是，在弱光作用下就可表现出明显的效应。如两波耦合实验中，当一束弱信号光和一束强光在光

32、折变晶体中如两波耦合实验中，当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时，弱信号光可以增强相互作用时，弱信号光可以增强1 000倍。倍。此外，凭借着光折变效此外，凭借着光折变效应，光折变晶体还具有以下特殊的性能：可以在应，光折变晶体还具有以下特殊的性能：可以在3cm3的体积中存的体积中存储储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；可以精密幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；可以精密地探测出小得只有地探测出小得只有10-7米的距离改变；可以滤去静止不变的图像，米的距离改变；可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；甚至还可以模拟人脑的联想思维能专门跟踪刚发生的图像改变

33、；甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此，这种晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。力。因此，这种晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。 目前，有应用价值的光折变晶体有钛酸钡目前，有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾、铌酸钾(KNbO3)、铌酸锂、铌酸锂(LiNbO3)、铌酸锶钡铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)系列、硅酸铋系列、硅酸铋(Bi12SiO20)等晶体。等晶体。其中，掺铈钛酸钡其中，掺铈钛酸钡(Ce：BaTiO3)是由中是由中国科学院物理研究所于国科学院物理研究所于90年代在国际上首次研制年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能，使光折变晶体在理论研成功的。它

34、的优异性能，使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。究和实用化方面取得突破性进展。当前，光折变当前，光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体，在光的图像晶体已发展成一种新颖的功能晶体，在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。随着人们对晶体认识的不断深入，晶体研究的方随着人们对晶体认识的不断深入，晶体研究的方向也逐步地发生着变化，向也逐步地发生着变化，其总的发展趋势是：其总的发展趋势是：此外，鉴于充分认识到晶体结构一性能关系的重要此外，鉴于充分认识到晶体

35、结构一性能关系的重要性，性，而且，随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展，人类对而且，随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展，人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信，在不久的将晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信，在不久的将来，晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围来，晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。也将会越来越广。 它蕴涵着丰富的内容，是人类宝贵的财富。它蕴涵着丰富的内容，是人类宝贵的财富。但迄今为止，人们对它的认识犹如冰山之一但迄今为止，人们对它的认识犹如冰山之一角角，还有许多未知领域等待着我们去探索。，还有许多未知领域等待着我们去探索。作业：通过查阅书籍或文

36、献完成作业:结合晶体化学研究的内容与意义结合晶体化学研究的内容与意义1、某一功能晶体的介绍；、某一功能晶体的介绍； 通过阅读某篇功能晶体的相关文献来完成。通过阅读某篇功能晶体的相关文献来完成。2、常见宝石的具体成分及结构。、常见宝石的具体成分及结构。 通过网上检索或阅读专业书籍来写出自通过网上检索或阅读专业书籍来写出自己感兴趣的内容。己感兴趣的内容。1.4 晶体的特性晶体的特性晶体的基本结构特征是晶体的基本结构特征是。晶体中原子或分子的晶体中原子或分子的及其及其决定了决定了。 晶体是固体的晶体是固体的，在液体冷却、溶液浓缩及气相沉积的实验中，在大自然的演化过程中，可以自发的结晶出漂亮的多面体晶

37、体可以自发的结晶出漂亮的多面体晶体可以把。 就热力学可能性而言，任何晶体总是倾向于以就热力学可能性而言，任何晶体总是倾向于以形式存在自限性形式存在自限性。第一个特性：第一个特性： 在相同的热力学条件下，同一物质的各晶体之间比较相应晶面的在相同的热力学条件下，同一物质的各晶体之间比较相应晶面的大小、形状和个数可以不同，大小、形状和个数可以不同， 晶体的自范性是指晶体的自范性是指:在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的规则的凸面体外形的性质。的规则的凸面体外形的性质。或者说，在适宜的条件下，晶体能够或者说，在适宜的条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规则的多面

38、体外形，这称为晶体的自范性。自发地呈现封闭的、规则的多面体外形，这称为晶体的自范性。 条件是条件是:生长速率适当。熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过生长速率适当。熔融态物质冷却凝固，有时得到晶体，但凝固速率过快，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如：玛瑙是快，常常只得到看不到多面体外形的粉末或没有规则外形的块状物。如：玛瑙是熔融态熔融态SiO2快速冷却形成的，而水晶则是热液缓慢冷却形成的。快速冷却形成的，而水晶则是热液缓慢冷却形成的。 单晶单晶(single crystal)：单单晶小至微米级也可以大到米级，美国南达科塔州曾发现长晶小至微米级也可以大到米级，美

39、国南达科塔州曾发现长14米重米重100吨的锂辉石晶体。吨的锂辉石晶体。多晶（多晶（poly crystal）：许多矿物、合成化合物、金属、合金等天然或人工合成的固许多矿物、合成化合物、金属、合金等天然或人工合成的固体都是多晶态，体都是多晶态，（texture）。）。按照微观结构有序度的不同，还存在液晶、塑晶、准晶等按照微观结构有序度的不同，还存在液晶、塑晶、准晶等。1.5 晶体的宏观均匀性、各向异性、对称性晶体的宏观均匀性、各向异性、对称性1、均匀性含义、均匀性含义：。2、各向异性与对称性、各向异性与对称性 表面上，晶体和非晶体都是均匀的，表面上，晶体和非晶体都是均匀的，实质上有所不同，如冰的

40、熔点，非晶体在加非晶体在加热时随温度上升热时随温度上升,其原子或原子团的热运动相应加剧，流其原子或原子团的热运动相应加剧，流动性就逐渐恢复，黏度越来越小。没有固定的熔点这表现动性就逐渐恢复，黏度越来越小。没有固定的熔点这表现在在加热与温度关系曲线上晶体的曲线有平台而非晶体的在在加热与温度关系曲线上晶体的曲线有平台而非晶体的曲线上没有平台。曲线上没有平台。 云母云母晶体的各向异性晶体的各向异性NaCl晶体的力学性质晶体的力学性质单位：单位：g/mm2虽然晶体在大多数性质上表现为各向异性，虽然晶体在大多数性质上表现为各向异性，。例如，在。例如，在光学性质光学性质上，方解石是各向异性的，而岩盐是各向

41、同性的上，方解石是各向异性的，而岩盐是各向同性的，在，在热传导性质上，热传导性质上，氯化钠是各向同性的，而霞石晶体在底面上表现为各向同性，在柱氯化钠是各向同性的，而霞石晶体在底面上表现为各向同性，在柱面上表现为各向异性面上表现为各向异性。对于霞石的性质，可做一个小实验：在其底。对于霞石的性质，可做一个小实验：在其底面上和柱面上涂上一层石蜡在酒精灯上将两根针烧热，分别把针尖面上和柱面上涂上一层石蜡在酒精灯上将两根针烧热，分别把针尖放在底面和柱面上，效果如图放在底面和柱面上，效果如图1-8：说明什么？说明什么？ 有机长分子晶体堆积方式见图有机长分子晶体堆积方式见图a,b; c是离子是离子晶体的堆积

42、。从这些图中可以看出晶体的堆积。从这些图中可以看出下图为有机分子下图为有机分子和离子晶体的堆积情况：和离子晶体的堆积情况： 例如六方柱形石墨晶体，测得例如六方柱形石墨晶体，测得电导率为沿柱面方向测得的电导率为沿柱面方向测得的106倍，倍，从这点出发就可以初步估计从这点出发就可以初步估计了。了。 下面的实验也显示了晶体的这种性质：下面的实验也显示了晶体的这种性质： 图中是椭圆形分子各种堆积方式的示意图，从图中可图中是椭圆形分子各种堆积方式的示意图，从图中可以看出，以看出， 在在，作为莫氏硬度的标，作为莫氏硬度的标准，它的硬度定为准，它的硬度定为10。而其它任何天然物质的硬度都不到。而其它任何天然

43、物质的硬度都不到10。在日常生活中用它来划玻璃，在地质部门用它来做钻。在日常生活中用它来划玻璃，在地质部门用它来做钻头等等。而头等等。而，可用来做铅笔和润滑剂。，可用来做铅笔和润滑剂。人们用它来作贵重的装饰品；人们用它来作贵重的装饰品；a 金刚石结构金刚石结构 b 石墨结构石墨结构而。，在电解时经常用来做电极。在。生长激光单晶YAG时单晶的熔点为1960，对坩埚加热用的就是石墨加热器。 从同质多象可以得到这样一个结论：在研究晶在研究晶体性质时，体性质时，；只有；只有。因为。因为。这也。这也是我们学习结晶化学的目的。是我们学习结晶化学的目的。1.7 实际晶体实际晶体1、单晶体与多晶体、单晶体与多

44、晶体 内部结构由同一空间点阵结构贯穿着的晶体内部结构由同一空间点阵结构贯穿着的晶体称为单晶体称为单晶体。内部结构由由两个或几个单晶按不内部结构由由两个或几个单晶按不同取向形成的晶体称为双晶体。同取向形成的晶体称为双晶体。一组完美的方解石晶体双晶，它的晶面光滑明亮，晶形对称严密，一组完美的方解石晶体双晶，它的晶面光滑明亮，晶形对称严密，令人惊叹。第一颗是墨西哥产，令人惊叹。第一颗是墨西哥产，4.84.8厘米厘米, ,无根单晶无根单晶, ,如同一颗机械如同一颗机械加工的刻面宝石加工的刻面宝石; ;第二颗巴西产第二颗巴西产, ,第三颗中国的第三颗中国的, ,尺寸尺寸1313厘米厘米; ;第四第四颗南

45、非产颗南非产, ,晶中晶晶中晶,2.7,2.7厘米。厘米。蝴蝶双晶蝴蝶双晶 在通常情况下，金属从熔融态凝固时，在液体各处产在通常情况下，金属从熔融态凝固时，在液体各处产生了无数取向随机的晶核。在长成晶块后，晶块中每个小生了无数取向随机的晶核。在长成晶块后，晶块中每个小晶粒虽具有各向异性，但由于小晶粒取向随机，晶块整体晶粒虽具有各向异性，但由于小晶粒取向随机，晶块整体并不显示出各向异性。并不显示出各向异性。这种由无数小晶粒构成的晶块叫做这种由无数小晶粒构成的晶块叫做多晶体。多晶体。2、实际晶体与理想晶体、实际晶体与理想晶体与点阵结构完全一样的理想晶体实际上不存在。这是由与点阵结构完全一样的理想晶

46、体实际上不存在。这是由于实际晶体大小有限，处于晶体表面的质点和内部的质点于实际晶体大小有限，处于晶体表面的质点和内部的质点不能平移复原。不能平移复原。晶体中的质点在其平衡位置作振动，即使晶体中的质点在其平衡位置作振动，即使在在0K也不停止，晶体中存在位错、裂缝、杂质包藏等缺也不停止，晶体中存在位错、裂缝、杂质包藏等缺陷。陷。 尽管理想晶体不存在但尽管理想晶体不存在但晶晶实践表明，用理想晶实践表明，用理想晶体的点阵结构模型推出的一些规律性，再结合具体情况进体的点阵结构模型推出的一些规律性，再结合具体情况进行修正往往能解决实际问题。行修正往往能解决实际问题。理想晶体与实际晶体的区别：理想晶体与实际

47、晶体的区别：1、实际晶体中的原子或分子无时无刻不在运动实际晶体中的原子或分子无时无刻不在运动，温度足够高时，晶格振动可引起晶体不同晶相之温度足够高时，晶格振动可引起晶体不同晶相之间的转变，或晶体到液体的溶解。间的转变，或晶体到液体的溶解。2、理想晶体的尺度是无限的理想晶体的尺度是无限的，有限尺度的实际晶有限尺度的实际晶体存在体存在边界效应边界效应，表面与本体物理化学性质不，表面与本体物理化学性质不同（果皮与果实）微米以上的晶体边界效应不明同（果皮与果实）微米以上的晶体边界效应不明显，显，而纳米尺寸的小晶体，各种性质随尺寸的变而纳米尺寸的小晶体，各种性质随尺寸的变化化。3、实际晶体中存在着多种形

48、式的结构欠完美实际晶体中存在着多种形式的结构欠完美（缺（缺陷）存在着微观的位错甚至包夹物。陷）存在着微观的位错甚至包夹物。1.8 二面角守恒定律二面角守恒定律 晶面的形状和大小是随外界条件而变的，但同一种晶晶面的形状和大小是随外界条件而变的，但同一种晶体的相应晶面间夹角体的相应晶面间夹角或晶棱间夹角或晶棱间夹角却不受外界条件影响却不受外界条件影响而保持恒定的值，这称为二面角守恒定律而保持恒定的值，这称为二面角守恒定律。 图图1-23示出了石英晶体的各种外形，其外表虽相差很示出了石英晶体的各种外形，其外表虽相差很大，但其二面角是固定不变的。大，但其二面角是固定不变的。图图1-23 随着量度晶体二

49、面角技术的提高，知道二随着量度晶体二面角技术的提高，知道二面角守恒定律只是近似的成立。在某些情况面角守恒定律只是近似的成立。在某些情况下，偏差达下，偏差达10一一20，甚至于达到，甚至于达到1o，同时二，同时二面角还会随温度而变。这样二面角守恒定律面角还会随温度而变。这样二面角守恒定律应严格表述为应严格表述为： 所有的同一物质的同种晶体，在同样条件所有的同一物质的同种晶体，在同样条件下（包括晶体生长条件）下，相应晶面或晶下（包括晶体生长条件）下，相应晶面或晶棱之间的角保持恒定。棱之间的角保持恒定。1.9 氯化钠晶体的抗拉强度（氯化钠晶体的抗拉强度（实际晶体与理想晶体的区别实际晶体与理想晶体的区

50、别）氯化钠晶体在常规测量时氯化钠晶体在常规测量时,其垂直于立方体面的抗拉强度其垂直于立方体面的抗拉强度0. 57kg/mm2。，下图是立方体，下图是立方体NaCl晶体，晶体，从其晶面上从其晶面上Na+和和Cl-的分布情况可知相邻的二层面上离子的符号正的分布情况可知相邻的二层面上离子的符号正好相反，而次远的又符号相同，垂直于此平面施力而使之断开需克好相反，而次远的又符号相同，垂直于此平面施力而使之断开需克服服Na+和和Cl-之间的引力。在立方晶面中每个离子所受到的引力为：之间的引力。在立方晶面中每个离子所受到的引力为：式中，式中，e为离子的电荷，为离子的电荷，R为两个离子的半径和。为两个离子的半

51、径和。每平方厘米中正负离子总数可以求出：每平方厘米中正负离子总数可以求出：因此，每平方厘米正负离子间的吸引力为因此，每平方厘米正负离子间的吸引力为如果考虑到稍远离子的作用，对结果进行如果考虑到稍远离子的作用，对结果进行精确修正：精确修正：200 kg/mm2 。实验测量值随被测氯化钠单晶的粗细不同而异。实验测量值随被测氯化钠单晶的粗细不同而异。常规测量时常规测量时=0. 57kg/mm2 ，比理论值小比理论值小300多倍多倍。当氯化钠。当氯化钠单晶为单晶为1mm2粗时测得粗时测得2kg/mm2 ，当单晶细到当单晶细到10-3mm2 时时p=200kg/mm2，这几乎与理论抗，这几乎与理论抗拉强度一样。拉强度一样。221 :14:2RNNR22114821042/380/108 . 3108 . 2108 . 4mmkgcmDynReNfP一个电子的电量是，-1.610-19C1C相当于3109CGS静电系电量单位（esu）。 1dyne=0.00001牛顿 （dyn/cm2）=0.1帕（Pa）1.10 液晶液晶 一些分子很长的有机化合物的晶体，分子在晶体中排一些分子很长的有机化合物的晶体，分子在晶体中排列如图列如图1-25 (a)所示。当温度高时因热运动而失去周期