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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Yb∶YAl3 (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Yb∶YAl3 (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