第1章晶体学概论.ppt

固体（晶体）化学（晶体40学时+固体化学20学时） Crystal Chemistry 第1章 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 1、认识过程： 石器时代----------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。 ＊＊晶体最显著的本质是有规则的几何外形！！ 1669年，意大利科学家斯丹诺（Steno）发现了晶体的面角守恒定律：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（Hauy）在1784年提出了著名的晶胞学说：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。 1690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。1885年，晶胞学说被法国科学家布喇菲（Bravais）发展为空间点阵学说，认为组成晶体的原子、离子、分子按一定的规则排列，这种排列形成一定的空间点阵结构。 1912年，德国科学家劳厄（Lane）,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）的正确性，并因此获得了诺贝尔物理奖。 2、晶体的定义 * *Crystal：本意是石英,来自于希腊语：Krystallos （洁净的冰）；古人认为透明的石英是由过冷的冰形成的。 结晶学（晶体学）发展历史及分支学科简介 始于17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。 17～18世纪：以研究晶体形态为主，也初步推测研究晶体内部结构的几何规律； 19世纪末～20世纪初：X－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； 20世纪70年代以来：透射电镜研究晶体内部超微结构细节； 20世纪80年代，发现准晶体，开辟了晶体对称理论新领域。 4、晶体学 晶体的结构、生长和一般性质及其它有关晶体方面的问题构成了晶体学。其主要研究内容包括5个部分：晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。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；晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律，属于晶体学研究的经典理论部分。近年来5次等旋转对称性的发现，对这一经典理论提出了挑战。 1.2 晶体的性能、应用及进展 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最好的礼物。”这是因为，当物质以晶体状态存在时，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的结构和性能的重要基础。此外，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。按功能来分，晶体有20种之多，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、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。 ＊＊ 在半导体晶体材料中，特别值得一提的是氮化镓(GaN)晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3.4eV)，因而是蓝绿光发光二级管(LED)、激光二极管(LD)及高功率集成电路的理想材料，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，中国科学院物理研究所首次利用熔盐法生长出 3mm×4mm的片状晶体一旦该晶体的质量得到进一步的提高，它将在发光器件、光通讯系统、CD机、全色打印、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。 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，对于极其精细的眼科手术，掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3pm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，只有几微米短的穿透深度，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。 常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α-LiIO3) 、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15)、磷酸二氘钾 (KD2PO4)、偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中，偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20世纪80年代首先研制成