单晶体是指样品中所含分子(原子或离子)在三维空间中呈规则、周期排列的一种固体状态。化学药物中的原料药(一般由单一成分组成)在合适的溶剂系统中经重结晶可得到适合X射线衍射使用的单晶样品,其大小约为0.5mm左右。例如:雪花、食盐小颗粒等。单晶体是半导体科学技术上的重要材料。
晶体生长_单晶体 -单晶体简介
固态物质分为晶体和非晶体。晶体分为单晶体,多晶体。晶体(crystal):晶体有三个特征:⑴晶体有一定的几何外形;⑵晶体有固定的熔点;⑶晶体有各向异性的特点。
单晶体是原子排列规律相同,晶格位相一致的晶体。例如:单晶硅。、
单晶体:整块晶体由一颗晶粒组成,或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。
多晶体是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组成的则称为多晶体。例如:常用的金属。
多晶体:整块晶体由大量晶粒组成,或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。
单晶体具有晶体的三个特征。
多晶体具有前两项特征,但具有各向同性的特点。
晶体生长_单晶体 -晶体生长
晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种,即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变。
晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段:①介质达到过饱和、过冷却阶段;②成核阶段;②生长阶段。
在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶。体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用。
介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用。
在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用。
均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几率相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核。
非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。因之在过冷却度很小时亦能局部地成核。
在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大。成核速度还与介质的粘度有关,粘度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度.晶核形成后,将进一步成长。下面介绍关于晶体生长的两种主要的理论。
一、层生长理论
科塞尔(Kossel,1927)首先提出,后经斯特兰斯基(Stranski)加以发展的晶体的层生长理论亦称为科塞尔―斯特兰斯基理论。
它是论述在晶核的光滑表面上生长一层原子面时,质点在界面上进入晶格"座位"的最佳位置是具有三面凹入角的位置(图I-2-1中k)。质点在此位置上与晶核结合成键放出的能量最大。因为每一个来自环境相的新质点在环境相与新相界面的晶格上就位时,最可能结合的位置是能量上最有利的位置,即结合成键时应该是成键数目最多,释放出能量最大的位置。图I一2―1示质点在生长中的晶体表面上所可能有的各种生长位置:
k为曲折面,具有三面凹人角,是最有利的生长位置;其次是S阶梯面,具有二面凹入角的位置;最不利的生长位置是A。由此可以得出如下的结论即晶体在理想情况下生长时,先长一条行列,然后长相邻的行列。在长满一层面网后,再开始长第二层面网。晶面(最外的面网)是平行向外推移而生长的。这就是晶体的层生长理论,用它可以解释如下的一些生长现象。
1)晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。
2)在晶体生长的过程中,环境可能有所变化,不同时刻生成的晶体在物性(如颜色)和成分等方面可能有细微的变化,因而在晶体的断面上常常可以看到带状构造(图I-2-2)。它表明晶面是平行向外推移生长的。
3)由于晶面是向外平行推移生长的,所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。
4)晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体中心为顶点的锥状体称为生长锥或砂钟状构造(图I-2-3、I-2-4、I-2-5)。在薄片中常常能看到。
然而晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。同时亦不一定是一层一层地顺序堆积,而是一层尚未长完,又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果,使晶体表面不平坦,成为阶梯状称为晶面阶梯(图I-2-5)。科塞尔理论虽然有其正确的方面,但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行的。因为当晶体的一层面网生长完成之后,再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难,其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小,不易克服质点的热振动使质点就位。因此,在过饱和度或过冷却度较低的情况下,晶的生长就需要用其它的生长机制加以解释。
在晶体生长过程中,不同晶面的相对生长速度如何,在晶体上哪些晶面发育,下面介绍有关这方面的几种主要理论。
一、布拉维法则
早在1855年,法国结晶学家布拉维(A.Bravis)从晶体具有空间格子构造的几何概念出发,论述了实际晶面与空间格子构造中面网之间的关系,即实际晶体的晶面常常平行网面结点密度最大的面网,这就是布拉维法则。
布拉维的这一结论系根据晶体上不同晶面的相对生长速度与网面上结点的密度成反比的推论引导而出的。所谓晶面生长速度是指单位时间内晶面在其垂直方向上增长的厚度。如图I一2―9所示,晶面AB的网面上结点的密度最大,网面间距也最大,网面对外来质点的引力小,生长速度慢,晶面横向扩展,最终保留在晶体上;CD晶面次之;BC晶面的网面上结点密度最小,网面间距也就小,网面对外来质点引力大,生长速度最快,横向逐渐缩小以致晶面最终消失;因此,实际晶体上的晶面常是网面上结点密度较大的面。
总体看来,布拉维法则阐明了晶面发育的基本规律。但由于当时晶体中质点的具体排列尚属未知,布拉维所依据的仅是由抽象的结点所组成的空间格子,而非真实的晶体结构。因此,在某些情况下可能会与实际情况产生一些偏离。1937年美国结晶学家唐内―哈克(Donnay-Harker)进一步考虑了晶体构造中周期性平移(体现为空间格子)以外的其他对称要素(如螺旋轴、滑移面)对某些方向面网上结点密度的影响,从而扩大了布拉维法则的适用范围。
布拉维法则的另一不足之处是,只考虑了晶体的本身,而忽略了生长晶体的介质条件。
由液相变为固相由气相变为固相由固相再结晶为固相
由液相变为固相
⑴从熔体中结晶当温度低于熔点时,晶体开始析出,也就是说,只有当熔体过冷却时晶体才能发生。如水在温度低于零摄氏度时结晶成冰;金属熔体冷却到熔点以下结晶成金属晶体。
⑵从溶液中结晶当溶液达到过饱和时,才能析出晶体。其方式有:
1)温度降低,如岩浆期后的热液越远离岩浆源则温度将渐次降低,各种矿物晶体陆续析出;2)水分蒸发,如天然盐湖卤水蒸发,3)通过化学反应,生成难溶物质。
决定晶体生长的形态,内因是基本的,而生成时所处的外界环境对晶体形态的影响也很大。同一种晶体在不同的条件生长时,晶体形态是可能有所差别的。现就影响晶体生长的几种主要的外部因素分述如下。
涡流温度杂质粘度结晶速度
影响晶体生长的外部因素还有很多,如晶体析出的先后次序也影响晶体形态,先析出者有较多自由空间,晶形完整,成自形晶;较后生长的则形成半自形晶或他形晶。同一种矿物的天然晶体于不同的地质条件下形成时,在形态上、物理性质上部可能显示不同的特征,这些特征标志着晶体的生长环境,称为标型特征。
1.晶体的溶解
把晶体置于不饱和溶液中晶体就开始