晶体有三个特征:
⑴晶体有一定的几浆察何外形;
⑵晶体有固定的熔点;
多晶体是由很多排列方式相同但位向不一致的小晶粒组成。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。
循愉兆单晶体海祖微具有晶体的三个特征。
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。
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。
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 [1]。
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。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。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。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。
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。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。
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。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。
⑴从熔体中结晶
⑵从溶液中结晶
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。
破坏了的和溶解了的晶体处于合适的环境又可恢复多面体形态,称为晶体的再生,如班岩中石英颗粒的再生。
对天然矿物晶体生长的研究有助于了解矿物、岩石、地质体的形成及发展历史,并为矿物资源的开发和利用提供一些有益的启发性资料。人工合成品体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件,更重要的是能够提供现代科学校术所急需的晶体材料。
人工合成晶体实验技术迅速发展,成功地合成了大量重要的晶体材料,如激光材料、半导体材料、磁性材料、人造宝石以及其它多种现代科技所要求的具有特种功能的晶体材料。当前人工合成晶体已成为工业主要文柱的材料科学的一个重要组成部分。
晶体的培养是在高压釜内进行的。高压釜由耐高温高压和耐酸碱的特种钢材制成。上部为结晶区,悬挂有籽晶;下部为溶解区,放置培养晶体的原料,釜内填装溶剂介质。由于结晶区与溶解区之间有温度差(如培养水晶,结晶区为330-350℃,溶解区为360-380℃)而产生对流,将高温的饱和溶液带至低温的结晶区形成过饱和析出溶质使籽晶生长。温度降低并已析出了部分溶质的溶液又流向下部,溶解培养料,如此循环往复,使籽晶得以连续不断地长大。