對(duì)晶體的教學(xué)研究

摘要 著重說明晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、單晶和多晶的區(qū)別以及晶體的生成過程和實(shí)際用途，以幫助教者和學(xué)者對(duì)晶體有更深層次的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞 單晶體；多晶體；晶胞；人工晶體

中圖分類號(hào) G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 1671-489X（2008）016-0119-02

通常所說的晶體是單晶體，在高中物理教學(xué)中基本上都會(huì)涉及，由于教材中篇幅所限，往往不把它作為重要知識(shí)點(diǎn)，導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)此認(rèn)識(shí)模糊。如果在教學(xué)中想適當(dāng)拓展，就需要查找相關(guān)文獻(xiàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了方便教學(xué)和學(xué)生自學(xué)，本人對(duì)此進(jìn)行了深入研究，力爭(zhēng)內(nèi)容豐富，層次清晰，理論聯(lián)系實(shí)際，深入淺出而又不失其先進(jìn)性、實(shí)用性和普適性，現(xiàn)將部分結(jié)果敘述如下。

教學(xué)中經(jīng)常會(huì)有類似的疑問：究竟什么是單晶體？單晶體和多晶體的區(qū)別在哪兒？各向異性說的是多晶體還是單晶體？教材中提到的單晶硅又是什么？它有哪些用途？雖然教材要求不高，但畢竟是教學(xué)內(nèi)容的一部分，學(xué)生想搞清相關(guān)問題也在情理之中。

什么樣的物質(zhì)才能算作晶體呢？除液晶外，晶體一般是固體形態(tài)。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定的周期性，可以說有規(guī)律可循，但僅從外觀上，有時(shí)很難區(qū)分是晶體還是非晶體。那么，如何才能快速鑒定出它們呢？一種最常用的技術(shù)是X光技術(shù)。用X光對(duì)固體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，你很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，晶體和非晶體是截然不同的固體。

眾所周知，物質(zhì)是由原子、分子或離子組成的。當(dāng)這些微觀粒子在三維空間按一定的規(guī)則進(jìn)行排列，形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)時(shí)，就形成了晶體。因此，具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的固體就是晶體。晶體又有單晶體和多晶體之分，為了描述晶體的結(jié)構(gòu)，我們把構(gòu)成晶體的原子想象成一個(gè)點(diǎn)，再用假想的線段將這些代表原子的各點(diǎn)連接起來，就繪成了格架式空間結(jié)構(gòu)。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格[1]。由于晶體中原子的排列是有規(guī)律的，可以從晶格中拿出一個(gè)完全能夠表達(dá)晶格結(jié)構(gòu)的最小單元，這個(gè)最小單元就叫做晶胞。許多取向相同的晶胞組成晶粒，如果是由取向不同的晶粒組成，就是多晶體；而單晶體內(nèi)所有的晶胞取向則完全一致，也叫長(zhǎng)程有序[2]。

一般而言，單晶體就是晶胞按照一定的對(duì)稱性，堆積形成的一定幾何形狀的晶體，表現(xiàn)出各向異性，即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各向異性。晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性模量、硬度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。而多晶體則不具有一定的對(duì)稱性，幾何形狀無特定規(guī)律，無各向異性。例如，飛落到地球上的隕石就是多晶體，其主要成份是由長(zhǎng)石等礦物晶體組成的。而食鹽的主要成份氯化鈉（NaCl）卻是一種常見的單晶體，它是由鈉離子（Na+）和氯離子（Cl－）按一定規(guī)則排列的立方體所組成，從大范圍（即整個(gè)晶體）來看，這種排列始終是有規(guī)則的。因此，我們平常所看到的食鹽顆粒都是小立方體。又如鉆石，它是由碳原子在大范圍內(nèi)按一定的規(guī)則排列而成的晶體，人們常常在它的外表面加工出許多小面，使它變成多面體，由于它具有很高的折射率，又是透明的，所以，在陽(yáng)光照射下，它對(duì)光線產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射和折射，發(fā)出閃爍的光輝。值得注意的是，在晶體中，這樣晶瑩透明的有很多，但是，并不是所有透明的固體都是晶體，如玻璃就不是晶體。這是因?yàn)椋M成玻璃的微觀粒子只是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)作有規(guī)則的排列，而從大范圍來看，它們的排列是不規(guī)則的，因此，玻璃不是晶體。除了自然界中形成的天然晶體外，人們也可以利用各種方法來生長(zhǎng)晶體，叫做人工晶體。目前，人們不僅能生長(zhǎng)出自然界中已有的晶體，還能制造出許多自然界中沒有的晶體。晶體是如何生成的呢？

形成單晶結(jié)構(gòu)的方式有幾種，Ostwald ripening（OR）是最經(jīng)典的一種，即“從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中，首先要成核，然后生長(zhǎng)，這個(gè)過程為晶粒的成核長(zhǎng)大。晶粒內(nèi)分子、原子都有規(guī)則地排列的，所以一個(gè)晶粒是單晶”[4]。同時(shí)最近幾年，Banfiled又提出了一種新的晶體生長(zhǎng)機(jī)制也能形成單晶結(jié)構(gòu)。多個(gè)取向不一致的單晶納米顆，通過粒子的旋轉(zhuǎn)，使得晶格取向一致，向后通過定向附著生長(zhǎng)（Oreinted Attachment，）使這些小單晶生長(zhǎng)成為一個(gè)大單晶。當(dāng)然定向附著的過程難免會(huì)出現(xiàn)一些位錯(cuò)和缺陷，這種生長(zhǎng)機(jī)理形成的單晶的特點(diǎn)同Ostwald ripening不同，OR形成的單晶大多是規(guī)則的，跟材料本身晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)，而OA形成的單晶結(jié)構(gòu)在形貌上則沒有限制，任何形狀和結(jié)構(gòu)的單晶材料都能通過此機(jī)理形成。還有，Alivisatos最近報(bào)道的Kirkendall Effect 也能形成單晶結(jié)構(gòu)，在其論文中報(bào)道了通過這種機(jī)理形成的直徑只有幾十個(gè)納米的單晶空心球，這種結(jié)構(gòu)以傳統(tǒng)的Ostwald ripening來看貌似是不可實(shí)現(xiàn)的，但通過別的生長(zhǎng)機(jī)理就能成為現(xiàn)實(shí)。

晶體是美麗的，更是有用的！比如激光晶體，它吸收足夠的能量之后能發(fā)出一種特殊的強(qiáng)光，我們叫它“激光”，目前，人們已研制出數(shù)百種激光晶體。從1960年研制出世界上第一臺(tái)激光器到今天，這些激光晶體在軍事技術(shù)、宇宙探索、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等眾多領(lǐng)域內(nèi)都已獲得廣泛的應(yīng)用。

再比如半導(dǎo)體晶體，我們今天擁有隨身聽、超薄電視和筆記本電腦等體積小巧、攜帶方便的電子產(chǎn)品正是得益于它；此外，還促進(jìn)了光纖通訊技術(shù)的發(fā)展。利用這種晶體做光源，人們就能在一根頭發(fā)絲般的光導(dǎo)纖維中傳遞幾十萬路電話或幾千路電視，從而大大提高了信息傳遞的數(shù)量和質(zhì)量[3]。

此外，還有許多晶體，如電光晶體、聲光晶體、壓電晶體、磁性晶體、超硬晶體等，它們?cè)诓煌募夹g(shù)領(lǐng)域中也起著重要的作用，在此就不一一列舉了。不過，值得一提的是，近年來，隨著光子晶體和納米晶體的出現(xiàn)和發(fā)展，掀起了微觀晶體的研究熱潮，使人類的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)新的層次。但是，還有許多未知領(lǐng)域等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]周公度，郭可信.晶體和準(zhǔn)晶體的衍射[M].第一版.北京:北京大學(xué)出版社，1999

[2]周公度.晶體結(jié)構(gòu)的周期性和對(duì)稱性[M].第一版.北京:高等教育出版社，1992

[3]秦善編.晶體學(xué)基礎(chǔ)[M].第一版.北京:北京大學(xué)出版社，2004

[4]李宗全.晶體學(xué)與晶體結(jié)構(gòu)[M].第一版.杭州:浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2003