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電子元器件領域晶體結構相關知識

來源：http://www.lcsx.com.cn 作者：帝國科技 2012年07月20

一、研究晶體結構的重要意義

　　自然界中的固體物質絕大部分都是晶體，只有極少數是非晶體。初中化學課本在溶液部分講述結晶過程時指出：在結晶過程中形成的具有規則外形的固體叫做晶體。高中化學課本在分別講述四類晶體的特點以前，先講了所有晶體在結構上的共同特征。它指出：“晶體為什么具有規則的幾何外形呢？實驗證明：在晶體里構成晶體的微粒（分子、原子、離子等）是規則地排列的，晶體的有規則的幾何外形是構成晶體的微粒的有規則排列的外部反映”。這里所說的“實驗”主要指有Ｘ射線來測定分析晶體結構的實驗。高中化學課本下冊“金屬鍵”一節中就指出，金屬晶體的內部結果是用Ｘ射線進行研究發現或證實的。其它晶體也是如此。

　　用Ｘ射線測定晶體結構的科學叫做Ｘ射線晶體學，它和幾何晶體學、結晶化學一道，對現代化學的發展起了很大作用。它們的重要性可概括為以下四點：（1）結晶化學是現代結構化學的一個十分重要的基本的組成部分。物質的化學性質是由共結構決定的，所以結構化學包括結晶化學，是研究和解決許多化學問題的指南。

　　結晶化學的知識在研制催化劑中的應用就是一例。（2）由于晶體（晶振）內的粒子排列得很有規則，所以晶態是測定化學物質的結構最切實易行的狀態，分子結構的實際知識（如鍵長、鍵角數據）的主要來源是晶體結構。很多化合物和材料只存在于晶態中，并在晶態中被應用。（3）它們是生物化學和分子生物學的支柱。分子生物學的建立主要依靠了下列兩個系列的結構研究：一是從多肽的α螺旋到DNA的雙螺旋結構；二是從肌紅蛋白、血紅蛋白到溶菌酶和羧肽酶等的三維結構。它們都是應用測定晶體結構的Ｘ射線衍射方法所得的結果。（4）晶體學和結晶化學是固體科學和材料科學的基石。固體科學要在晶體科學所闡明的理想晶體結構的基礎上，著重研究偏離理想晶態的各種“缺陷”，這些“缺陷”是各種結構敏感性能（如導電、擴散、強度及反應性能等）的關鍵部位。材料之所以日新月異并蔚成材料科學，相當大的程度上得力于晶體在原子水平上的結構理論所提供的觀點和知識。

二、晶體的通性和分類

　　在介紹晶體結構研究的發展簡史以前，需要先說明一下晶體中微粒是怎樣有規則地排列的，并用晶體的這個本質特征來解釋晶體的一些通性。應用Ｘ射線研究晶體內部結構的大量實驗證明，一切晶體在結構上不同于非晶體（以及液體、氣體）的最本質的特征，是組成晶體的微粒（離子、原子、分子等）在三維空間中有規則的排列，具有結構的周期性。所謂結構的周期性，是指同一種微粒在空間排列上每隔一定距離重復出現。換句話說，在任一方向排在一直線上的相鄰兩種微粒之間的距離都相等，這個距離稱為周期。如果每一個微粒用一個點代表，則所有這些點組成一個有規則的空間點陣。過一點在不同方向取三根聯結各點的直線作為三個坐標軸，用三組平行于坐標軸的直線將所有的點聯結起來，則將空間點陣劃成所謂空間格子，空間格子的最小單位是一個平行六面體。晶體的空間格子將晶體截分為一個個內容（組成粒子、粒子的排布、粒子間的作用力的性質等）完全等同的基本單位——晶胞。晶胞的形狀、大小與空間格子的平行六面體單位相同。晶體可以看作無數個晶胞有規則地堆積而成。在非晶體中，微粒的排列沒有規則，不存在空間點陣結構。

　　與非晶體不同，晶體具有以下幾個通性：（1）晶體有整齊、規則的幾何外形。例如，只有結晶條件良好，可以看出食鹽、石英、明礬等分別具有立方體、六角柱體和八面體的幾何外形。這是晶體內微粒的排布具有空間點陣結構在晶體外形上的表現。對晶體有規則的幾何外形進行深入研究以后，人們發現不同晶體有不同程度的對稱性。晶體中可能具有的對稱元素有對稱中心、鏡面、旋轉軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒有一定的幾何外形。（2）晶體具有各向異性。一種性質在晶體的不同方向上它的大小有差異，這叫做各向異性。晶體的力學性質、光學性質、熱和電的傳導性質都表現出各向異性。例如，石墨晶體在平行于石墨層方向上比垂直于石墨層方向上導電率大一萬倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。這是由于在晶體內不同方向上微粒排列的周期長短不同，而微粒間距離的長短又直接影響它們相互作用力的大小和性質。非晶體由于微粒的排列是混亂的，表現為各向同性。（3）在一定壓力下，晶體有固定的熔點，非晶體沒有固定的熔點，只有一段軟化溫度范圍。這是由于晶體的每一個晶胞都是等同的，都在同一溫度下被微粒的熱運動所瓦解。在非晶體中，微粒間的作用力有的大有的小，極不均一，所以沒有固定的熔點。

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