晶體

晶體是原子、離子或分子按照一定的周期性，在結晶過程中，在空間排列形成具有一定規則的幾何外形的固體。

晶體的分布非常廣泛，自然界的固體物質中，絕大多數是晶體。氣體、液體和非晶物質在一定的合適條件下也可以轉變成晶體。

晶體內部原子或分子排列的三維空間周期性結構，是晶體最基本的、最本質的特徵，並使晶體具有下面的通性：

- 均勻性，即晶體內部各處宏觀性質相同。
- 各向異性，即晶體中不同的方向上性質不同。
- 能自發形成多面體外形。
- 有確定的、明顯的熔點。
- 有特定的對稱性。
- 能對X射線和電子束產生衍射效應等。

## 晶體結構和晶體學

在16世紀後期，晶體結構的最初理論之一有所進展，當時利巴威斯提出研究礦物鹽的晶粒形狀可認定這些物質。1669年，斯蒂諾觀察到同一物質的兩個晶體的對應角永遠相同。約在一世紀之後，阿維發現冰洲石碎裂成片，雖大小不同，卻具同一形狀。他猜想晶體的可能最小的碎片就是這個樣子的，並進一步提出全部晶體都是相同的碎片或砌塊構成的。現在把這種砌塊稱為原胞（單元晶胞）。現在知道這些晶體不是微小固體砌塊，而是原子和分子的幾何學排列。其具體形式用晶格表徵。

- 晶體的性質和原子在晶格中的排列的對稱性有關，按幾何學意義，一個圖形在運動中看上去像不動似的，這個圖形就是對稱的。不同類別的對稱是由物體可能在運動中保持形狀不變的途徑來定義的。反射對稱或雙向對稱可能是最熟悉的一種對稱。一個物體具有通過一個平面的反射對稱，即對平面一邊的任一點，在平面的另一邊的對應位置上有一個完全一樣的點。換句話說，如果物體的一半是另一半的鏡像，這個物體就是雙向對稱的。
- 平移對稱性是晶體結構的基本對稱性。一個物體沿直線移動一段距離，看上去並無變化。這樣的物體有規則的反覆重現的形象。單個圖形不可能具有平移對稱性。但是規則的反覆出現的形象，例如磚牆，花紋地板和晶體點陣具有平移對稱性。點陣還能夠具有其他對稱性，但它們成為點陣必須具備平移對稱性。當單元晶胞具有其他對稱性時，晶胞在整個點陣中重複，具有放大這些對稱性的效果，使這些對稱性顯示在肉眼可見的晶體上。
- 轉動的或徑向的對稱是另一種重要的對稱。一個正方形繞它的中心轉動90度後看上去和未轉動一樣，但如轉動120度，它的方位就變了。它具有轉動90度的徑向對稱，但沒有轉動120度的。正方形有對稱的轉動的四重軸（4×90度一360度），還有三重軸（體對角線）（3×120度-360度）。海星有對稱的五重軸。
- 晶體點陣絕不可能像海星那樣，具有五重對稱軸，因為正五邊形不可能配合成全方位都平滑的圖形。因此，如果地板是用正五角形瓷磚拼成，這個瓷磚地板必然有空隙。僅僅是具有一重、二重、三重、四重、六重轉動對稱的晶體能夠有平移對稱性。晶體對稱性恰好有230個可能的組合能夠順應三維點陣。可將它們分成七個晶體系統——立方、四方、正交、六方、三斜、單斜和菱形。
- 氯化鈉晶體屬於的系統易於確定，它有立方單元晶胞和立方結晶。但一些晶體不沿著單元晶胞的邊面而沿著其他平面剖開。氟化鈣的基本單元是立方的，但它的礦石通常裂成八面體結晶。
- 1912年，勞厄證明晶體衍射x射線。原子有序地排列在晶體結構中，所散射的x射線在某個方向上互相加強。照相底片置於這些散射的X射線的途徑上，將顯示出對每個晶體結構的不同的光點圖像。這些圖像揭示了這個晶體內的原子的排列。更近的年代裡，米勒發明場離子顯微鏡以觀察晶體。這個設備使人們能夠真正看到晶體表面上單個原子的位置。

## 晶體的性質

金屬的電阻受到它接近晶體結構的完善程度的影響。當正離子處於規則點陣的一角時，電流中的電子不會因它們而發生散射。如果離子不在規則點陣的位置上，電流中的電子會發生散射，不規則的晶體如合金黃銅和不鏽鋼是相對的不良電子導體。而純銅和純銀是遠比它們為好的導體。

壓電現象是直接從晶體結構引起的。某些晶體在受到壓縮或拉伸時就出現電極化。相反地，在電場的影響下，它們會變形。這些壓電晶體用於一些收音機的耳機把電能轉換為機械能，也用於電唱機的拾聲器，將機械能轉換為電能。

壓電效應取決於缺少一種對稱——反演對稱。圖形的反演有點像它的鏡中像把上下顛倒。如果一個圖形，例如一個立方體，它和它的反演像看上去是一樣的，這個圖形就有反演對稱。如果是四面體，看上去就不一樣了，這個圖形就沒有反演對稱性。缺少反演對稱性的晶體通常能被壓縮，使得原子的正負電荷的位移不相等，就產生了電場。

## 晶體種類

晶體的一些性質取決於將分子聯結成固體的結合力（原子之間的吸引力）。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子（或稱價電子）的相互作用。如果結合力強，晶體有較高的熔點。如果結合力弱，晶體則有較低的熔點，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成，此時分子可利用的能量不多。

有數種主要的化學鍵，但這些都不一定是結晶的或非結晶的。然而，有一些一般趨勢如下。金屬的原子在金屬鍵下變為離子，和被自由的價電子所包圍。離子化合物由正離子和負離子構成，靠不同電荷之間的引力（離子鍵）結合在一起。氯化鈉是離子晶體的一例。共價晶體的原子或分子以共價鍵的形式共享它們的價電子。鑽石、鍺和矽是重要的共價晶體。這些價電子能夠容易地從一個原子運動到另一個原子。分子晶體的分子不分享電子。它們的結合是由於從分子的一端到另一端電場有微小的范德華力。因為這個結合力很弱，這些晶體在很低的溫度下就熔化。典型的分子結晶如固態氧和冰。

金屬原子釋放一些電子在四周自由地運動。在離子晶體中，電子從一個原子轉移到另一個原子。共價晶體的原子分享它們的價電子。分子晶體中每個分子的一端有少量的負電荷，另一端有少量的正電荷，一個弱的電引力使分子就位。

## 工業用單晶體

用來製作工業用的晶體的技術之一，是從溶液中生長。種晶可用來促進單晶體的形成。在這個工序里，種晶降落到裝有熔融物質的容器中。種晶周圍的熔液冷卻，它的分子就依附在種晶上。這些新的晶體分子承接種晶的取向，形成了一個大的單晶體。藍寶石和紅寶石的基本成分是氧化鋁，它的熔點很高，因此很難製造能盛裝其熔液的容器。人工合成藍寶石和紅寶石是用維爾納葉法（焰熔法）製成，即將氧化鋁粉和少量上色用的鈦、鐵或鉻粉，通過火焰下滴到種晶上。火焰將粉熔解，然後在種晶上重新結晶。

生產人造鑽石需要高於1600℃的溫度和60000倍大氣壓。人造鑽石顆粒小且黑，它們適宜工業應用。區域熔化過程用來純化半導體工業中的矽晶體：一個單晶體垂直懸掛在矽棒的頂端上，在兩者接觸處加熱，棒的頂端熔化，並在單晶體上重結晶，然後將加熱處慢慢地沿棒下移。

## 晶體純淨度

純淨度主要用來反映晶體中雜質含量的多寡；雜質越少，工業產品的淨度值越高。

在晶體材料中，依雜質原子的有無、雜質原子摻入晶體的形式，晶體可分為：純淨晶體、含「間隙型雜質原子」的晶體、含「置換型雜質原子」的晶體。

## 晶體缺陷

完全沒有缺陷的晶體是不存在的。某些缺陷是產生晶體許多觀察到的晶體性質的原因。控制但不消除某一缺陷是固體物理學的一項主要技術。

### 點缺陷

- 晶格空位：一個晶格格位上缺失了一個粒子（原子，離子甚至分子）。如果有其他的雜質原子或離子佔據了這個空位，就會形成了替代式雜質。晶體的許多光學性質，例如著色就由於這類缺陷。
- 間隙缺陷：晶體本身的游離或雜質離子（或原子）也可能佔據晶格間的一個位置，形成間隙缺陷。
- 有時，晶體中的一個原子或離子的價電子或多或少於佔據了晶格格位的份額。如果有多餘電子，這個缺陷簡單地稱為電子；如果失去電子，這個缺陷就稱為空穴。在半導體設備的運行中，電子和空穴起了重要作用。
- 弗侖克爾缺陷：由一對晶格空位和間隙缺陷組成的缺陷對

### 線缺陷

- 刃位錯：由一個額外的原子平面部分地伸入晶體中產生的。它使晶體平面易於滑移，弱化了晶體。把雜質引入金屬的晶體點陣常能增加金屬的強度。雜質原子填滿了位錯周圍的空隙，阻止了位錯的運動。
- 螺旋位錯：被認為可用來解釋晶體的生長。晶體中一個平面上的一列原子和在其上的平面的原子相聯。這使晶體表面上出現螺旋花紋。理論上晶體不能像實際情況下長得那樣快，因為當長滿一個平面後，要起動一個新平面是困難的。螺型位錯的存在意味著平面永遠不會長滿。
- 混合位錯

### 面缺陷

- 晶粒邊界：是結構相同而取向不同晶粒之間的界面。在晶界面上，原子排列從一個取向過渡到另一個取向，故晶界處原子排列處於過渡狀態。晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。由於晶界連接著不同排列方向的晶粒，從一種排列方向過渡到另一種排列方向，因此晶界處的原子排列是不規則的，所以晶界上的原子往往比晶粒內的原子具有更高的能量，當晶粒間位向差別越大，在晶界處的原子排列就越不規則。此外，金屬中的雜質往往易於富集在晶界上。晶界的結構、成分和多少，對金屬的各種性能和金屬內的各種過程（如結晶、擴散、變形等）有重大影響，金屬中晶界愈多，即意味著晶粒愈細。
- 反相界(Antiphase bundary)：出現在有序合金中：在這種情況下，晶體方向保持不變，但界線的每一側都有一個相反的相：例如，如果有序通常是 ABABABAB（六方密排晶體），則反相界採用 ABABBABA 的形式。
- 堆垛錯誤：常見於最密堆積結構。這是由是由晶體中層堆疊序列的局部偏差形成的。例子是ABABABAB的有序堆積變成 ABABCABAB 的堆疊序列。
- 孿晶界：它在晶體的排序中引入了一個鏡像對稱平面。例如，在立方密堆積晶體中，孿晶界的堆疊序列為 ABCABCBACBA
- 在單晶平面上，原子平坦階地之間的台階也可以被視為平面缺陷。

### 體缺陷

- 三維宏觀或塊狀缺陷，例如氣孔、裂紋或夾雜物
- 空隙 — 沒有原子的小區域，可以認為是空位簇
- 雜質可以聚集在一起形成不同相的小區域。這些通常被稱為沉澱物

## 屬性

晶體｜粒子｜作用力｜熔點｜其他屬性｜實例

離子晶體｜陽離子和陰離子｜靜電引力｜高｜硬而脆，熔融時導電性很高｜氯化鈉、碳酸鈣、氧化鋁

分子晶體｜極性分子｜色散力和取向力｜低｜軟，液態時不導電或導電性極低｜冰、乾冰

分子晶體｜非極性分子｜色散力｜低｜軟｜固態稀有氣體、固態氧

原子晶體｜原子｜共價鍵｜很高｜硬度高｜金剛石、晶體矽、石英

金屬晶體｜金屬陽離子和自由電子｜靜電引力｜不定｜金屬光澤，易導電、導熱，延展性佳｜鐵、銅、鋁

## 相關項目

- 微結晶
- 混晶
- 複合結晶
- 液晶
- 準結晶
- 近似結晶
- 非結晶
- 玻璃
- 物性物理學
- 結晶學
- 結晶構造 - 結晶格子
- 礦物學、礦物

## 參考文獻

- 《康普頓百科全書》自然科學卷