電子元器件領(lǐng)域晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)
一、研究晶體結(jié)構(gòu)的重要意義
自然界中的固體物質(zhì)絕大部分都是晶體，只有極少數(shù)是非晶體。初中化學(xué)課本在溶液部分講述結(jié)晶過(guò)程時(shí)指出：在結(jié)晶過(guò)程中形成的具有規(guī)則外形的固體叫做晶體。高中化學(xué)課本在分別講述四類晶體的特點(diǎn)以前，先講了所有晶體在結(jié)構(gòu)上的共同特征。它指出：“晶體為什么具有規(guī)則的幾何外形呢？實(shí)驗(yàn)證明：在晶體里構(gòu)成晶體的微粒（分子、原子、離子等）是規(guī)則地排列的，晶體的有規(guī)則的幾何外形是構(gòu)成晶體的微粒的有規(guī)則排列的外部反映”。這里所說(shuō)的“實(shí)驗(yàn)”主要指有Ｘ射線來(lái)測(cè)定分析晶體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。高中化學(xué)課本下冊(cè)“金屬鍵”一節(jié)中就指出，金屬晶體的內(nèi)部結(jié)果是用Ｘ射線進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)或證實(shí)的。其它晶體也是如此。
用Ｘ射線測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的科學(xué)叫做Ｘ射線晶體學(xué)，它和幾何晶體學(xué)、結(jié)晶化學(xué)一道，對(duì)現(xiàn)代化學(xué)的發(fā)展起了很大作用。它們的重要性可概括為以下四點(diǎn)：（1）結(jié)晶化學(xué)是現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)的一個(gè)十分重要的基本的組成部分。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是由共結(jié)構(gòu)決定的，所以結(jié)構(gòu)化學(xué)包括結(jié)晶化學(xué)，是研究和解決許多化學(xué)問(wèn)題的指南。
結(jié)晶化學(xué)的知識(shí)在研制催化劑中的應(yīng)用就是一例。（2）由于晶體（晶振）內(nèi)的粒子排列得很有規(guī)則，所以晶態(tài)是測(cè)定化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)最切實(shí)易行的狀態(tài)，分子結(jié)構(gòu)的實(shí)際知識(shí)（如鍵長(zhǎng)、鍵角數(shù)據(jù)）的主要來(lái)源是晶體結(jié)構(gòu)。很多化合物和材料只存在于晶態(tài)中，并在晶態(tài)中被應(yīng)用。（3）它們是生物化學(xué)和分子生物學(xué)的支柱。分子生物學(xué)的建立主要依靠了下列兩個(gè)系列的結(jié)構(gòu)研究：一是從多肽的α螺旋到DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)；二是從肌紅蛋白、血紅蛋白到溶菌酶和羧肽酶等的三維結(jié)構(gòu)。它們都是應(yīng)用測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的Ｘ射線衍射方法所得的結(jié)果。（4）晶體學(xué)和結(jié)晶化學(xué)是固體科學(xué)和材料科學(xué)的基石。固體科學(xué)要在晶體科學(xué)所闡明的理想晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重研究偏離理想晶態(tài)的各種“缺陷”，這些“缺陷”是各種結(jié)構(gòu)敏感性能（如導(dǎo)電、擴(kuò)散、強(qiáng)度及反應(yīng)性能等）的關(guān)鍵部位。材料之所以日新月異并蔚成材料科學(xué)，相當(dāng)大的程度上得力于晶體在原子水平上的結(jié)構(gòu)理論所提供的觀點(diǎn)和知識(shí)。
二、晶體的通性和分類
在介紹晶體結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展簡(jiǎn)史以前，需要先說(shuō)明一下晶體中微粒是怎樣有規(guī)則地排列的，并用晶體的這個(gè)本質(zhì)特征來(lái)解釋晶體的一些通性。應(yīng)用Ｘ射線研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大量實(shí)驗(yàn)證明，一切晶體在結(jié)構(gòu)上不同于非晶體（以及液體、氣體）的最本質(zhì)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(guī)則的排列，具有結(jié)構(gòu)的周期性。所謂結(jié)構(gòu)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(fù)出現(xiàn)。換句話說(shuō)，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(gè)距離稱為周期。如果每一個(gè)微粒用一個(gè)點(diǎn)代表，則所有這些點(diǎn)組成一個(gè)有規(guī)則的空間點(diǎn)陣。過(guò)一點(diǎn)在不同方向取三根聯(lián)結(jié)各點(diǎn)的直線作為三個(gè)坐標(biāo)軸，用三組平行于坐標(biāo)軸的直線將所有的點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)，則將空間點(diǎn)陣劃成所謂空間格子，空間格子的最小單位是一個(gè)平行六面體。晶體的空間格子將晶體截分為一個(gè)個(gè)內(nèi)容（組成粒子、粒子的排布、粒子間的作用力的性質(zhì)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(wú)數(shù)個(gè)晶胞有規(guī)則地堆積而成。在非晶體中，微粒的排列沒(méi)有規(guī)則，不存在空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。
與非晶體不同，晶體具有以下幾個(gè)通性：（1）晶體有整齊、規(guī)則的幾何外形。例如，只有結(jié)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(nèi)微粒的排布具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在晶體外形上的表現(xiàn)。對(duì)晶體有規(guī)則的幾何外形進(jìn)行深入研究以后，人們發(fā)現(xiàn)不同晶體有不同程度的對(duì)稱性。晶體中可能具有的對(duì)稱元素有對(duì)稱中心、鏡面、旋轉(zhuǎn)軸、反軸等許多種。玻璃、松香、橡膠等非晶體都沒(méi)有一定的幾何外形。（2）晶體具有各向異性。一種性質(zhì)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(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱和電的傳導(dǎo)性質(zhì)都表現(xiàn)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(dǎo)電率大一萬(wàn)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(nèi)不同方向上微粒排列的周期長(zhǎng)短不同，而微粒間距離的長(zhǎng)短又直接影響它們相互作用力的大小和性質(zhì)。非晶體由于微粒的排列是混亂的，表現(xiàn)為各向同性。（3）在一定壓力下，晶體有固定的熔點(diǎn)，非晶體沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，只有一段軟化溫度范圍。這是由于晶體的每一個(gè)晶胞都是等同的，都在同一溫度下被微粒的熱運(yùn)動(dòng)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(méi)有固定的熔點(diǎn)。
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