如何制备单晶.pptx
《如何制备单晶.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《如何制备单晶.pptx(43页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、如何制备单晶如何制备单晶第1页/共42页通常讲话中的“晶体”常指一个具有显著的平的表面的固体,如:一块经切割过的宝石。但对于科学研究者来说,晶体是具有明确的、长程的、三维分子有序度的固体。第2页/共42页是否所有固体都是晶态的?我们都知道物质的形态分为:气体、液体、固体我们都知道物质的形态分为:气体、液体、固体但不是所有的固体都是晶态。但不是所有的固体都是晶态。固体分为:晶体、非晶体、和准晶体三大类固体分为:晶体、非晶体、和准晶体三大类晶体:原子呈周期性排列的固体物质如晶体:原子呈周期性排列的固体物质如 食盐、糖、矿石等等食盐、糖、矿石等等非晶体:原子呈无序排列的固体物质。如玻璃、松香、琥珀、
2、珍珠。非晶体:原子呈无序排列的固体物质。如玻璃、松香、琥珀、珍珠。准晶体:介于有序和无序之间的固体物质。如一些急冷凝固的合金准晶体:介于有序和无序之间的固体物质。如一些急冷凝固的合金Al65Cu23Fe12Al65Cu23Fe12、Al70Pd21Mn9 Al70Pd21Mn9。第3页/共42页晶体晶体晶体晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性,是原子、离子或分子按照一定的周期性,在结晶过程中,在空间排列形成具有一定规在结晶过程中,在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体(列外如:液晶)。则的几何外形的固体(列外如:液晶)。晶体有三个特征:(1)晶体有整齐规则的几何外形;(2)晶体有固定的熔
3、点,在熔化过程中,温度始终保持不变;(3)晶体有各向异性的特点。第4页/共42页晶体的分类 晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类:离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。同一晶体也有单晶和多晶(或粉晶)的区别。在实际中还存在混合型晶体。第5页/共42页离子晶体离子晶体 离子晶体是由阴、阳离子组成的,离子间的相互作用是较强烈的离离子晶体是由阴、阳离子组成的,离子间的相互作用是较强烈的离子键。离子晶体的代表物主要是强碱和多数盐类。离子晶体的结子键。离子晶体的代表物主要是强碱和多数盐类。离子晶体的结构特点是:晶格上
4、质点是阳离子和阴离子;晶格上质点间作用力构特点是:晶格上质点是阳离子和阴离子;晶格上质点间作用力是离子键,它比较牢固;晶体里只有阴、阳离子,没有分子。离是离子键,它比较牢固;晶体里只有阴、阳离子,没有分子。离子晶体的性质特点,一般主要有这几个方面:有较高的熔点和沸子晶体的性质特点,一般主要有这几个方面:有较高的熔点和沸点,因为要使晶体熔化就要破坏离子键,离子键作用力较强大,点,因为要使晶体熔化就要破坏离子键,离子键作用力较强大,所以要加热到较高温度。硬而脆。多数离子晶体易溶于水。离子所以要加热到较高温度。硬而脆。多数离子晶体易溶于水。离子晶体在固态时有离子,但不能自由移动,不能导电,溶于水或熔
5、晶体在固态时有离子,但不能自由移动,不能导电,溶于水或熔化时离子能自由移动而能导电。化时离子能自由移动而能导电。第6页/共42页原子晶体原子晶体 原子晶体中,组成晶体的微粒是原子,原子间的相互作用是共价键,共价键结原子晶体中,组成晶体的微粒是原子,原子间的相互作用是共价键,共价键结合牢固,原子晶体的熔、沸点高,硬度大,不溶于一般的溶剂,多数原子晶合牢固,原子晶体的熔、沸点高,硬度大,不溶于一般的溶剂,多数原子晶体为绝缘体,有些如硅、锗等是优良的半导体材料。原子晶体中不存在分子,体为绝缘体,有些如硅、锗等是优良的半导体材料。原子晶体中不存在分子,用化学式表示物质的组成,单质的化学式直接用元素符号
6、表示,两种以上元用化学式表示物质的组成,单质的化学式直接用元素符号表示,两种以上元素组成的原子晶体,按各原子数目的最简比写化学式。常见的原子晶体是周素组成的原子晶体,按各原子数目的最简比写化学式。常见的原子晶体是周期系第期系第A A族元素的一些单质和某些化合物,例如金刚石、硅晶体、族元素的一些单质和某些化合物,例如金刚石、硅晶体、SiO2SiO2、SiCSiC、B B等。对不同的原子晶体,组成晶体的原子半径越小,共价键的键长越等。对不同的原子晶体,组成晶体的原子半径越小,共价键的键长越短,即共价键越牢固,晶体的熔,沸点越高,例如金刚石、碳化硅、硅晶体短,即共价键越牢固,晶体的熔,沸点越高,例如
7、金刚石、碳化硅、硅晶体的熔沸点依次降低。的熔沸点依次降低。且原子晶体的熔沸点一般要比分子晶体和离子晶体高。且原子晶体的熔沸点一般要比分子晶体和离子晶体高。第7页/共42页分子晶体分子晶体 分子晶体分子间以范德华力相互结合形成的晶体。大多数分子晶体分子间以范德华力相互结合形成的晶体。大多数非金属单质及其形成的化合物如干冰非金属单质及其形成的化合物如干冰(CO(CO2 2)、I I2 2、大多数、大多数有机物,其固态均为分子晶体。分子晶体是由分子组成,有机物,其固态均为分子晶体。分子晶体是由分子组成,可以是极性分子,也可以是非极性分子。分子间的作用可以是极性分子,也可以是非极性分子。分子间的作用力
8、很弱,分子晶体具有较低的熔、沸点,硬度小、易挥力很弱,分子晶体具有较低的熔、沸点,硬度小、易挥发,许多物质在常温下呈气态或液态,例如发,许多物质在常温下呈气态或液态,例如OO2 2、COCO2 2是是气体,乙醇、冰醋酸是液体。同类型分子的晶体,其熔、气体,乙醇、冰醋酸是液体。同类型分子的晶体,其熔、沸点随分子量的增加而升高,例如卤素单质的熔、沸点沸点随分子量的增加而升高,例如卤素单质的熔、沸点按按F F2 2、ClCl2 2、BrBr2 2、I I2 2顺序递增;非金属元素的氢化物,按顺序递增;非金属元素的氢化物,按周期系同主族由上而下熔沸点升高;有机物的同系物随周期系同主族由上而下熔沸点升高
9、;有机物的同系物随碳原子数的增加,熔沸点升高。但碳原子数的增加,熔沸点升高。但HFHF、H H2 2OO、NHNH3 3、CHCH3 3CHCH2 2OHOH等分子间,除存在范德华力外,还有氢键的作等分子间,除存在范德华力外,还有氢键的作用力,它们的熔沸点较高。用力,它们的熔沸点较高。第8页/共42页金属晶体金属晶体 晶格结点上排列金属原子晶格结点上排列金属原子-离子时所构成的晶体。金属中的原子离子时所构成的晶体。金属中的原子-离子按金属键结合,因此金属晶体通常具有很高的导电性和导离子按金属键结合,因此金属晶体通常具有很高的导电性和导热性、很好的可塑性和机械强度,对光的反射系数大,呈现金热性、
10、很好的可塑性和机械强度,对光的反射系数大,呈现金属光泽,在酸中可替代氢形成正离子等特性。主要的结构类型属光泽,在酸中可替代氢形成正离子等特性。主要的结构类型为立方面心密堆积、六方密堆积和立方体心密堆积三种(见金为立方面心密堆积、六方密堆积和立方体心密堆积三种(见金属原子密堆积)。金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原属原子密堆积)。金属晶体的物理性质和结构特点都与金属原子之间主要靠金属键键合相关。金属可以形成合金,是其主要子之间主要靠金属键键合相关。金属可以形成合金,是其主要性质之一。性质之一。由金属键形成的单质晶体。金属单质及一些金属合金都属于金属由金属键形成的单质晶体。金属单质及一些金属合
11、金都属于金属晶体,例如镁、铝、铁和铜等。金属晶体中存在金属离子晶体,例如镁、铝、铁和铜等。金属晶体中存在金属离子(或金或金属原子属原子)和自由电子,金属离子和自由电子,金属离子(或金属原子或金属原子)总是紧密地堆积在总是紧密地堆积在一起,金属离子和自由电子之间存在较强烈的金属键,自由电一起,金属离子和自由电子之间存在较强烈的金属键,自由电子在整个晶体中自由运动,金属具有共同的特性,如金属有光子在整个晶体中自由运动,金属具有共同的特性,如金属有光泽、不透明,是热和电的良导体,有良好的延展性和机械强度。泽、不透明,是热和电的良导体,有良好的延展性和机械强度。大多数金属具有较高的熔点和硬度,金属晶体
12、中,金属离子排大多数金属具有较高的熔点和硬度,金属晶体中,金属离子排列越紧密,金属离子的半径越小、离子电荷越高,金属键越强,列越紧密,金属离子的半径越小、离子电荷越高,金属键越强,金属的熔、沸点越高。金属的熔、沸点越高。第9页/共42页晶体按其内部结构分类什么是晶体的结构?什么是晶体的结构?我们说晶体是由原子、离子或分子按照一定的周期性,在我们说晶体是由原子、离子或分子按照一定的周期性,在结晶过程中,在空间排列形成具有一定规则的几何外形结晶过程中,在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。的固体。我们将在空间中有规则地重复的结构(原子、离子、分子)我们将在空间中有规则地重复的结构(原子、离子
13、、分子)称为称为型主型主(高度专一的实体)。(高度专一的实体)。规定型主间的几何关系的点在概念上的列阵为规定型主间的几何关系的点在概念上的列阵为点阵点阵(几何的(几何的抽象)。抽象)。任何一个晶体都有定义明确的重复单位任何一个晶体都有定义明确的重复单位型主,每个型主都型主,每个型主都是和一个点阵相连,因而总的点阵是一个三维阵列,常是和一个点阵相连,因而总的点阵是一个三维阵列,常称为空间点阵称为空间点阵那么晶体结构那么晶体结构=点阵点阵*型主型主 *表示表示“与与相联系相联系”第10页/共42页晶胞 晶胞是晶体的代表,是描述晶体微观结构的基本晶胞是晶体的代表,是描述晶体微观结构的基本单元单元 。
14、一般说来,晶胞都是。一般说来,晶胞都是平行六面体平行六面体平行六面体平行六面体。整块。整块晶体可以看成是无数晶胞晶体可以看成是无数晶胞无隙并置无隙并置无隙并置无隙并置而成。而成。无隙无隙-相邻晶体之间没有任何间隙相邻晶体之间没有任何间隙并置并置-所有晶胞都是平行排列的取向相同所有晶胞都是平行排列的取向相同 但不一定是最小单元。晶胞有素晶胞和复晶胞之但不一定是最小单元。晶胞有素晶胞和复晶胞之分。素晶胞,符号分。素晶胞,符号P P,是晶体微观空间中的最小,是晶体微观空间中的最小单位,不可能再小。素晶胞中的原子集合相当于单位,不可能再小。素晶胞中的原子集合相当于晶体微观空间中的原子作周期性平移的最小
15、集合,晶体微观空间中的原子作周期性平移的最小集合,叫做结构基元。复晶胞是素晶胞的多倍体;分体叫做结构基元。复晶胞是素晶胞的多倍体;分体心晶胞(心晶胞(2 2倍体),符号倍体),符号I I;面心晶胞(;面心晶胞(4 4倍体)。倍体)。符号符号F F;以及底心晶胞(;以及底心晶胞(2 2倍体)符号倍体)符号C C三种。三种。第11页/共42页晶体按其内部结构也就是按晶胞的点阵晶体按其内部结构也就是按晶胞的点阵类型可分为类型可分为七大晶系七大晶系和和1414种晶格类型种晶格类型。晶系点阵型正交立方四角单斜三斜三角六角原基P内心I面心FC心C三角R第12页/共42页晶体对称性晶体对称性 在晶体的外形以
16、及其他宏观表现中还反映了晶体结构的对称性。晶体的理想在晶体的外形以及其他宏观表现中还反映了晶体结构的对称性。晶体的理想外形或其结构都是对称图象。这类图象都能经过不改变其中任何两点间距离外形或其结构都是对称图象。这类图象都能经过不改变其中任何两点间距离的操作後复原。这样的操作称为对称操作的操作後复原。这样的操作称为对称操作,平移、旋转、反映和倒反都是对称平移、旋转、反映和倒反都是对称操作。能使一个图象复原的全部不等同操作,形成一个对称操作群。操作。能使一个图象复原的全部不等同操作,形成一个对称操作群。晶体结构中只能存在晶体结构中只能存在1 1、2 2、3 3、4 4和和6 6次对称轴,次对称轴,
17、空间点阵只能有空间点阵只能有 1414种形式。种形式。n n次对称轴的基本旋转操作为旋转次对称轴的基本旋转操作为旋转360/n360/n,因此,因此,晶体能在外形和宏观中反映出来的轴对称性也只限于这些轴次。晶体能在外形和宏观中反映出来的轴对称性也只限于这些轴次。第13页/共42页晶体缺陷 由于原子并不处于静止状态,存在着外来原子引起的点阵畸变以及由于原子并不处于静止状态,存在着外来原子引起的点阵畸变以及一定的缺陷,基本结构虽然仍符合上述规则性,但绝不是如设想一定的缺陷,基本结构虽然仍符合上述规则性,但绝不是如设想的那样完整无缺,存在数目不同的各种形式的晶体缺陷。绝大多的那样完整无缺,存在数目不
18、同的各种形式的晶体缺陷。绝大多数工业用的金属材料不是只由一个巨大的单晶所构成数工业用的金属材料不是只由一个巨大的单晶所构成,而是由大量而是由大量小块晶体组成小块晶体组成,即多晶体。在整块材料内部,每个小晶体(或称晶即多晶体。在整块材料内部,每个小晶体(或称晶粒)整个由三维空间界面与它的近邻隔开。这种界面称晶粒间界,粒)整个由三维空间界面与它的近邻隔开。这种界面称晶粒间界,简称晶界。晶界厚度约为两三个原子。简称晶界。晶界厚度约为两三个原子。第14页/共42页晶体缺陷:各种偏离晶体结构中质点周期重晶体缺陷:各种偏离晶体结构中质点周期重复排列的因素,严格说,造成晶体点阵结构复排列的因素,严格说,造成
19、晶体点阵结构周期势场畸变的一切因素。周期势场畸变的一切因素。根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类:根据缺陷的作用范围把真实晶体缺陷分四类:点缺陷:在三维尺寸均很小,只在某些位置发生,只影响邻点缺陷:在三维尺寸均很小,只在某些位置发生,只影响邻近几个原子。近几个原子。线缺陷:在二维尺寸小,在另一维尺寸大,可被电镜观察到。线缺陷:在二维尺寸小,在另一维尺寸大,可被电镜观察到。面缺陷:在一维尺寸小,在另二维尺寸大,可被光学显微镜面缺陷:在一维尺寸小,在另二维尺寸大,可被光学显微镜观察到。观察到。体缺陷:在三维尺寸较大,如镶嵌块,沉淀相,空洞,气泡体缺陷:在三维尺寸较大,如镶嵌块,沉淀相,空洞,气泡
20、等。等。第15页/共42页从显微学上来看单晶,多晶,微晶,非晶,准晶,纳米晶,加上孪晶从显微学上来看单晶,多晶,微晶,非晶,准晶,纳米晶,加上孪晶。单晶与多晶,一个晶粒就是单晶,多个晶粒就是多晶,没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点;多晶的话,取向不同会表现几套斑点,标定的时候,一套一套来,当然有可能有的斑点重合,通过多晶衍射的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如果晶粒太小,可能会出现多晶衍射环。非晶衍射是非晶衍射环,这个环均匀连续,与多晶衍射环有区别。第16页/共42页 最初,显微镜倍数还不是很高的时候,能看到微米级的时候,觉得晶粒小的微米数量是非常小的了,而且这个时候材料的力学性能特
21、别好。人们习惯把这种小尺度晶粒较微晶。然而科学总是发展的,有一天人们发现如果晶粒度在小呢,材料性能变得不可思议了,什么量子效应,隧道效应,超延展性等等很多小尺寸效应都出来了,这就是现在很热的,热得不得了的纳米,晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒我们叫纳米晶。第17页/共42页孪晶 孪晶孪晶孪晶孪晶是指:由两个或者两个以上同种晶体构成的是指:由两个或者两个以上同种晶体构成的非平行的规则连生体。又称非平行的规则连生体。又称双晶双晶双晶双晶。在构成孪晶。在构成孪晶的两个单晶体间的两个单晶体间必然会有部分的对应晶面必然会有部分的对应晶面对对应晶棱相互平行应晶棱相互平行但不可能全部一一平行但不可能全部
22、一一平行然而然而它们必可通过某一反映它们必可通过某一反映旋转旋转180180或者反伸(倒或者反伸(倒反)的对称操作而达到彼此重合或者完全平行。反)的对称操作而达到彼此重合或者完全平行。第18页/共42页晶体的共性晶体的共性1 1、长程有序:晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则、长程有序:晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。排列。2 2、均匀性:晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。、均匀性:晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。3 3、各向异性:晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。、各向异性:晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。4 4、对称性:晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的
23、、对称性:晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。对称性。5 5、自限性:晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。、自限性:晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。6 6、解理性:晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。、解理性:晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。7 7、最小内能:成型晶体内能最小。、最小内能:成型晶体内能最小。8 8、晶面角守恒:属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角、晶面角守恒:属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。恒定不变。第19页/共42页单晶的培养 在合成化学实验中,往往采用结晶和重结晶的方法来提纯化合物。这时,我们在合成化学实验中,往往采用结晶和
24、重结晶的方法来提纯化合物。这时,我们可以用快速沉淀的方法。但是,由于沉淀速度太快,所形成的晶体一般都很可以用快速沉淀的方法。但是,由于沉淀速度太快,所形成的晶体一般都很小,呈粉末状,不能满足单晶衍射实验的要求。衍射实验所需要单晶的培养小,呈粉末状,不能满足单晶衍射实验的要求。衍射实验所需要单晶的培养(crystalgrowth)crystalgrowth),需要采用合适的方法,以获得质量好、尺寸合适的晶体。,需要采用合适的方法,以获得质量好、尺寸合适的晶体。晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速率。如果晶核形成速率大晶体的生长和质量主要依赖于晶核形成和生长的速率。如果晶核形成速率大于生长
25、速率,就会形成;大量的微晶,并容易出现晶体团聚。相反,太快的于生长速率,就会形成;大量的微晶,并容易出现晶体团聚。相反,太快的生长速率会引起晶体出现缺陷。为避免这两种问题常常需要摸索和生长速率会引起晶体出现缺陷。为避免这两种问题常常需要摸索和“运气运气”,因为在开始研究一个新化合物时,我们往往不知道这种新化合物的结晶规,因为在开始研究一个新化合物时,我们往往不知道这种新化合物的结晶规律,通常不容易预测并避免微晶或团聚问题的发生。当然,也不是完全没有律,通常不容易预测并避免微晶或团聚问题的发生。当然,也不是完全没有基本规律可以依循。这里介绍几个常用的有效方法和一些实用的建议。基本规律可以依循。这
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 如何 制备
限制150内