晶体

晶体是原子、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则的几何外形的固体。晶体的分布非常广泛，自然界的固体物质中，绝大多数是晶体。气体、液体和非晶物质在一定的合适条件下也可以转变成晶体。晶体内部原子或分子排列的三维空间周期性结构，是晶体最基本的、最本质的特征，并使晶体具有下面的通性：用来制作工业用的晶体的技术之一，是从溶液中生长。种晶可用来促进单晶体的形成。在这个工序里，种晶降落到装有熔融物质的容器中。种晶周围的熔液冷却，它的分子就依附在种晶上。这些新的晶体分子承接种晶的取向，形成了一个大的单晶体。蓝宝石和红宝石的基本成分是氧化铝，它的熔点很高，因此很难制造能盛装其熔液的容器。人工合成蓝宝石和红宝石是用维尔纳叶法（焰熔法）制成，即将氧化铝粉和少量上色用的钛、铁或铬粉，通过火焰下滴到种晶上。火焰将粉熔解，然后在种晶上重新结晶。生产人造钻石需要高于1600℃的温度和60000倍大气压。人造钻石颗粒小且黑，它们适宜工业应用。区域熔化过程用来纯化半导体工业中的硅晶体：一个单晶体垂直悬挂在硅棒的顶端上，在两者接触处加热，棒的顶端熔化，并在单晶体上重结晶，然后将加热处慢慢地沿棒下移。晶体的一些性质取决于将分子联结成固体的结合力（原子之间的吸引力）。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果结合力弱，晶体则有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时分子可利用的能量不多。有数种主要的化学键，但这些都不一定是结晶的或非结晶的。然而，有一些一般趋势如下。金属的原子在金属键下变为离子，和被自由的价电子所包围。离子化合物由正离子和负离子构成，靠不同电荷之间的引力（离子键）结合在一起。氯化钠是离子晶体的一例。共价晶体的原子或分子以共价键的形式共享它们的价电子。钻石、锗和硅是重要的共价晶体。这些价电子能够容易地从一个原子运动到另一个原子。分子晶体的分子不分享电子。它们的结合是由于从分子的一端到另一端电场有微小的范德华力。因为这个结合力很弱，这些晶体在很低的温度下就熔化。典型的分子结晶如固态氧和冰。金属原子释放一些电子在四周自由地运动。在离子晶体中，电子从一个原子转移到另一个原子。共价晶体的原子分享它们的价电子。分子晶体中每个分子的一端有少量的负电荷，另一端有少量的正电荷，一个弱的电引力使分子就位。在16世纪后期，晶体结构的最初理论之一有所进展，当时利巴威斯提出研究矿物盐的晶粒形状可认定这些物质。1669年，斯蒂诺观察到同一物质的两个晶体的对应角永远相同。约在一世纪之后，阿维发现冰洲石碎裂成片，虽大小不同，却具同一形状。他猜想晶体的可能最小的碎片就是这个样子的，并进一步提出全部晶体都是相同的碎片或砌块构成的。现在把这种砌块称为原胞（单元晶胞）。现在知道这些晶体不是微小固体砌块，而是原子和分子的几何学排列。其具体形式用晶格表征。金属的电阻受到它接近晶体结构的完善程度的影响。当正离子处于规则点阵的一角时，电流中的电子不会因它们而发生散射。如果离子不在规则点阵的位置上，电流中的电子会发生散射，不规则的晶体如合金黄铜和不锈钢是相对的不良电子导体。而纯铜和纯银是远比它们为好的导体。压电现象是直接从晶体结构引起的。某些晶体在受到压缩或拉伸时就出现电极化。相反地，在电场的影响下，它们会变形。这些压电晶体用于一些收音机的耳机把电能转换为机械能，也用于电唱机的拾声器，将机械能转换为电能。压电效应取决于缺少一种对称——反演对称。图形的反演有点像它的镜中像把上下颠倒。如果一个图形，例如一个立方体，它和它的反演像看上去是一样的，这个图形就有反演对称。如果是四面体，看上去就不一样了，这个图形就没有反演对称性。缺少反演对称性的晶体通常能被压缩，使得原子的正负电荷的位移不相等，就产生了电场。完全没有缺陷的晶体是不存在的。某些缺陷是产生晶体许多观察到的晶体性质的原因。控制但不消除某一缺陷是固体物理学的一项主要技术。