對晶體的教學研究

摘要 著重說明晶體的內部結構、物理性質、單晶和多晶的區別以及晶體的生成過程和實際用途，以幫助教者和學者對晶體有更深層次的認識。

關鍵詞 單晶體；多晶體；晶胞；人工晶體

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 B 文章編號 1671-489X（2008）016-0119-02

通常所說的晶體是單晶體，在高中物理教學中基本上都會涉及，由于教材中篇幅所限，往往不把它作為重要知識點，導致部分學生對此認識模糊。如果在教學中想適當拓展，就需要查找相關文獻，費時費力。為了方便教學和學生自學，本人對此進行了深入研究，力爭內容豐富，層次清晰，理論聯系實際，深入淺出而又不失其先進性、實用性和普適性，現將部分結果敘述如下。

教學中經常會有類似的疑問：究竟什么是單晶體？單晶體和多晶體的區別在哪兒？各向異性說的是多晶體還是單晶體？教材中提到的單晶硅又是什么？它有哪些用途？雖然教材要求不高，但畢竟是教學內容的一部分，學生想搞清相關問題也在情理之中。

什么樣的物質才能算作晶體呢？除液晶外，晶體一般是固體形態。它的內部結構具有一定的周期性，可以說有規律可循，但僅從外觀上，有時很難區分是晶體還是非晶體。那么，如何才能快速鑒定出它們呢？一種最常用的技術是X光技術。用X光對固體進行結構分析，你很快就會發現，晶體和非晶體是截然不同的固體。

眾所周知，物質是由原子、分子或離子組成的。當這些微觀粒子在三維空間按一定的規則進行排列，形成空間點陣結構時，就形成了晶體。因此，具有空間點陣結構的固體就是晶體。晶體又有單晶體和多晶體之分，為了描述晶體的結構，我們把構成晶體的原子想象成一個點，再用假想的線段將這些代表原子的各點連接起來，就繪成了格架式空間結構。這種用來描述原子在晶體中排列的幾何空間格架，稱為晶格[1]。由于晶體中原子的排列是有規律的，可以從晶格中拿出一個完全能夠表達晶格結構的最小單元，這個最小單元就叫做晶胞。許多取向相同的晶胞組成晶粒，如果是由取向不同的晶粒組成，就是多晶體；而單晶體內所有的晶胞取向則完全一致，也叫長程有序[2]。

一般而言，單晶體就是晶胞按照一定的對稱性，堆積形成的一定幾何形狀的晶體，表現出各向異性，即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理化學特性也不同，這就是晶體的各向異性。晶體的各向異性具體表現在晶體不同方向上的彈性模量、硬度、熱膨脹系數、導熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強度、磁化率和折射率等都是不同的。而多晶體則不具有一定的對稱性，幾何形狀無特定規律，無各向異性。例如，飛落到地球上的隕石就是多晶體，其主要成份是由長石等礦物晶體組成的。而食鹽的主要成份氯化鈉（NaCl）卻是一種常見的單晶體，它是由鈉離子（Na+）和氯離子（Cl－）按一定規則排列的立方體所組成，從大范圍（即整個晶體）來看，這種排列始終是有規則的。因此，我們平常所看到的食鹽顆粒都是小立方體。又如鉆石，它是由碳原子在大范圍內按一定的規則排列而成的晶體，人們常常在它的外表面加工出許多小面，使它變成多面體，由于它具有很高的折射率，又是透明的，所以，在陽光照射下，它對光線產生強烈的反射和折射，發出閃爍的光輝。值得注意的是，在晶體中，這樣晶瑩透明的有很多，但是，并不是所有透明的固體都是晶體，如玻璃就不是晶體。這是因為，組成玻璃的微觀粒子只是在一個很小的范圍內作有規則的排列，而從大范圍來看，它們的排列是不規則的，因此，玻璃不是晶體。除了自然界中形成的天然晶體外，人們也可以利用各種方法來生長晶體，叫做人工晶體。目前，人們不僅能生長出自然界中已有的晶體，還能制造出許多自然界中沒有的晶體。晶體是如何生成的呢？

形成單晶結構的方式有幾種，Ostwald ripening（OR）是最經典的一種，即“從液態轉變為固態的過程中，首先要成核，然后生長，這個過程為晶粒的成核長大。晶粒內分子、原子都有規則地排列的，所以一個晶粒是單晶”[4]。同時最近幾年，Banfiled又提出了一種新的晶體生長機制也能形成單晶結構。多個取向不一致的單晶納米顆，通過粒子的旋轉，使得晶格取向一致，向后通過定向附著生長（Oreinted Attachment，）使這些小單晶生長成為一個大單晶。當然定向附著的過程難免會出現一些位錯和缺陷，這種生長機理形成的單晶的特點同Ostwald ripening不同，OR形成的單晶大多是規則的，跟材料本身晶體結構相關，而OA形成的單晶結構在形貌上則沒有限制，任何形狀和結構的單晶材料都能通過此機理形成。還有，Alivisatos最近報道的Kirkendall Effect 也能形成單晶結構，在其論文中報道了通過這種機理形成的直徑只有幾十個納米的單晶空心球，這種結構以傳統的Ostwald ripening來看貌似是不可實現的，但通過別的生長機理就能成為現實。

晶體是美麗的，更是有用的！比如激光晶體，它吸收足夠的能量之后能發出一種特殊的強光，我們叫它“激光”，目前，人們已研制出數百種激光晶體。從1960年研制出世界上第一臺激光器到今天，這些激光晶體在軍事技術、宇宙探索、醫學、化學等眾多領域內都已獲得廣泛的應用。

再比如半導體晶體，我們今天擁有隨身聽、超薄電視和筆記本電腦等體積小巧、攜帶方便的電子產品正是得益于它；此外，還促進了光纖通訊技術的發展。利用這種晶體做光源，人們就能在一根頭發絲般的光導纖維中傳遞幾十萬路電話或幾千路電視，從而大大提高了信息傳遞的數量和質量[3]。

此外，還有許多晶體，如電光晶體、聲光晶體、壓電晶體、磁性晶體、超硬晶體等，它們在不同的技術領域中也起著重要的作用，在此就不一一列舉了。不過，值得一提的是，近年來，隨著光子晶體和納米晶體的出現和發展，掀起了微觀晶體的研究熱潮，使人類的認識達到了一個新的層次。但是，還有許多未知領域等待著我們去探索。

參考文獻

[1]周公度，郭可信.晶體和準晶體的衍射[M].第一版.北京:北京大學出版社，1999

[2]周公度.晶體結構的周期性和對稱性[M].第一版.北京:高等教育出版社，1992

[3]秦善編.晶體學基礎[M].第一版.北京:北京大學出版社，2004

[4]李宗全.晶體學與晶體結構[M].第一版.杭州:浙江科學技術出版社，2003