晶體生長屬于什么學(xué)科 實(shí)驗(yàn)室培育寶石和天然寶石的區(qū)別

晶體的基本類型有幾種，學(xué)科交叉點(diǎn)上的結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)，人工寶石的一般概念。

本文導(dǎo)航

• 晶體具有哪六大特點(diǎn)
• 基礎(chǔ)結(jié)晶學(xué)和礦物學(xué)
• 實(shí)驗(yàn)室培育寶石和天然寶石的區(qū)別

晶體具有哪六大特點(diǎn)

這個(gè)問題解答起來有點(diǎn)麻煩，因?yàn)橛胁煌姆诸惙椒ā?

如果按功能分，晶體有20 種之多,如半導(dǎo)體晶體、磁光晶體、激光晶體、電光晶體、聲光晶體、非線性光學(xué)晶體、壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電晶體、閃爍晶體、絕緣晶體、敏感晶體、光色晶體、超導(dǎo)晶體以及多功能晶體等。

如果按著晶格結(jié)構(gòu)分，又可以分成氯化鈉結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)，纖維鋅礦結(jié)構(gòu)，金剛石結(jié)構(gòu)~~等等~~

下面有篇文章，讀讀挺有意思的（是中科院一位博士寫的科普類文章），我認(rèn)為你讀完后能很好的解決你的問題。真心的希望能夠幫助你?。?

晶體學(xué)和晶體材料研究的進(jìn)展2006-09-13 12:51 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和激光技術(shù)的發(fā)展, 人類已經(jīng)走進(jìn)了嶄新的光電子時(shí)代; 而實(shí)現(xiàn)這一巨大變化的物質(zhì)基礎(chǔ)不是別的, 正是硅單晶和激光晶體。可以斷言, 晶體材料的進(jìn)一步發(fā)展, 必將譜寫出人類科技文明的新篇章。

一、人類對晶體的認(rèn)識過程及有關(guān)晶體的概念

1. 人類對晶體的認(rèn)識過程

什么是晶體? 從古至今, 人類一直在孜孜不倦地探索著這個(gè)問題。早在石器時(shí)代, 人們便發(fā)現(xiàn)了各種外形規(guī)則的石頭, 并把它們做成工具, 從而揭開了探求晶體本質(zhì)的序幕。之后,經(jīng)過長期觀察,人們發(fā)現(xiàn)晶體最顯著的特點(diǎn)就是具有規(guī)則的外形。1669 年, 意大利科學(xué)家斯丹諾(Nicolaus Steno) 發(fā)現(xiàn)了晶面角守恒定律, 指出在同一物質(zhì)的晶體中,相應(yīng)晶面之間的夾角是恒定不變的。接著,法國科學(xué)家阿羽依(Rene Just Haüy) 于1784 年提出了著名的晶胞學(xué)說, 使人類對晶體的認(rèn)識邁出了一大步。根據(jù)這一學(xué)說,晶胞是構(gòu)成晶體的最小單位,晶體是由大量晶胞堆積而成的。1885 年, 這一學(xué)說被該國科學(xué)家布喇菲(A.Bravais) 發(fā)展成空間點(diǎn)陣學(xué)說, 認(rèn)為組成晶體的原子、分子或離子是按一定的規(guī)則排列的, 這種排列形成一定形式的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。1912 年, 德國科學(xué)家勞厄(Max van Laue) 對晶體進(jìn)行了X射線衍射實(shí)驗(yàn), 首次證實(shí)了這一學(xué)說的正確性, 并因此獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

2. 晶體的概念

具有空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的物體就是晶體, 空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)共有14 種。例如, 食鹽的主要成份氯化鈉(NaCl) 具有面心立方結(jié)構(gòu), 是一種常見的晶體。此外, 許多金屬(如鎢、鉬、鈉、常溫下的鐵等) 都具有體心立方結(jié)構(gòu), 因而都屬于晶體。值得注意的是, 在晶體中, 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?yàn)? 組成玻璃的質(zhì)點(diǎn)只是在一個(gè)原子附近的范圍內(nèi)作有規(guī)則的排列, 而在整個(gè)玻璃中并沒有形成空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。

3. 天然晶體與人工晶體

晶體分成天然晶體和人工晶體。千百年來, 自然界中形成了許多美麗的晶體, 如紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠等,這些晶體叫做天然晶體。然而,由于天然晶體出產(chǎn)稀少、價(jià)格昂貴,從19世紀(jì)末, 人們開始探索各種方法來生長晶體, 這種由人工方法生長出來的晶體叫人工晶體。到目前為止, 人們已發(fā)明了幾十種晶體生長方法, 如提拉法、浮區(qū)法、焰熔法、坩堝下降法、助熔劑法、水熱法、降溫法、再結(jié)晶法等。利用這些方法,人們不僅能生長出自然界中已有的晶體, 還能制造出自然界中沒有的晶體。從紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫到各種混合顏色, 這些人工晶體五彩紛呈, 有的甚至比天然晶體還美麗。

4. 晶體的共性

由于具有周期性的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 晶體具有下列共同性質(zhì): 均一性, 即晶體不同部位的宏觀性質(zhì)相同; 各向異性, 即晶體在不同方向上具有不同的物理性質(zhì); 自限性, 即晶體能自發(fā)地形成規(guī)則的幾何外形; 對稱性, 即晶體在某些特定方向上的物理化學(xué)性質(zhì)完全相同;具有固定熔點(diǎn);內(nèi)能最小。

5. 晶體學(xué)

除了對晶體的結(jié)構(gòu)、生長和一般性質(zhì)的研究, 人們還探索了有關(guān)晶體的其它問題, 從而形成了晶體學(xué)這門學(xué)科。其主要研究內(nèi)容包括5 個(gè)部分: 晶體生長、晶體的幾何結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)分析、晶體化學(xué)及晶體物理。其中, 晶體生長是研究人工培育晶體的方法和規(guī)律, 是晶體學(xué)研究的重要基礎(chǔ); 晶體的幾何結(jié)構(gòu)是研究晶體外形的幾何理論及內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的排列規(guī)律, 屬于晶體學(xué)研究的經(jīng)典理論部分, 但是, 近年來5 次等旋轉(zhuǎn)對稱性的發(fā)現(xiàn), 對這一經(jīng)典理論提出了挑戰(zhàn); 晶體結(jié)構(gòu)分析是收集大量與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的衍射數(shù)據(jù)、探明具體晶體結(jié)構(gòu)及X射線結(jié)構(gòu)分析方法的; 晶體化學(xué)主要研究化學(xué)成分與晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)之間的關(guān)系; 晶體物理則是研究晶體的物理性質(zhì), 如光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、聲學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)等。

二、晶體的性能、應(yīng)用及進(jìn)展

一位物理學(xué)家說過: “晶體是晶體生長工作者送給物理學(xué)家的最好的禮物?！边@是因?yàn)?當(dāng)物質(zhì)以晶體狀態(tài)存在時(shí), 它將表現(xiàn)出其它物質(zhì)狀態(tài)所沒有的優(yōu)異的物理性能, 因而是人類研究固態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能的重要基礎(chǔ)。此外, 由于能夠?qū)崿F(xiàn)電、磁、光、聲和力的相互作用和轉(zhuǎn)換, 晶體還是電子器件、半導(dǎo)體器件、固體激光器件及各種光學(xué)儀器等工業(yè)的重要材料, 被廣泛地應(yīng)用于通信、攝影、宇航、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣象學(xué)、建筑學(xué)、軍事技術(shù)等領(lǐng)域。

按功能來分,晶體有20 種之多,如半導(dǎo)體晶體、磁光晶體、激光晶體、電光晶體、聲光晶體、非線性

光學(xué)晶體、壓電晶體、熱釋電晶體、鐵電晶體、閃爍晶體、絕緣晶體、敏感晶體、光色晶體、超導(dǎo)晶體以及多功能晶體等。以下簡單介紹其中重要的幾種。

1. 半導(dǎo)體晶體

半導(dǎo)體晶體是半導(dǎo)體工業(yè)的主要基礎(chǔ)材料, 從應(yīng)用的廣泛性和重要性來看, 它在晶體中占有頭等重要的地位。半導(dǎo)體晶體是從20 世紀(jì)50 年代開始發(fā)展起來的。第一代半導(dǎo)體晶體是鍺( Ge) 單晶和硅單晶

(Si) 。由它們制成的各種二極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅及大功率管等器件, 在無線電子工業(yè)上有著 極其廣泛的用途。它們的發(fā)展使得集成電路從只包括十幾個(gè)單元電路飛速發(fā)展到含有成千上萬個(gè)元件的超大規(guī)模集成電路, 從而極大地促進(jìn)了電子產(chǎn)品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 同時(shí)又降低了成本, 進(jìn)而促進(jìn)了集成電路在空間研究、核武器、導(dǎo)彈、雷達(dá)、電子計(jì)算機(jī)、軍事通信裝備及民用等方面的廣泛應(yīng)用。

目前, 除了向大直徑、高純度、高均勻度及無缺陷方向發(fā)展的硅單晶之外, 人們又研究了第二代半導(dǎo)體晶體——Ⅲ—Ⅴ族化合物, 如(CaAs) 、磷化鎵( GaP) 等單晶。近來, 為了滿足對更高性能的需求,已發(fā)展到三元或多元化合物等半導(dǎo)體晶體。在半導(dǎo)體晶體材料中, 特別值得一提的是氮化鎵( GaN) 晶體。由于它具有很寬的禁帶寬度(室溫下為3. 4eV) , 因而是藍(lán)綠光發(fā)光二級管(LED) 、激光二極管(LD) 及高功率集成電路的理想材料,近年來在全世界范圍內(nèi)掀起了研究熱潮, 成為炙手可熱的研究焦點(diǎn)。目前, 中國科學(xué)院物理研究所在該晶體的生長方面獨(dú)辟蹊徑, 首次利用熔鹽法生長出3mm×4mm的片狀晶體 。一旦該晶體的質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高, 它將在發(fā)光器件、光通訊系統(tǒng)、CD 機(jī)、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色顯示系統(tǒng)、超薄電視等方面得到廣泛的應(yīng)用。

2. 激光晶體

激光晶體是激光的工作物質(zhì), 經(jīng)泵浦之后能發(fā)出激光, 所以叫做激光晶體。1960 年, 美國科學(xué)家Maiman 以紅寶石晶體作為工作物質(zhì), 成功地研制出世界上第一臺激光器, 取得了舉世矚目的重大科學(xué)

成就。目前,人們已研制出數(shù)百種激光晶體。其中,最常用的有紅寶石(Cr :Al 2O3) 、鈦寶石( Ti :Al2O3) 、摻釹釓鋁石榴石(Nd : Y3Al 5O12) 、摻鏑氟化鈣(Dy : CaF2) 、摻釹釩酸釔(Nd : YVO4) 、四硼酸鋁釹(NdAl 3(BO3) 4) 等晶體。

近年來, 由于新的激光晶體的不斷出現(xiàn)以及非線性倍頻、差頻、參量振蕩等技術(shù)的發(fā)展, 利用激光

晶體得到的激光已涉及紫外、可見光到紅外譜區(qū),并被成功地應(yīng)用于軍事技術(shù)、宇宙探索、醫(yī)學(xué)、化學(xué)

等眾多領(lǐng)域。例如,在各種材料的加工上,晶體產(chǎn)生的激光大顯身手, 特別是對于超硬材料的加工, 它具有無可比擬的優(yōu)越性。比如, 同樣是在金剛石上打一個(gè)孔, 用傳統(tǒng)方法需要兩小時(shí)以上的時(shí)間, 而用晶體產(chǎn)生的激光,連0. 1 秒的時(shí)間都不用。此外,用激光進(jìn)行焊接, 可以高密度地把很多電子元件組裝在一起, 并能夠大大提高電路的工作可靠性, 從而大幅度地減小電子設(shè)備的體積。激光晶體還可以制成激光測距儀和激光高度計(jì), 進(jìn)行高精度的測量。令人興奮的是, 法國天文臺利用具有紅寶石晶體的裝置, 首次實(shí)現(xiàn)了對同一顆人造衛(wèi)星的跟蹤觀察實(shí)驗(yàn),精確地測定了這顆衛(wèi)星到地面的距離。在醫(yī)學(xué)上,激光晶體更是得到了巧妙的應(yīng)用。它發(fā)出的激光通過可以自由彎曲的光導(dǎo)管進(jìn)行傳送, 在出口端裝有透鏡和外科醫(yī)生用的手柄。經(jīng)過透鏡, 激光被聚焦成直徑僅有幾埃的微小斑點(diǎn), 變成一把無形卻又十分靈巧的手術(shù)刀, 不但能夠徹底

殺菌, 而且可以快速地切斷組織, 甚至可以切斷一個(gè)細(xì)胞。對于極其精細(xì)的眼科手術(shù), 摻鉺的激光晶體是最合適不過的了。這種晶體可以產(chǎn)生近3μm波長的激光, 由于水對該激光的強(qiáng)烈吸收, 導(dǎo)致它進(jìn)入生物組織后, 只有幾微米短的穿透深度, 因此, 這種激光是十分安全的, 不會使患者產(chǎn)生任何痛苦。由于用這種激光可以快速而精確地進(jìn)行切割, 手術(shù)時(shí)間極短, 因而避免了眼球的不自覺運(yùn)動(dòng)對手術(shù)的干擾,保證了手術(shù)的順利進(jìn)行。此外, 激光電視、激光彩色立體電影、激光攝影、激光計(jì)算機(jī)等都將是激動(dòng)人心的激光晶體的新用途。

3. 非線性光學(xué)晶體

光通過晶體進(jìn)行傳播時(shí), 會引起晶體的電極化。當(dāng)光強(qiáng)不太大時(shí), 晶體的電極化強(qiáng)度與光頻電場之間呈線性關(guān)系, 其非線性關(guān)系可以被忽略; 但是, 當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí), 如激光通過晶體進(jìn)行傳播時(shí), 電極化強(qiáng)度與光頻電場之間的非線性關(guān)系變得十分顯著而不能忽略, 這種與光強(qiáng)有關(guān)的光學(xué)效應(yīng)稱為非線性光學(xué)效應(yīng), 具有這種效應(yīng)的晶體就稱為非線性光學(xué)晶體。

非線性光學(xué)晶體與激光緊密相連, 是實(shí)現(xiàn)激光的頻率轉(zhuǎn)換、調(diào)制、偏轉(zhuǎn)和Q開關(guān)等技術(shù)的關(guān)鍵材料。當(dāng)前,直接利用激光晶體獲得的激光波段有限, 從紫外到紅外譜區(qū), 尚有激光空白波段。而利用非線性光學(xué)晶體, 可將激光晶體直接輸出的激光轉(zhuǎn)換成新波段的激光, 從而開辟新的激光光源, 拓展激光晶體的應(yīng)用范圍。常用的非線性光學(xué)晶體有碘酸鋰(α - Li IO3) 、鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15) 、磷酸二氘鉀（KD2PO4) 、偏硼酸鋇(β- BaB2O4) 、三硼酸鋰(LiB3O5)等。其中,偏硼酸鋇和三硼酸鋰晶體是我國于20 世紀(jì)80 年代首先研制成功的, 具有非線性光學(xué)系數(shù)大、激光損傷閾值高的突出優(yōu)點(diǎn), 是優(yōu)秀的激光頻

率轉(zhuǎn)換晶體材料,在國際上引起了很大的反響。另一種著名的晶體是磷酸鈦氧鉀晶體( KTiOPO4) ,它是迄今為止綜合性能最優(yōu)異的非線性光學(xué)晶體, 被公認(rèn)為1. 064μm和1. 32μm激光倍頻的首選材料, 它可以把1. 064μm的紅外激光轉(zhuǎn)換成0. 53μm的綠色激光。由于綠光不僅能夠用于醫(yī)療、激光測距, 還能夠進(jìn)行水下攝影和水中通信等, 因此,磷酸鈦氧鉀晶體得到了廣泛的應(yīng)用。

4. 壓電晶體

當(dāng)晶體受到外力作用時(shí), 晶體會發(fā)生極化, 并形成表面電荷, 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng); 反之, 當(dāng)晶體受到外加電場作用時(shí), 晶體會產(chǎn)生形變, 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體則稱為壓電晶體,它只存在于沒有對稱中心的晶類中。最早發(fā)現(xiàn)的壓電晶體是水晶(α- SiO2) 。它具有頻率穩(wěn)定的特性, 是一種理想的壓電材料, 可用來制造諧振器、濾波器、換能器、光偏轉(zhuǎn)器、聲表面波器件及各種熱敏、氣敏、光敏和化學(xué)敏器件等。它還被廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活中, 如石英表、電子鐘、彩色電視機(jī)、立體聲收音機(jī)及錄音機(jī)等。

近年來, 人們又研制出許多新的壓電晶體, 如鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰(LiNbO3) 、鉭酸鉀( KTaO3)

等,鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15) 、鈮酸鉀鋰( K1 - xLiNbO3) 等以及層狀結(jié)構(gòu)的鍺酸鉍(Bi 12GeO20) 等。利用這些晶體的壓電效應(yīng),可制成各種器件, 廣泛地用于軍事上和民用工業(yè), 如血壓計(jì)、呼吸心音測定器、壓電鍵盤、延遲線、振蕩器、放大器、壓電泵、超聲換能器、壓電變壓器等。

5. 閃爍晶體

這種晶體在X射線激發(fā)下會產(chǎn)生熒光, 形成閃爍現(xiàn)象。最早得到應(yīng)用的閃爍晶體是摻鉈碘化鈉（Tl :NaI) 晶體。該晶體的發(fā)光波長在可見光區(qū),閃爍效率高, 又易于生長大尺寸單晶, 在核科學(xué)和核工

業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。20 世紀(jì)80 年代初, 中科院上海硅酸鹽研究所采用坩堝下降法成功地生長了大尺寸鍺酸鉍(Bi 4Ge 3O12) 單晶。由于這種晶體阻擋高能射線能力強(qiáng)、分辨率高, 因而特別適合于高能粒子和高能射線的探測, 在基本粒子、空間物理和高能物理等研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用, 并已十分成功地用于歐洲核子研究中心L3 正負(fù)電子對撞機(jī)的電磁量能器上。此后, BaF2 晶體成為又一新型閃爍材料。除了在高能物理中應(yīng)用之外, 該晶體在低能物理方面已用于正電子湮沒譜儀, 使譜儀的分辨率和計(jì)數(shù)效率

均得到很大的提高。此外, 它還可用于檢查隱藏的爆炸物、石油探測、放射性礦物探測、正電子發(fā)射層

析照相(簡稱PET) 等方面,具有良好的應(yīng)用前景。

6. 聲光晶體

當(dāng)光波和聲波同時(shí)射到晶體上時(shí), 聲波和光波之間將會產(chǎn)生相互作用, 從而可用于控制光束, 如使光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)、使光強(qiáng)和頻率發(fā)生變化等, 這種晶體稱為聲光晶體, 如鉬酸鉛( PbMoO4) 、二氧化碲（TeO2) 、硫代砷酸砣( Tl 3AsS4) 等。利用這些晶體,人們可制成各種聲光器件, 如聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光調(diào)Q 開關(guān)、聲表面波器件等, 從而把這些晶體廣泛地用于激光雷達(dá)、電視及大屏幕顯示器的掃描、光子計(jì)

算機(jī)的光存儲器及激光通信等方面。

7. 光折變晶體

光折變晶體是眾多晶體中最奇妙的一種晶體。當(dāng)外界微弱的激光照到這種晶體上時(shí), 晶體中的載流子被激發(fā), 在晶體中遷移并重新被捕獲, 使得晶體內(nèi)部產(chǎn)生空間電荷場, 然后, 通過電光效應(yīng),空間電荷場改變晶體中折射率的空間分布, 形成折射率光柵,從而產(chǎn)生光析變效應(yīng)。光折變效應(yīng)的特點(diǎn)是, 在弱光作用下就可表現(xiàn)出明顯的效應(yīng)。例如,在自泵浦相位共軛實(shí)驗(yàn)中,一束毫瓦級的激光與光折變晶體作用就可以產(chǎn)生相 位共軛波, 使畸變得無法辨認(rèn)的圖像清晰如初。由于折射率光柵在空間上是非局域的, 它在波矢方向相對于干涉條紋有一定的空間相移, 因而能使光束之間實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。如兩波耦合實(shí)驗(yàn)中, 當(dāng)一束弱信號光和一束強(qiáng)光在光折變晶體中相互作用時(shí), 弱信號光可以增強(qiáng)1 000 倍。此外, 憑借著光折變效應(yīng), 光折變晶體還具有以下特殊的性能: 可以在3cm3 的體積中存儲5 000幅不同的圖像, 并可以迅速顯示其中任意一幅; 可以精密地探測出小得只有10 - 7米的距離改變; 可以濾去靜止不變的圖像, 專門跟蹤剛發(fā)生的圖像改變;甚至還可以模擬人腦的聯(lián)想思維能力。因此,這種晶體一經(jīng)發(fā)現(xiàn),便引起了人們的極大興趣。

目前, 有應(yīng)用價(jià)值的光折變晶體有鈦酸鋇(BaTiO3) 、鈮酸鉀( KNbO3) 、鈮酸鋰(LiNbO3) 、鈮酸鍶

鋇(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸鉍(Bi 12SiO20) 等晶體。其中,摻鈰鈦酸鋇(Ce :BaTiO3) 是由中國科學(xué)院物理研究所于90 年代在國際上首次研制成功的。它的優(yōu)異性能, 使光折變晶體在理論研究和實(shí)用化方面取得突破性進(jìn)展。當(dāng)前, 光折變晶體已發(fā)展成一種新穎的功能晶體, 在光的圖像和信息處理、相位共軛、全息存儲、光通訊和光計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面展示著良好的應(yīng)用前景。

三、晶體研究的發(fā)展趨勢

隨著人們對晶體認(rèn)識的不斷深入, 晶體研究的方向也逐步地發(fā)生著變化, 其總的發(fā)展趨勢是: 從晶態(tài)轉(zhuǎn)向非晶態(tài); 從體單晶轉(zhuǎn)向薄膜晶體; 從通常的晶格轉(zhuǎn)向超晶格; 從單一功能轉(zhuǎn)向多功能; 從體性質(zhì)轉(zhuǎn)向表面性質(zhì);從無機(jī)擴(kuò)展到有機(jī),等等。此外, 鑒于充分認(rèn)識到晶體結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系的重要性, 人們已經(jīng)開始利用分子設(shè)計(jì)來探索各種新型晶體。而且, 隨著光子晶體和納米晶體的出現(xiàn)和發(fā)展, 人類對晶體的認(rèn)識更是有了新的飛躍?？梢韵嘈? 在不久的將來, 晶體的品種將會更多、性能將會更優(yōu)異、應(yīng)用范圍也將會越來越廣。

總之,晶體不僅是美麗的,而且也是有用的。它蘊(yùn)涵著豐富的內(nèi)容, 是人類寶貴的財(cái)富。但迄今為

止, 人們對它的認(rèn)識猶如冰山之一角, 還有許多未知領(lǐng)域等待著我們?nèi)ヌ剿鳌?

(王皖燕 中國科學(xué)院物理研究所,博士北京100080)

參考資料：（王皖燕 中國科學(xué)院物理研究所,博士北京100080)

基礎(chǔ)結(jié)晶學(xué)和礦物學(xué)

如前所述，結(jié)晶學(xué)是研究晶體的一門學(xué)科，而晶體的分布極其廣泛，種類相當(dāng)繁雜，分別以某類晶體為其研究對象的二級學(xué)科也為數(shù)甚多。但不同學(xué)科所涉及之晶體的特點(diǎn)可以存在很大差異。例如金屬單質(zhì)的晶體，成分特別簡單，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的基本花樣一般僅由一個(gè)或兩個(gè)原子組成，晶體的對稱性則很高。而在諸如蛋白質(zhì)等的高分子化合物晶體中，僅其單個(gè)分子內(nèi)就包含有為數(shù)高達(dá)103～105的結(jié)構(gòu)單元，成分以C、H、O、N等為主，而其晶體結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜了。因此，覆蓋了眾多二級學(xué)科的結(jié)晶學(xué)主要著眼于探究普遍適用于各類晶體的共同規(guī)律性問題，而與之交叉的各相關(guān)學(xué)科則以研究本類別晶體的各項(xiàng)性質(zhì)及其規(guī)律為主，但這兩方面都是既相互依存又相輔相成的。

本書是《礦物學(xué)導(dǎo)論》的姊妹篇，而礦物學(xué)又是結(jié)晶學(xué)的發(fā)祥地，因此，以下將從學(xué)科交叉的視角簡述當(dāng)今結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué)間的關(guān)系。

礦物學(xué)(mineralogy)是以礦物為研究對象而屬于地球科學(xué)的一門學(xué)科。根據(jù)國際礦物學(xué)協(xié)會的共識，礦物(mineral)的現(xiàn)代定義是指:由廣義的地質(zhì)作用所形成，并具有特定的化學(xué)成分，通常為結(jié)晶質(zhì)的均勻固體，且大多由無機(jī)作用所產(chǎn)生。由此可知，絕大多數(shù)礦物都是無機(jī)晶體，而且必須是由廣義的地質(zhì)作用所形成的天然晶體。

顯然，無論是學(xué)習(xí)礦物學(xué)或是研究礦物，結(jié)晶學(xué)知識永遠(yuǎn)都是不可或缺的重要基礎(chǔ)，更是促進(jìn)礦物學(xué)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)主要因素。另一方面，礦物學(xué)對于結(jié)晶學(xué)所起的作用，在現(xiàn)代仍有著很重要的意義，主要原因在于礦物晶體有著許多與其他晶體很不相同的特色。

首先，礦物的空間分布可謂是廣闊無垠。在地球中，從地面向下延伸到將近2900km、占地球總體積約83.5%的地殼和地幔，幾乎全是礦物的天下;而在天上，除了隕落到地球上的隕石外，從月球和火星上采集到的巖土樣品，表明它們也都由礦物所組成，而且形成它們的作用也與地球上的地質(zhì)作用十分相似而被統(tǒng)稱為廣義的地質(zhì)作用。

其次，礦物的地質(zhì)年齡可以相差非常懸殊。目前已知地殼上最古老的礦物是產(chǎn)于澳大利亞Jack山一處沉積砂中的鋯石晶體，其同位素年齡為距今44億年;而有的礦物只不過是眼前直接可見之地質(zhì)作用(例如火山噴發(fā)、鐘乳石結(jié)晶等)的新鮮產(chǎn)物。同時(shí)，一個(gè)礦物晶體生長過程的長短亦可相去甚遠(yuǎn)。一般說來，晶體粒徑越大，生長過程便越長。迄今世界上已知有確切數(shù)據(jù)的最大單晶體，是產(chǎn)于美國科羅拉多州Fremont縣DevilsHole偉晶巖中的一個(gè)微斜長石礦物晶體，其大小為49.38m×35.97m×13.72m，估算重約6.4×104t。顯然，其生長過程的時(shí)間跨度必須以地質(zhì)年代的尺度去衡量。例如我國學(xué)者曾對湖北神農(nóng)架三寶洞中的方解石石筍進(jìn)行過同位素測年，查明了一根70cm多高的石筍，其生長期為9.4萬年，亦即平均每年長高0.0075mm。當(dāng)然，并不能將此結(jié)論直接類推而用于其他場合，因?yàn)椴煌某梢驐l件會明顯影響晶體的生長速度。但通過此例，當(dāng)可對于地質(zhì)學(xué)的年代觀有一初步的了解。

基于礦物在其時(shí)空分布上的連貫性和普遍性，因此不難想象，礦物形成的環(huán)境及其物理化學(xué)條件以及成因類型等，也都應(yīng)是多種多樣、包羅萬象的，且它們絕大多數(shù)是人為無法重現(xiàn)或模擬的。雖然礦物基本上都存在于地下直至極深處，且迄今人類直接觸及地下的最深記錄僅有12262m，但有利的是礦物是有“記憶力”的，它猶如飛機(jī)的黑匣子，能自動(dòng)記錄下它所經(jīng)歷事件的種種相關(guān)信息(蘊(yùn)含在礦物之化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、晶形諸方面所發(fā)生的相應(yīng)細(xì)微變化上);同時(shí)，地下的礦物還可因地質(zhì)作用而被抬升到地表來，一旦破譯它們所蘊(yùn)藏的豐富信息，這無論對于礦物學(xué)自身和其他地質(zhì)學(xué)科，以及對于結(jié)晶學(xué)乃至其他相關(guān)學(xué)科，其意義都是非常重大的。下一節(jié)的內(nèi)容可作為這方面的兩個(gè)實(shí)例。

實(shí)驗(yàn)室培育寶石和天然寶石的區(qū)別

一、概述

材料科學(xué)是現(xiàn)代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一，是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)。晶體生長是材料科學(xué)研究的重要內(nèi)容，合成與生長各種新型的功能晶體材料是21世紀(jì)高科技發(fā)展的前沿課題。隨著人們對寶石材料的需求劇增，人工寶石的生長成為晶體生長中的一個(gè)重要分支。無疑，了解掌握人工寶石的生長原理、方法、鑒定特征成為寶石學(xué)的重要內(nèi)容。

人工晶體是用科學(xué)的方法在實(shí)驗(yàn)室或工廠里人工制造的晶體。人們將那些可以作為寶石用途的人工晶體稱為人工寶石。人工寶石主要分為兩類，一類是合成寶石，這類產(chǎn)品與其對應(yīng)的天然寶石具有相同的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì)，即是天然寶石在實(shí)驗(yàn)室的復(fù)制品。例如，紅寶石與合成紅寶石；祖母綠與合成祖母綠。這類寶石必須在寶石名稱前加前綴“合成”。另一類是人造寶石，這是指那類純粹由人工研制，在自然界沒有與其相對應(yīng)的晶體，但外觀與天然寶石十分相近，人造寶石定名時(shí)應(yīng)直呼其名，不可與其相似天然寶石的名稱相聯(lián)系。例如，鈦酸鍶(SrTiO4)外觀與鉆石相似，但決不能稱為“人造鉆石”等易引起誤解的名稱。我國的“國標(biāo)”中將拼合寶石和再造寶石也劃入人工寶石之列。

人工晶體的發(fā)展史也是合成礦物的發(fā)展史，人類不僅可以在實(shí)驗(yàn)室里制造出與天然寶石相同的合成寶石，而且可以創(chuàng)造出自然界沒有的寶石礦物。遠(yuǎn)在1902年法國化學(xué)家維爾納葉( Verneuil)就發(fā)明了用焰熔法生長紅寶石，這是最早合成寶石的成果。但在以后的40年里，人工合成晶體的發(fā)展緩慢，直到20世紀(jì)60年代，出現(xiàn)了水熱法合成水晶和合成祖母綠，以及其后隨著電子、通訊和航天工業(yè)的發(fā)展，又相繼合成與生長了多種新型的功能晶體材料，從而更加促使晶體生長科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。實(shí)驗(yàn)業(yè)已證明，一些高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無一不和晶體材料密切相關(guān)。

我國人工晶體的研究，開創(chuàng)于20世紀(jì)50年代中期，50 多年來，該領(lǐng)域的研究從無到有，從零星的實(shí)驗(yàn)室研究到現(xiàn)在初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，進(jìn)展相當(dāng)迅速?，F(xiàn)在我國的合成水晶，合成金剛石已成為一個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，立方氧化鋯、合成各色剛玉等寶石與磷酸鈦氧鉀(KTP)等非線性光學(xué)材料，均已進(jìn)入國際市場的競爭行列。部分晶體的研制已達(dá)到了國際先進(jìn)水平。目前中國的研究人員正在進(jìn)行更廣泛更深入的探索。空間微重力條件下的晶體生長研究已經(jīng)起步，由傳統(tǒng)的塊狀晶體發(fā)展起來的具有量子效應(yīng)和超晶體結(jié)構(gòu)的薄膜晶體材料也越來越被重視。總之，我國人工晶體材料的成就和發(fā)展，推動(dòng)了我國科技和人工寶石的應(yīng)用。

二、晶體生長的理論基礎(chǔ)

晶體生長是一門綜合性很強(qiáng)的多學(xué)科交叉的科學(xué)。它的發(fā)展需要物理學(xué)、化學(xué)、晶體學(xué)、晶體生長和工程技術(shù)方面的專家通力合作互相配合才能發(fā)展。因此，學(xué)習(xí)晶體生長也必須具備一定的相關(guān)知識。

晶體生長的理論基礎(chǔ)是晶體生長的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，可以認(rèn)為，晶體生長是控制物質(zhì)在一定的熱力學(xué)條件下進(jìn)行的相變過程，通過這一過程使該物質(zhì)達(dá)到符合所需要的狀態(tài)和性質(zhì)。通常晶體生長是使物質(zhì)從液態(tài)(熔體或溶液)變?yōu)楣虘B(tài)，結(jié)晶為單晶體。即為熱力學(xué)中相平衡和相變的問題。相圖(也叫相平衡圖)則是將物質(zhì)體系中各相可能存在的狀態(tài)，隨成分和溫度(或壓力)改變的情況表示出來的一種圖示。它可以展示出整個(gè)晶體生長過程的大概趨勢。圖9-1-1是最簡單的水的單元系相圖。在一個(gè)體系中各相平衡時(shí)遵循相律的規(guī)則。相律是表示一個(gè)多相平衡體系的自由度(f)與相數(shù)(Ф)、組分?jǐn)?shù)(c)及影響平衡的外界條件數(shù)目之間的關(guān)系的一個(gè)方程式。相(Ф)是指體系中均勻一致的部分，它與別的部分有明顯的分界線。例如，在一個(gè)大氣壓下，冰為一相，水為另一相。同一種物質(zhì)的固態(tài)由于結(jié)構(gòu)不同，也屬于不同的相，例如金剛石與石墨為兩相Ф=2。但氣體狀態(tài)即使是不同成分的氣體也都是單一的相。組分(C)是體系內(nèi)可以獨(dú)立變化的元素和化合物。圖9-1-1中水、冰、水蒸氣組成的體系，一個(gè)組分H2O，c=1，稱單元系，鹽水是NaCl的水溶液，組分?jǐn)?shù)c=2(NaCl和水)。自由度(f)是指一個(gè)平衡體系的可變因素(溫度、壓力、成分等)的數(shù)目。圖9-1-1中在水的區(qū)域內(nèi)溫度和壓力可以任意改變，而不產(chǎn)生水蒸氣或冰，其自由度f=2，在相圖的三條線上兩相共存，如CA線上水蒸氣與冰共存，由于溫度與壓力有一個(gè)對應(yīng)關(guān)系，自由度f=1。而在圖中C點(diǎn)水、冰、水蒸氣三相平衡，即這3個(gè)相只有在C點(diǎn)固定的溫度和壓力下平衡共存，體系無可變因素，自由度f=0，稱不變體系。人們可以根據(jù)相圖中相變化的情況來選擇溫度和壓力等條件，進(jìn)行晶體生長。

圖9-1-1 水的相圖

晶體生長是一個(gè)相變過程，但又是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，要得到盡可能完美的晶體，還必須考慮生長動(dòng)力學(xué)因素，包括成核理論，界面動(dòng)力學(xué)，輸運(yùn)過程等。這是晶體生長的一個(gè)重要內(nèi)容，但已超出本教材大綱的要求在這里就不詳細(xì)介紹了。

三、晶體生長的方法

晶體生長的方法和工藝很多，根據(jù)生長環(huán)境，可分為從熔體中和從溶液中生長晶體兩大類。此外還有氣相生長和固相生長等方法。

從熔體中生長晶體的方法已有很長研究歷史，這類方法是指將不加助熔劑的原料，加熱到熔點(diǎn)以上熔融成熔體，控制生長條件直接從熔體中生長晶體的方法。熔體生長通常具有生長快、晶體的純度高及完整性好等優(yōu)點(diǎn)，但常常需要過高的溫度，并受耐火材料和坩堝材料等限制。目前熔體生長的工藝和技術(shù)已發(fā)展得相當(dāng)成熟。熔體生長的技術(shù)和工藝很多，用于人工寶石生長的方法主要有：焰熔法，冷坩堝，提拉法，坩堝下降法等，有些資料將高溫高壓法和區(qū)域熔融法也包括在該類方法中。

從溶液中生長晶體的歷史悠久，基本原理是將原料(溶質(zhì))溶解在溶劑中，采取適當(dāng)?shù)拇胧┲圃烊芤旱倪^飽和狀態(tài)，使晶體在這種溶液中生長。這類方法晶體可在遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度下生長，黏度低、晶體易長成大塊且具有較完整的外形等優(yōu)點(diǎn)，因而這類方法發(fā)展很快。不足之處是組分多，影響晶體生長的因素復(fù)雜，生長速度慢，周期長。溶液生長法主要有三大主體：常壓溶液法(水溶液法)，高壓溶液法(水熱法)，高溫溶液法(助熔劑法或熔鹽法)。常壓溶液法主要用于常壓下可溶解晶體的重結(jié)晶。如：食鹽、白糖和一些化學(xué)藥品。一般不用于寶石生長。水熱法和助熔劑法是生長人工寶石的重要方法，下文將詳細(xì)討論。