晶体（crystal）

晶体（crystal）

    晶体是原子（离子或分子）在三维空间作周期性平移重复的有序排列而具有空间格子构造的固体。非晶质体，如玻璃，不具有空间格子构造。原子呈定向长程有序排列、但不作周期性平移重复、具有与空间格子不相容的对称（如五次对称轴）的固体称为准晶体。

    晶体的形成　晶体的形成过程，实质上是物质的质点按照空间格子构造规律排列的过程。晶体在相变中形成。气相物质凝华直接形成固相的晶体。如火山喷气凝华直接形成硫或氯化钠晶体。由液相形成晶体，一是熔体的过冷却，如金属熔体冷却形成金属晶体；二是溶液的过饱和，如盐湖中盐类矿物的结晶。由固相到固相的转变，包括非晶质的晶化（如火山玻璃的晶化）、同质多象的转变、固溶体的离溶等。

    晶体的生长包括发生（形成晶核）和成长（在晶核基础上继续生长）两个阶段。在过冷却或过饱和介质中，质点可相互结合形成微细的结晶粒子。但这种微晶粒需要吸收一定的能量（称为成核能，可自体系内部的能量起伏获得）才能长大，直至达到一定的临界尺寸。超过临界尺寸大小的微晶粒称为晶核。它可自发形成（均匀成核），也可借助于固相外来物的诱发而形成（非均匀成核）。在晶核基础上，晶体即可继续生长而有能量的释放。

    晶体生长有层生长和螺旋生长两种机理：①层生长，也称二维成核生长。单个质点沉淀到晶粒的平整晶面上时，由于体积的增量很小而表面积的增量相对很大，从能量上讲这种状态是不稳定的，质点随即又会脱离晶粒。如果质点首先相互结合成单个原子或分子厚的质点层（称为二维晶核），再沉淀到晶体表面上去，就有利于体系总自由能的降低而可稳定存在，并在晶面上形成一个隆起的平台，平台边缘的侧面出现凹角。当质点在三面凹角处沉淀时，整个晶粒只有体积的增加而表面积并不改变，从而可使体系的总自由能得到最大限度的下降。故质点将相继地在三面凹角位置上优先堆积，直至长满一行。然后质点在两面凹角处堆积，并因而形成新的三面凹角。如此不断反复，直至长满全层。然后又可有二维晶核沉淀到晶面上，再次重复上述的过程。故在理想生长情况下，晶体是逐层地生长，晶面平行地向外推移。②螺旋生长。实际晶体中经常存在着螺旋位错。由于它们的存在，晶格中必然出现凹角，从而质点即优先在凹角处堆积。但在具螺旋位错的晶格中,凹角永远不会因质点的不断堆积而消失,仅其位置随质点的堆积而围绕位错线而不断地螺旋上升，晶面则呈螺旋面逐层地向外推移，并可在晶面上留下生长螺纹。

    层生长过程中二维晶核的形成也需要一定的成核能，但它远小于三维晶核的成核能，且成核能随介质过冷却度或过饱和度的增高而减小。因此当过冷却度或饱和度较大时，晶体的生长以层生长为主。当它们低于某一临界值时，体系的能量起伏不足以提供形成二维晶核所需的成核能，层生长便完全停止，晶体的成长完全按螺旋生长机理进行。