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* * 非晶态材料的结构和准晶态 晶　　体： 1．晶体（晶态）：原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序），例如天然的岩盐 　 水晶以及人工的半导体锗，硅单晶都是晶体： 碳酸钙结晶的结构 雪花结晶的结构 YBaCuO晶体的结构 固体物理学 —黄昆 原著 　　晶态是固体中每一晶粒内部结构具有与三维点阵对应的三维周 期性，即其内部原子、离子、分子在空间排列上呈三维周期性贯穿 于整粒晶体，使晶体内部结构呈长程有序的状态。 　　晶态物质按其晶体结晶过程中的宏观聚集状况及晶粒粒径分类： 有单晶、双晶(孪晶)、多晶(粉晶)、微晶等存在形态的区分。 若整个 固体是一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶。 　　晶体共同特点：均匀性，各向异性，固定熔点，规则外形和对 称性。 2．非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性。 非晶态材料原子排列不具有周期性，因此不具有长程有序，但是非晶态 材料中原子的排列也不是杂乱无章的，仍然保留有原子排列的短程序。 图1—36中给出了二维的示意图。 （a）表示理想晶体原子排列的规则网络 （b）表示非晶态原子排列的无规网络 非晶态材料的结构 　　非晶态呈现近程有序而远程无序的结构特征，非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。 晶体的长程有序结构使其内能处于最低状态，而非晶态固体由于长程无序而使其内能并不处于最低状态。 　　非晶态固体与液态一样具有近程有序而远程无序的结构特征。非晶态固体宏观上表现为各向同性，熔解时无明显的熔点，只是随温度的升高而逐渐软化，粘滞性减小，并逐渐过渡到液态。非晶态固体又称玻璃态，可看成是粘滞性很大的过冷液体。晶体的长程有序结构使其内能处于最低状态，而非晶态固体由于长程无序而使其内能并不处于最低状态，故非晶态固体是属于亚稳相，向晶态转化时会放出能量。常见的非晶态固体有高分子聚合物、氧化物玻璃、非晶态金属和非晶态半导体等。 　　 　　有时，可以利用X射线衍射图样中是否有清晰的斑点来判断材料是晶态还是非晶态 固体物理学 —黄昆 原著 非晶态材料是一类新型的固体材料，包括我们日常所见的各种玻璃塑料高分子聚合物以及新近发展起来的金属玻璃非晶态合金非晶态半导体非晶态超导体等等。晶态物质内部原子呈周期性，而非晶态物质内部则没有这种周期性。由于结构不同，非晶态物质具有许多晶态物质所不具备的优良性质。玻璃就是非晶态物质的典型，对其结构的研究已有几十年的历史并奠定了相当的基础。玻璃和高分子聚合物等传统非晶态材料的广泛应用也早已为人们所熟悉，而近二、三十年、发展起来的各种新型非晶态材料由于其优异的机械特性（强度高弹性好硬度高，性能好耐磨性好等）电磁学特性、化学特性（稳定性高耐蚀性好等）、电化学特性及优异的催化活性，已成为一大类发展潜力很大的新材料，且由于其广泛的实际用途而倍受人们的青睐。 我们以硅材料为例，说明晶态和非晶态中原子排列的异同。 C A B 图1—37 金刚石晶格的四面体单元及其网络 　　晶体硅具有金刚石结构，每个硅原子与周围四个硅原子形成正四面体结构， 如图1—37所示。 　　近邻原子之间的距离（称为键长）和连线之间的夹角（称为键角）都是相同的。我了把这个网络看清楚，做平面投影图，投影面取为图1—37中所示的ABC面，它是对称平分正四面体的（110）面，投影图在图1—38中。 1 2 3 4 5 6 图1—38 金刚石结构中的六原子环 　　从图中可以看出金刚石结构是由一系列六原子环组成。非晶硅材料中每个硅原子周围也是有四个近邻原子，形成四面体结构，只是键长和键角的数值有一定的无规则起伏。非晶硅的结构就是由这些四面体单元构成的无规则网络，其中不仅有六原子环，还有五原子环、七原环… … 所谓短程序包含： 1.近邻原子的数目和种类； 2.近邻原子之间的距离（键长）； 3.近邻原子配置的几何方位（键角） 　　非晶硅结构基本上保留了晶体硅的短程序。因此，非晶硅材料的基 本特点是失去了长程序，保留短程序。 　　短程序并不能完全地、唯一地确定非晶态材料的结构，要确定非 晶态材料的结构还要知道原子连接中的拓扑规律。例如上面提到的各 种原子环的概率分布。 固体物理学 —黄昆 原著 dr r 　　用X射线、电子和中子衍射的方法测定非晶态材料的径向分布函数（RDF） 是研究非晶态材料结构的基本实验方法。所谓径向分布函数是：以原子为球心， 半径在r到r+dr球壳内的平均原子数，用： 代表距离原子半径r的球面上的原子密度， 在非晶态材料中它是一个平均值，则 即为 径向分布函数。 示 意 图 图1—39 非晶硅和晶体硅径向分布函数 　　图1—39中给出了用电子衍射法求得得