无机合成化学- 合成晶体-PPT演示文稿.ppt

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合成晶体的方法和技术 人工晶体的制备实际上就是把组成晶体的基元(原子、分子或离子)解离后又重新使它们组合的过程。按照晶体组分解离手段的不同,人工晶体的制备有三大类。 气相法--使晶体原料蒸发或挥发,包含有化学气相沉积、升华法、气相外延技术,化学气相运输法等。 熔融法--使晶体原料完全熔化,包含有提拉法、坩埚 相对移动法、区熔法、基座法、冷坩埚法与焰熔法等。 溶液法--使晶体原料溶解在溶液中,具体包含有水 溶液法、水热法与助熔剂法。水溶液法在常压下生长 晶体,温度约为八、九十摄氏度;水热法是在高温高 压下生长;而助熔剂法则是在常压高温下生长晶体。 气相法 升华法是气相法生长晶体的一种,是在高温区将材料升华,然后输送到冷凝区,使其成为饱和蒸气,经过冷凝成核而长为晶体。其装置示意图如图所示。 升华法生长速度较慢,主要应用于生长小块晶体,薄膜和晶须等。 为了得到完整性好的晶体,需要调节好扩散速度 对于易于氧化的原料,需要加惰性气体保护,升华室一般都充有氮气或氩气等 提拉法是被普遍采用的晶体生长方法。在一定温度场、提拉速度和旋转速度下,熔体通过籽晶生长,形成一定尺寸的单晶。 熔融法 水平区熔法:主要用于材料的物理提纯,但也常用于生长晶体。生长晶体时,首先将原料烧结或压制成棒状,固定两端,然后移动原料棒或加热高频线圈,使得只有受加热的部分熔融,而绝大部分材料处于固态。随着熔区沿着原料棒由一端向另一端缓慢移动,晶体就慢慢生长,并慢慢冷却直至完成生长过程。 冷坩埚法,如人工合成氧化锆。因为氧化锆的熔点高(~2700℃),找不到合适的坩埚材料。此时,用原料本身作为“坩埚”进行生长 。 主要流程: 加入ZrO2粉末和掺杂的离子—加热—持续熔化数小时—逐渐降温冷却—退火 溶液法 水溶液法的基本原理是将原料(溶质)溶解在水中,采取适当的措施造成溶液的过饱和状态,使晶体在其中生长。 水热法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的方法。 表征: X射线结构分析 在电磁波谱中,X射线的波长范围为0.005~10nm 射线 一张粉末衍射图能提供哪些信息? 获得材料成分、内部原子或分子的结构或形态等信息 随堂测试: 1.详述先进陶瓷的制备工艺流程。 2.详述晶体生长理论(层生长理论和螺旋生长理论)。 合成晶体 主要内容 晶体概述 晶体的生长基础 晶体的合成 晶体的一般定义为:具有格子构造的固体,或指内部质点(原子、分子或离子)在三维空间周期性地重复排列构成的固体物质。 晶体又有单晶体和多晶体之分。 单晶体就是由同一空间点阵结构贯穿整个晶体而成的; 而多晶体却没有这种能贯穿整个晶体的结构,它是由许多单晶体以随机的取向结合起来的。 特征: 自发形成规则的几何多面体的外形 具有固定的熔点(固体受热变成液体的温度) 物理性质随方向不同(各向异性) 什么是晶体? 单晶体和非晶体的区别 晶体的基本性质(通性) ? 自范性:自范性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。 ? 均一性(均匀性):同一晶体的不同部分其物理化学性质完全相同。具有空间平移不变性。晶体是绝对均一性,非晶态是统计的平均近似均一性。 ? 各向异性:同一格子构造中,在不同方向上质点排列一般是不同的,因此,晶体的性质也随方向的不同而有所差异,这就是晶体的异向性。如,蓝晶石的不同方向上硬度不同。 对称性:在晶体的外形上,也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。这种相同的性质在不同的方向或位置上作有规律地重复,就是对称性。晶体的格子构造本身就是质点重复规律的体现。 最小内能 :在相同的热力学条件下晶体与同种物质的非晶体、液体、气体相比较,其内能最小。 稳定性 :晶体由于有最小内能,因而结晶状态是一个相对稳定的状态。这就是晶体的稳定性。 天然晶体的不足 第四,天然晶体不具备合成晶体的某些功能。 KDP(磷酸二氢钾)晶体 人工晶体的分类 人工晶体的分类: 人工晶体按照功能不同,可粗略分为半导体晶体,激光晶体,非线性光学晶体,光折变晶体,闪烁晶体,电光、磁光、声光调制晶体,压电晶体,红外探测晶体,光学晶体,双折射晶体,宝石晶体与超硬晶体,等十二类。 晶体的生长基础 晶体的形成是在一定热力学条件下发生的物质相变过程,它可分为成核和晶体生长两个阶段。晶体生长又包括两个基本过程,即界面过程和运输过程。 晶体的形成过程是物质由其它聚集态即气态、液态、固态(包括非晶态和其它晶相)向特定晶态转变的过程,其实质是相变过程。 结晶过程是在热力学驱动下非平衡相变过程。 相变过程和结晶的驱动力 气相生长 熔体生长 溶液生长 相变过程和结晶的驱动力 气相生长 当蒸气压到达

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