单晶多晶非晶微晶纳米晶准晶孪晶概念剖析

•要理解这几个概念，首先要理解晶体概念，以及晶粒概念。我想学固体物理的或者金属材料的都会对这些概念很清楚。

自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态（此处指一般物质，未包括“第四态”等离子体——成锡注）。固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。晶体是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

晶体共同特点：

均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。

规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。

对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

对晶体的研究，固体物理学家从成健角度分为：

离子晶体

原子晶体

分子晶体

金属晶体

显微学则从空间几何上来分，有七大晶系，十四种布拉菲点阵，230种空间群，用拓扑学，群论知识去研究理解。可参考《晶体学中的对称群》一书（郭可信，王仁卉著）。

与晶体对应的，原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶，如玻璃，非晶碳。一般，无定型就是非晶，英语叫amorphous，也有人叫glass(玻璃态）。

晶粒是另外一个概念，搞材料的人对这个最熟了。首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。英文晶粒用Grain表示，注意与Particle是有区别的。

有了晶粒，那么晶粒大小（晶粒度），均匀程度，各个晶粒的取向关系都是很重要的组织（组织简单说就是指固体微观形貌特征）参数。对于大多数的金属材料，晶粒越细，材料性能（力学性能）越好，好比面团，颗粒粗的面团肯定不好成型，容易断裂，所以很多冶金学家材料科学家一直在开发晶粒细化技术。

科学总是喜欢极端，看得越远的镜子叫望远镜；看得越细的镜子叫显微镜。晶粒度也是这样的，很小的晶粒度我们喜欢，很大的我们也喜欢。最初，显微镜倍数还不是很高的时候，能看到微米级的时候，觉得晶粒小到微米数量就是非常小的了，而且这个时候材料的力学性能特别好。人们习惯把这种小尺度晶粒叫微晶。然而科学总是发展的，有一天人们发现如果晶粒度再小呢，材料性能变得不可思议了，什么量子效应，隧道效应，超延展性等等很多小尺寸效应都出来了，这就是现在很热的，热得不得了的纳米，晶粒度在1nm-100nm之间的晶粒我们叫纳米晶。

再说说非晶，非晶是无规则排列，无周期无对称特征，原子排列无序，没有一定的晶格常数，描叙结构特点的只有径向分布函数，这是个统计的量。我们不知道具体确定的晶格常数，我们总可以知道面间距的统计分布情况吧。非晶有很多诱人的特性，所以也有一帮子人在成天

做非晶，尤其是作大块的金属非晶。因为它的应力应变曲线很特别。前面说了，从液态到到固态有个成核长大的过程，我不让它成核呢，直接到固态，得到非晶，这需要很快的冷却速度。所以各路人马一方面在拼命提高冷却速度，一方面在不断寻找新的合金配方，因为不同的合金配方有不同的非晶形成能力，通常有Tg参数表征，叫玻璃化温度。非晶没有晶粒，也就没有晶界一说。也有人曾跟我说过非晶可以看成有晶界组成。那么另一方面，我让它成核，不让它长大呢，不就成了纳米晶。

人们都说，强扭的瓜不甜，既然都是抑制成核长大，那么从热力学上看，很多非晶，纳米晶应该不是稳态相。所以你作出非晶、纳米晶了，人们自然会问你热稳定性如何。

后来，又有一个牛人叫卢柯，本来他是搞非晶的，读研究生的时候他还一直想把非晶的结构搞清楚呢（牛人就是牛人，选题这么牛，非晶的结构现在人们还不是很清楚）。他想既然我把非晶做出来了，为什么我不可以把非晶直接晶化成纳米晶呢，纳米晶热啊，耶，这也是一种方法，叫非晶晶化法。

既然晶界是一种缺陷，缺陷当然会影响材料性能，好坏先不管他，但是总不好控制。如果我把整个一个材料做成一个晶粒，也就是单晶，会是什么样子呢，人们发现单晶确实会有多晶非晶不同的性能，各向异性，谁都知道啊。当然还有其他的特性。所以很多人也在天天捣鼓着，弄些单晶来。

现在不得不说准晶。准晶体的发现，是20世纪80年代晶体学研究中的一次突破。这是我们做电镜的人的功劳。1984年底，D.Shechtman 等人宣布，他们在急冷凝固的Al Mn合金中发现了具有五重旋转对称但并无无平移周期性的合金相，在晶体学及相关的学术界引起了很大

的震动。不久，这种无平移同期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。后来，郭先生一看，哇，我们这里有很多这种东西啊，抓紧分析，马上写文章，那段金属固体原子像的APL,PRL多的不得了，基本上是这方面的内容。准晶因此也被D.Shechtman称为“中国像”。

斑竹也提到过孪晶，英文叫twinning，孪晶其实是金属塑性变形里的一个重要概念。孪生与滑移是两种基本的形变机制。从微观上看，晶体原子排列沿某一特定面镜像对称。那个面叫栾晶面。很多教科书有介绍。一般面心立方结构的金属材料，滑移系多，已发生滑移，但是特定条件下也有孪生。加上面心立方结构层错能高，不容易出现孪晶，曾经一段能够在面心立方里发现孪晶也可以发很好的文章。前两年，马恩就因为在铝里面发现了孪晶，发了篇Science呢。卢柯去年也因为在纳米铜里做出了很多孪晶，既提高了铜的强度，又保持了铜良好导电性（通常这是一对矛盾），也发了个Science。这年头Science 很值钱啊。像一个穷山沟，出了个清华大学生一样。

现在，从显微学上来看单晶，多晶，微晶，非晶，准晶，纳米晶，加上孪晶。单晶与多晶，一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。单晶只有一套衍射斑点；多晶的话，取向不同会表现几套斑点，标定的时候，一套一套来，当然有可能有的斑点重合，通过多晶衍射的标定可以知道晶粒或者两相之间取向关系。如果晶粒太小，可能会出现多晶衍射环。非晶衍射是非晶衍射环，这个环均匀连续，与多晶衍射环有区别。

纳米晶，微晶是从晶粒度大小角度来说的，再大一点的晶粒，叫粗晶。在从衍射上看，一般很难作纳米晶的单晶衍射，因为最小物镜光栏选区还是太大。有做NBED的么，不知道这个可不可以。

孪晶在衍射上的表现是很值得我们学习研究的，也最见标定衍射谱的功力，大家可以参照郭可信，叶恒强编的那本《电子衍射在材料科学中应用》第六章。

准晶，一般晶体不会有五次对称，只有1，2，3，4，6次旋转对称（这个证明经常作为博士生入学考试题，呵呵）。所以看到衍射斑点是五次对称的，10对称的啊，其他什么的，可能就是准晶。

（全文完，个别地方略有修正）。

话外音：什么是非晶

转载者：zct互感器

物质就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两类。有些物质里面的原子排列是整齐有序的，就象阅兵式上的士兵，这叫做晶体，比如食盐、钻石、普通的钢铁就是这样。也有些物质的原子排列是混乱的，就象一堆钢球的混乱堆积，这叫做非晶体，比如液体、气体、玻璃、塑料等。对于金属材料来说，通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体（例如炼钢后的钢水凝固成钢锭）时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。因为只有这样，其结构才最稳定。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金。因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又称为金属玻璃。

什么样的物质能够制造成非晶呢？从理论上说，任何物质只要它的液体冷却足够快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非晶（联想非晶薄膜的形成）。

但是，不同的物质形成非晶所需要的冷却速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的。而单一的金属则需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工

艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，普通的单一的金属难以从生产上制成非晶。

为了获得非晶态的金属，一般将金属与其它物质混合。当原子尺寸和性质不同的几种物质搭配混合后，就形成了合金。这些合金具有两个重要性质：

A、合金的成分一般在冶金学上的所谓“共晶”点附近，它们的熔点远低于纯金属，例如FeSiB合金的熔点一般为1200度以下，而纯铁的熔点为1538度；

B、由于原子的种类多了，合金在液体时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被“冻结”成非晶。

有了上面的两个重要条件，合金才可能比较容易地形成非晶。例如，铁和硼的合金只需要每秒一百万度的冷却速度就可以形成非晶。实际上，目前所有的实用非晶合金都是两种或更多种元素组成的合金，例如Fe-Si-B，FeNiPB，CoZr，ZrTiCuNi等。

迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们在化学成分上的一个共同点是：由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多，才容易形成非晶。

什么是纳米晶和超微晶

在所說的非晶合金中，原子的排列是混亂無序的。正是由於這種特殊結構，使得非晶合金具有一些獨特的性質，其中優良的磁性能就是典型的例子。所以，以前的非晶合金在使用時，必須保證它們處於非晶態。下面將提到，一般的非晶合金存在著發生晶化的可能性，一旦在晶化溫度以上退火，材料內部的原子排列就變成了有序的，也就是說成爲晶體，而且晶粒組織很粗大，這時非晶合金原有的磁性能就會喪失。因此，一般的非晶合金都要在非晶狀態下使用。但是，自從八十年代末，日本的吉澤克仁等發現，含有Cu和Nb的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時，會形成非常細小的晶粒組織，晶粒尺寸僅有10－20納米。這時材料磁性能不僅不惡化，反而非常優良。這種非晶合

金經過特殊的晶化退火而形成的晶態材料稱爲納米晶合金（以前也曾稱爲超微晶合金）。鐵基納米晶合金的磁性能幾乎能夠和非晶合金中最好的鈷基非晶合金相比，但是卻不含有昂貴的鈷，所以被廣泛應用於高頻變壓器鐵芯，替代鐵氧體（Ferrites）、坡莫合金和MPP等。

其他问题

请教：多晶衍射仪与单晶衍射仪

一般大家讲的衍射仪就是多晶衍射仪，需要的样品是多晶体。主要用于鉴定多相样品中的物相，以及定量相分析应力以及晶粒大小，有些多晶衍射仪上还配一些附件如织构仪，用于测量织构，高/低温台，用于测量样品在不同温度下的物相变化，这是一种原位测量。也有小角散射台，应力附件，微区分析等。

单晶衍射仪的作用主要是测单晶样品的结构，对于已知结构可以进行精修，对于未知结构可以鉴定结构。

多晶衍射用于物相鉴定的原理与单晶衍射仪不同，它主要依据的是一个称为PDF文件的物相数据库，通过查找这个库中与样品衍射谱相同的物相来鉴定某个物相是否存在，因此，鉴定的必须是已知物相。这个库的来源主要通过单晶衍射来鉴定结构，如果没有这个数据库，多晶衍射一般就不能进行物相的鉴定。当然也可以进行指标化，但困难多了。

其他问题2：请问单晶和粉末X-ray衍射仪的最大区别是什么？

我们一般称X射线衍射仪为“粉末衍射”，最初的意思是区别于单晶衍射，实际上也称为“多晶衍射”。从第二个叫法不难看出，我们的衍射样品不一定非得要是“粉末”，只要是多晶就可以。

从这一点来说，准备样品时，样品当然可以是粉末，而且最好是过320目筛的微细粉末，最好是粒度均匀的粉末。但是，实际上很多情况下

不一定能做得出那么好的粉末样品来。如果结成了块，那么就测量块状样品，把一面磨平就可以了，如果结不成硬块，也粘乎乎的磨不成粉，也是可以的，只要不是太稀得成流体（如果是样品台不动的衍射仪，流体也可以）。

所以上面的样品直接用从液体中沉淀出来的就可以，而且没有经过其它处理，是最原始最真实的样品。

粉末粗细度一是影响强度，粗样的强度肯定要低一些；二是影响强度匹配，因为粗样的颗粒数少，产生各向异性的机会大；三是影响峰宽，粗样表面高低不平，可能导致峰形没有那么好看。如果仅是定性分析，粗一点没有关系的，特殊的时候几个小块拼成一个样也可以做出结果来。