单晶-浙江大学化学系

《现代仪器分析实验技术与方法》

顾建明刘继永胡秀荣

浙江大学化学系

2016年3月

X射线晶体学

众所周知，物质是由原子或分子组成的，但即使是同一种物质，由于原子的排列方

但即使是同种物质由于原子的排列方

式不同，它们的物理性质相差甚远。例如

例如石墨（Graphite）和钻石（Diamond）都是由元素周期表中第6号元素碳

号元素“碳”（Carbon）组成的单元素物质，但是在莫

氏硬度列表中石墨的硬度是1而钻石的硬度

为10，究其原因是由于这二种物质的原子

排列方式（结构）不同。

排列方式（结构）不同

金的体结构X 射线晶体学

金刚石与石墨的晶体结构图

X射线晶体学

X射线晶体学是一门独特的学科，它利用X射线（光源）的波长与晶体层面间距（狭缝）处在同一量级能够产生衍射的特点，从原子（分子）的角度去探索物质特性，解决生产和生活中去探索物质特性解决生产和生活中的实际问题，为研究物质特性和设计

新材料提供依据。因此X射线成为了研新材料提供依据因此

究物质结构最有效的工具之。

究物质结构最有效的工具之一。

基本理论

•1895年W.C.Rontgen（伦琴）发现了X射线。•1912年M.von Laue（劳埃）将晶体衍射的规律

总结为：光程差＝OP－BP＝

a (S－S o)＝hλ

经过近十年的研究，Bragg（布拉格）父子在•经过近二十年的研究，

1915年得出结论，只有光程差为波长λ的整数倍时，它们才能相互加强而产生衍射：

2d sinθ＝nλ

工作原理

•一束平行光，通过一组狭缝，每个狭缝就束平行光通过组狭缝每个狭缝就成为一个新的光源，这些新的光源经过相位叠加，同相增强，反相减弱，落在投影位叠加相增反相减弱落在投

屏上就出现了明暗相间的衍射条纹（斑点）。

•在X射线衍射实践中，用专门的仪器（X射线衍射仪）把这些衍射条纹或衍射斑点记录下来，通过对所记录数据的分析，以获得有用的信息。

•X射线衍射有单晶衍射和多晶衍射之分。

射线衍射有单晶衍射和多晶衍射之分

衍射原理简图

单晶衍射仪原理框图

单晶衍射影像

晶体

晶体是物质在空间有规律的排列这里的物质是•晶体是物质在空间有规律的排列，这里的物质是指组成晶体的最基本单元，简称结构基元，空间是指点阵空间。因此：

•晶体＝结构基元＋点阵空间

•单晶：矢量能够贯穿的晶体。

晶体

传统的结晶学定义中晶体有：

•七个晶系（crystal systems)•14种晶格（crystal lattics）32个点群(point group)

•32个点群(point group)

•230个空间群(space group)

晶体天然晶体

晶体生长

•自然界的晶体都是通过多年的地质变化，物质内部的原子（分子）重新定向排列演变而成的

变而成的。

•人工晶体可以通过，爆炸（高温高压）、焰熔（固熔）、离子溅射（定向）、快速焰熔（固熔）离子溅射（定向）快速冷凝（淬火）等方法得到。

•化学则常用溶液蒸发法、降温析晶法、扩散法、水热合成等方法。

晶体生长

•溶液蒸发法

选择一个合适的溶剂，按照设定的比例将物质全部溶解后过滤----静置。

待溶液自然蒸发到过

饱和时，开始析出晶

饱和时开始析出晶

体。比较适合于溶解

度较大而溶解温度

系数很小或者是具有

负温度系数。特点：

负温度系数特点

周期长，晶体均匀性好。

晶体生长

•降温析晶法

将有较大的正溶解度温度系数的物质完全溶解，在晶体生长

过程中逐渐降低温度，使析

过程中逐渐降低温度使析

出的溶质不断在晶体上生长。

适当提高溶解温度增加对

适当提高溶解温度，增加对

溶质的溶解能力，晶体生长

过程中掌握适合的降温速度

过程中掌握适合的降温速度，

使溶液处在亚稳态区内并维持

适宜的过饱和度。

特点：析晶速度快；晶体

有缺陷适合生产

有缺陷，适合工业生产。

晶体生长•扩散法

选择两种对化合物的溶解度

不同且有一定互溶性的溶剂

A和B，把化合物溶解在

溶解度较大的溶剂A中，并

放于小容器内；然后将溶解

度小、蒸汽压相对较大的溶

剂B放在较大的容器中。

放在较大的容器中

盖紧较大容器的盖子，溶剂

B的蒸汽就会不断地扩散到

小容器里。得到A与B的混合

，

溶液，从而使化合物的溶解

度下降，晶体析出。

晶体生长

•水热法

热法

将种以上的物质放在个密闭容器内，加入适当将二种以上的物质放在一个密闭容器内，加入适当

的入助溶剂。给予一定

温度。冷却后会有晶体

温度冷却后会有晶体

析出。

特点：晶体结构奇特。

析晶条件难以控制

析晶条件难以控制，

重复性差。

合体

晶体

人工合成晶体

单晶衍射仪

Gemini A Ultra 晶体分析仪R-AXIS-RAPID单晶衍射仪Gemini A Ultra R AXIS RAPID