结晶矿物学 02-晶体生长

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晶体学中的晶体生长机理

晶体学中的晶体生长机理

晶体学中的晶体生长机理晶体生长是晶体学中的一个重要领域,研究晶体生长机理对于探索材料科学、地球科学、生物科学等方面都有着重要的意义。

晶体生长机理主要涉及晶体生长的基本原理、动力学规律、影响因素等方面,下面我们就一一进行深入探讨。

1.晶体生长的基本原理晶体是由无序的原子、分子或离子按一定的方式排列而成的,因此晶体生长就是把这些原子或分子有序地聚集到一起构建成晶体的过程。

不同的物种会在不同的条件下形成不同的结晶形态。

在晶体生长过程中,要满足一定的热力学和动力学条件,最终完成晶体形态的转化。

其中,热力学条件主要包括熔点、饱和溶解度、自由能等,而动力学条件则与晶体核形成、生长速率、晶面生长速率等因素有关。

2.晶体生长的动力学规律晶体生长的动力学规律可以根据各种动力学理论进行研究,如沉淀理论、界面扩散和溶液流体力学。

其中,沉淀理论是最基本的晶体生长理论,它认为晶体的生长是由过饱和度引起的,而沉淀物的形成则为晶体生长提供原料。

界面扩散指的是在固体和液体界面上,由于能量的差异,物质会发生扩散流动,从而促进晶体生长。

同时,溶液中也会存在着流体力学因素,如对流、振荡等,它们也会对晶体生长产生影响。

3.晶体生长的影响因素晶体生长过程中,影响晶体质量和形态的因素非常多。

其中,物理因素主要包括温度、溶液浓度、溶液pH值、气体压力等。

化学因素则与晶体的生长速率、晶体形态、晶体尺寸等方面有关。

此外,晶体生长还受到了生物、物理和地球环境等方面的影响。

在生物领域中,晶体生长被广泛应用于蛋白质晶体学领域,其中生物分子的晶体生长往往需要在理想的环境条件下进行。

而在地球科学领域中,晶体生长则被应用于岩石和矿物的研究中,通过分析矿物的生长环境,我们可以了解到地球历史的一些重要信息。

结论综上所述,晶体生长机理涉及了热力学、动力学、影响因素等许多方面。

了解晶体生长机理对于进一步发展晶体技术和探索材料科学等领域都有着重要的意义。

在未来的研究中,我们还需要结合材料科学、生物学、地球科学等领域中的问题,深入探讨晶体生长的规律和机制。

结晶学与矿物学-晶体生长简介

结晶学与矿物学-晶体生长简介

➋ 在一个晶体上,各晶面间相对的 生长速度与其本身的面网密度成反比。
即 面网密度越Βιβλιοθήκη 的晶面,其生长速度越慢;而 面网密度小的晶面的生长速度则快, 以至最终消失了。
∴ 晶体上得以保存下来的晶面 是面网密度大的晶面。
实际晶体为面网密度大的面网所包围。
小结:
1.重点: 晶体生长和晶面发育的3个基本理论:
按空间格子规律,自发地集结成体积达 一定大小但仍极其微小的微晶粒即晶核。
一、层生长理论
晶体的自限性是晶体在生长过程中
按格子构造中的某些原子面网逐层 平行生长的结果。
层生长理论:科塞尔-斯特兰斯基二维成核理论。
在理想条件下,晶体的生长过程是在晶核 的基础上先长完一条行列,再长相邻的行列,
长满一层面网,再开始长第二层面网, 逐层地向外平行推移。当生长停止时, 其最外层的面网便表现为实际晶面。
意义: 解释:
➊ 晶体自发地长成面平、棱直的
规则的凸几何多面体;(晶体的自限性)
➋ 矿物晶体的环带构造;
➌ 同种矿物的不同晶体对应晶面之间 的夹角不变;(面角守恒定律)
➍ 生长锥或砂钟状构造。
注意: 实际晶体生长并非完全按照 二维生长机制进行,往往一层未长完 另一层又开始生长。
(过饱和度或过冷却度低时)
这意味着,即使是在溶液的过饱和度很低
的情况下,晶体仍可以按螺旋生长机理 而不断地生长。
➋ 晶体按螺旋生长模型生长最终会 在晶面上形成各种各样的螺旋纹。
三、布拉维法则
晶体上的实际晶面 平行于对应空间格子中 面网密度大的面网,且面网密度越大, 相应晶面的重要性也越大。
注意:
➊ 晶面的重要性, 可由晶面本身的大小, 在各个晶体上出现的频数, 以及是否平行于解理面等来衡量。

第二章晶体生长的基本规律

第二章晶体生长的基本规律

2.螺旋生长理论
根据实际晶体结构的螺旋位错现象,提出了晶体 的螺旋生长理论。即在晶体生长界面上螺旋位错露头 点所出现的凹角及其延伸所形成的二面凹角可作为晶 体生长的台阶源,促进光滑界面上的生长,这种台阶 永不消失,不需要形成二维核。
螺旋位错的形成
在晶体生长过程中,由于杂质或热应力的不均匀 分布,在晶格内产生力内应力,当此力超过一定限度时, 晶格便沿某个面网发生相对剪切位移,位移截止处形成一 条位错线,即螺旋位错。
晶体理想生长过程中质点堆积顺序的图解
假设晶核为由同一种原子组成的立方格子,其相邻 质点的间距为a
1—三面凹角
2-二面凹角
3-一般位置
质点的堆积顺序 三面凹角→二面凹角→一般位置
晶体的理想生长过程
晶体在理想情况下生长时,先长一条行
列,再长相邻的行列;在长满一层原子面后,
再长相邻的一层,逐层向外平行推移。
• 晶体成核
• 晶体生长的基本理论
• 晶面的发育 • 影响晶体形态的外因 • 晶体的溶解和再生长
§2.1形成晶体的方式
晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种, 即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由
气相、液相转变成固相时形成固体,固相之间也可以
直接产生转变。在一定条件下,物质从其它状态转变 为晶体,称为结晶作用。结晶作用是相变过程,伴随
只有△G足够大的体系,相变才会发 生,才会形成晶核。
以溶液情况为例,说明成核作用的过程
溶液中瞬间质点聚集形成结晶微粒,此微粒是否稳定存 在与能量有关 • 设单位体积溶液本身的自由能为g液
• 从溶液中析出的单位体积结晶相自由能为g晶
在不饱和溶液中,g液<g晶,不会析晶; 在饱和溶液中,g液>g晶,会不会析晶? 一方面:结晶相析出,利于降低体系的总自由能

02晶体生长结晶学与矿物学讲解

02晶体生长结晶学与矿物学讲解
长程有序(long-range order) 即晶体内部的原子排列具有 延绵不断的有序性; 反之叫短程有序 (罗谷风,2010)
准晶体 Quasicrystal:
Encyclopæ dia Britannica
quasicrystal, also called quasi-periodic crystal, matter formed atomically in a manner somewhere between the amorphous solids of glasses (special forms of metals and other minerals, as well as common glass) and the precise pattern of crystals. Like crystals, quasicrystals contain an ordered structure, but the patterns are subtle and do not recur at precisely regular intervorder,结晶学概念。指整体性的有序现象。 例如在一个单晶体的范围内,质点的有序分布延伸到整个晶格 的全部,亦即从整个晶体范围来看,质点的分布都是有序的。
教科书上(李胜荣,2012) 在晶体中若每种质点(黑点或圆圈)在整个图形中各自都呈现 规律的周期性重复。把周期重复的点用直线联结起来,可获 得平行四边形网格。可以想像,在三维空间,这种网格将构 成空间格子,这种在图形中贯彻始终的规律称为远程规律或 长程有序。
long-range order
McGraw-Hill Dictionary of Scientific & Technical Terms

2-2.2晶体生长理论部分全解

2-2.2晶体生长理论部分全解

3.由固相直接转为固相
环境的变化可以引起矿物的成分在固态情况下产生改组, 使原矿物的颗粒变大或生成新的矿物。这种再结晶可有以下 几种情况: 1)同质多象转变 某种晶体在热力学条件改变时,转变为另一种在新条件 下稳定的晶体,它们在转变前后的成分相同,但晶体结构不 同。 2) 原矿物晶粒逐渐变大 如由细粒方解石组成的石灰石与岩浆接触时,受热结晶成 为由粗粒方解石晶体组成的大理岩。 3)固溶体分解 在一定温度下固熔体可以分解成为几种独立的矿物。 如由一定比例的闪锌矿和黄铜矿在高温时组成为均一相的固 熔体,而在低温时就分离为两种独立的矿物。
第一篇 矿物通论
适用专业:矿物加工工程
3)轴角 各晶轴之间有一定的夹角关系,结晶学中规定两个晶 轴正端的夹角称为轴角,分别用α、β、γ表示。
在三晶轴定向中
α=y∧z轴 β= z轴∧ x轴, γ= x轴∧ y轴
在四晶轴定向中
α = β= y轴∧ z轴= z轴∧ x轴= μ轴∧ z轴=90°
γ= x轴∧ y轴= y轴∧ μ轴= μ轴∧ x轴=120 °
工艺矿物学Ⅰ
第一篇 矿物通论
适用专业:矿物加工工程
层生长的特点
1.晶体常生长成面平、棱直的多面体形态。 2.在晶体生长过程中,环境会有变化,不同时刻生成的晶体 在物理性质和成分等方面可能有细微的变化,因而在晶体的 端面上常常可以看到带状构造,晶面是平行向外推移生长的。 3.由于晶面是平行向外推移生长的,所以同种矿物不同晶体 上对应晶面间的夹角不变。 4.晶体由小长大,许多晶面向外平行移动的轨迹形成以晶体 中心为顶点的锥状体,称为生长锥。
理想晶体的生长过程
在晶芽的基础上,落入质点根据引力大小落在相应位
置,长完一条行列再长相邻的行列,长满一层面网再长相 邻的面网,整个面网成层向外平移。 当晶体停止生长时,其最外层的面网就是实际晶面。 每两个相邻面网相交的公共行列就是实际晶棱。 整个晶体被晶面包围,形成占有一定空间的封闭几何多 面体形态,表现出晶体的 自限性。

晶体生长原理

晶体生长原理

晶体生长原理晶体生长是指晶体在适当条件下从溶液或气相中吸收物质并逐渐增大的过程。

晶体生长是固体物理学和化学中的一个重要研究领域,对于材料科学、地质学、生物学等领域都具有重要意义。

晶体生长的原理涉及到热力学、动力学、表面化学等多个方面的知识,在实际应用中也有着广泛的应用价值。

晶体生长的原理可以归纳为以下几个方面:1. 原子或分子的扩散。

晶体生长的第一步是溶液或气相中的原子或分子通过扩散运动到达晶体表面。

这一过程受到温度、浓度梯度、表面形貌等多种因素的影响。

原子或分子在溶液或气相中的扩散速率决定了晶体生长的速度和形貌。

2. 晶体表面的吸附和解吸。

当原子或分子到达晶体表面时,它们会发生吸附和解吸的过程。

吸附是指原子或分子附着在晶体表面,解吸则是指原子或分子从晶体表面脱离。

吸附和解吸的平衡状态决定了晶体表面的活性,进而影响晶体生长的速率和形貌。

3. 晶体生长的动力学过程。

晶体生长的动力学过程包括原子或分子在晶体表面的扩散、吸附、解吸等过程,以及晶体内部的结构调整和排列。

这一过程受到温度、浓度、界面能等因素的影响,对晶体生长的速率和形貌起着决定性作用。

4. 晶体生长的形貌控制。

晶体生长的形貌受到晶体生长条件和晶体本身特性的影响。

在实际应用中,通过调控溶液或气相中的成分、温度、pH值等条件,可以实现对晶体生长形貌的控制,获得特定形状和尺寸的晶体。

总的来说,晶体生长是一个复杂的过程,受到多种因素的影响。

在实际应用中,通过深入研究晶体生长的原理,可以实现对晶体生长过程的控制,获得具有特定形貌和性能的晶体材料,为材料科学和其他领域的发展提供重要支持。

同时,对晶体生长原理的深入理解也有助于揭示自然界中晶体的形成和演化规律,对地质学、生物学等领域的研究具有重要意义。

矿石的晶体学和晶体生长机制

矿石的晶体学和晶体生长机制
结晶相与结晶度的控制
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温度:影响晶体的生长速度和结晶度
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压力:影响晶体的生长速度和结晶度
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溶液浓度:影响晶体的生长速度和结晶度
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杂质:影响晶体的生长速度和结晶度
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晶体生长环境:影响晶体的生长速度和结晶度
矿石的晶体生长实验研究方法
04
实验设备与技术
实验设备:包括显微镜、电子显微镜、X射线衍射仪等
矿石的晶体学和晶体生长机制
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汇报人:
目录
矿石的晶体学基础
矿石的晶体生长机制
矿石的晶体生长影响因素
矿石的晶体生长实验研究方法
矿石的晶体生长应用与前景
矿石的晶体学基础
01
晶体定义与分类
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晶体:具有规则几何形状和周期性结构的固体
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晶体分类:单晶、多晶、准晶、非晶
添加标题
单晶:由一个晶胞组成的晶体
技术方法:包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射等
实验步骤:包括样品制备、实验操作、数据分析等
实验结果:包括晶体生长速度、晶体形态、晶体结构等
实验过程与操作
实验材料准备:选择合适的矿石样品,准备实验仪器和设备
01
02
实验步骤:按照实验方案进行,包括样品处理、晶体生长、观察和记录等步骤
实验结果分析:对实验结果进行分析,得出结论
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多晶:由多个晶胞组成的晶体
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准晶:具有非周期性结构的晶体
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非晶:没有规则几何形状和周Hale Waihona Puke 性结构的固体晶体结构与性质
晶体结构与性质的关系:矿石的晶体结构与其性质密切相关,不同的晶体结构具有不同的性质

结晶学 第二章 晶体生长简介

结晶学 第二章 晶体生长简介
螺旋生长理论模型bcf理论模型该模型认为晶面上存在螺旋位错露头点可以作为晶体生长的台阶源可以对平坦面的生长起着催化作用这种台阶源永不消失因此这种台阶源永不消失因此不需要形成二维核这样便成功地解释了晶体在很低过饱和度下仍能生长这一实验现象
第二章 晶体生长简介
一、成核
成核是一个相变过程,即在母液相中形成固相小晶 芽,这一相变过程中体系自由能的变化为: ΔG=ΔGv+ΔGs 式中△Gv为新相形成时体自由能的变化,且△Gv< 0, △GS为新相形成时新相与旧相界面的表面能,且 △GS>0。 也就是说,晶核的形成,一方面由于体系从液相转 变为内能更小的晶体相而使体系自由能下降,另一 方面又由于增加了液 - 固界面而使体系自由能升高。
层生长过程
但是,实际晶体生长不可能达到这么理想的情况,也可能 一层还没有完全长满,另一层又开始生长了,这叫阶梯状生长, 最后可在晶面上留下生长层纹或生长阶梯。 阶梯状生长是属于层生长理论范畴的。
总之,层生长理论的中心思想是:晶体生长过程是晶面层 层外推的过程。 但是,层生长理论有一个缺陷:当将这一界面上的所有 最佳生长位置都生长完后,如果晶体还要继续生长,就必须在 这一平坦面上先生长一个质点,由此来提供最佳生长位置。这 个先生长在平坦面上的质点就相当于一个二维核,形成这个二 维核需要较大的过饱和度,但许多晶体在过饱和度很低的条件 下也能生长,为了解决这一理论模型与实验的差异,弗兰克 (Frank)于1949年提出了螺旋位错生长机制。
只有当ΔG <0时,成核过 程才能发生,因此,晶 核是否能形成,就在于 ΔGv与ΔGs的相对大小。 见图8-1: 体系自由能由升高到 降低的转变时所对应 的晶核半径值rc称为 临界半径。
思考:怎么理解在晶核很小时表面能大于体自由能, 而当晶核长大后表面能小于体自由能?
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准晶体是其内部质点排列具有远程规律,但没有平移周期(赵 珊茸,2003),或不体现周期重复(潘兆橹,1993),即不 具格子构造。这种物态是介于晶体与非晶体之间的一种状态, 人们称之为准晶态或准晶体(quasicrystal)。
中国大百科全书,1993: 准晶体:原子等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。
准晶体是一种固体,但其内部即不像非晶质体那样完全无序的 分布,又不像晶体那样的三维周期性平移有序。准晶体是其内 部结构呈自相似的配位多面体在三维空间作长程取向有序分布 的固体 (罗谷风,2010)。
准晶体 Quasicrystal:
Encyclopæ dia Britannica
quasicrystal, also called quasi-periodic crystal, matter formed atomically in a manner somewhere between the amorphous solids of glasses (special forms of metals and other minerals, as well as common glass) and the precise pattern of crystals. Like crystals, quasicrystals contain an ordered structure, but the patterns are subtle and do not recur at precisely regular intervalsodic crystal, or, in short, quasicrystal, is a structure that is ordered but not periodic. A quasicrystalline pattern can continuously fill all available space, but it lacks translational symmetry(平移对称). While crystals, according to the classical crystallographic restriction theorem, can possess only two, three, four, and six-fold rotational symmetries, the Bragg diffraction pattern of quasicrystals shows sharp peaks with other symmetry orders, for instance five-fold.
3.固相→结晶固相 ① 非晶固相→结晶固相 ② 结晶固相→结晶固相 同质多象转变 重结晶作用 固溶体分解 变质结晶
第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式
1.液相→结晶固相
a) 熔体中结晶 b) 溶液中结晶 c) 蒸发结晶 d) 化学反应结晶
条件: a)降低温度-熔体过冷却 b)分散质达到过饱和 c)分散剂减少 d)化学反应生成不溶物质。
第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式
2.气相—固相 条件:足够低的蒸气压
Quasicrystal Zn-Mg-Ho Diffraction
结晶学与矿物学
第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式 2-2 晶核的形成 2-3 晶体生长模型 2-4 晶面的发育 2-5 影响晶体生长的外部因素 2-6 面角守恒定律
第二章 晶体生长理论
2-1 晶体的形成方式
晶体生长过程可以是: 1.液相→结晶固相 2.气相→结晶固相 3.固相→结晶固相
准晶体 Quasicrystal:
McGraw-Hill Science & Technology Encyclopedia:
Quasicrystal:A solid with conventional crystalline
properties but exhibiting a point-group symmetry inconsistent with translational periodicity. Like crystals, quasicrystals display discrete diffraction patterns, crystallize into polyhedral forms, and have long-range orientational order, all of which indicate that their structure is not random. But the unusual symmetry and the finding that the discrete diffraction pattern does not fall on a reciprocal periodic lattice suggest a solid that is quasiperiodic. Their discovery in 1982 contradicted a long-held belief that all crystals would be periodic arrangements of atoms or molecules.
Discrete diffraction pattern
(a) [110] diffraction pattern from LaCO3 crystal recorded by the SC200D CCD at camera length of 600mm, 200kV, full CCD 2x binning and 10sec exposure; (b) reversed contrast of left image.
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