晶体的物理性质讲解

1、 7.1 晶体的光学性质 晶体的光学性质包括：颜色、折射、发光 7.1.1 晶体的颜色 1） 颜色的概念 颜色是电磁辐射作用于人眼视网膜上感色细胞 形成的刺激，视神经把这种刺激转化成为颜色感觉。 晶体的颜色是晶体的化学成分、结构与可见光 相互作用的结果。 (1) 可见光的颜色、波长、波数、能量 390 440485 500 565 590625 770nm | 紫 | 蓝 | 青 | 绿 | 黄 | 橙 | 红 | 人的视觉能感受到的光的颜色所对应的波段为 可见光波段，其波长约在 390nm770nm之间，波长 由长至短依次显示 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等 色，它们的混合色就是白色。 不同颜

2、色的光波，可以用波长 (nm)表示，也可 以用波数(cm -1) 、能量E(eV)来表示： 波长 390nm 770nm 能量 3.18eV 1.61eV 波数 25600cm -1 13000cm-1 单一波长光的颜色称为光谱色。 注意：单色光、白色光 （2）对白光的吸收与颜色）对白光的吸收与颜色 均匀吸收产生的颜色： 黑色 灰色灰色 无色无色 白色 选择吸收产生的颜色：选择吸收产生的颜色： 观察到的颜色与吸收 光的颜色为光的颜色为互补。 补色环补色环 （3）对白光的吸收+反射与颜色 吸收-均匀反射：钢灰 银灰 银白等 吸收-部分反射： 被观察到的颜色是反射光颜色 。 几种金属的反射光谱图

3、紫光的反射稍弱 银呈略带暖色(黄色)的银白色 铝几乎反射所有光，红端的反射 稍弱，铝呈银白色； 金呈金黄色； 铜与金的反射光谱似而不同，铜 呈铜红色； 铁均匀吸收所有的光, 银灰色 （4）晶体的自色和它色）晶体的自色和它色 自色：具有理论化学组分和结构之晶体的颜色。 本征性质 纯刚玉（Al2O 3）无色透明 白色 纯硫化镉（CdS） 鲜黄色 它色：缺陷导致的颜色 例：少量过渡离子的类质同象使之呈色 刚玉 Cr Al 红色 红宝石 本课程，不再刻意指明晶体的自色和它色。 晶体是如何呈色的呢？ 2) 晶体的呈色机理 (1) 晶体场呈色 两个必要条件： A 外电子层未被充满的过渡离子（ d n和f

4、n） B 晶体场 强大的晶体场使基态和激发态能级间的距离增大。 由于在晶体场中， d 、f 轨道基态和激发态能级间的 能级差与可见光的能量相当，所以可见光正好能将基 态d、f 轨道上的电子激发到激发态能级上。 当电子跃迁所吸收的能量等于某波长或某些波长 色光时，晶体就有可能呈现其 补色光的颜色。 d n 电子轨道在晶体场 中的简并与分裂 立方体场 四面体场 球形场 八面体场 四方畸变 三方畸变 红宝石(Al,Cr) 2O3 祖母绿Be3(Al,Cr) 2 Si 6O18 (2) 离子间的电荷转移 电子在相邻离子间跃迁,引起两种离子价态变化的过程。 蓝宝石含 0.1wt%FeO和TiO 2，紧邻

5、的是 FeAl和TiAl。共面 八面体中 Fe2+Ti 4+ 距离 =0.265nm ，两离子的 dz2重叠,导致 Fe 2+Ti4+ Fe3+Ti3+，E=2.11eV。 E=2.11eV的光被组合 Fe 2+Ti4+吸收，引起电荷转移，形成中 心为588nm的宽吸收带（光化学的氧化-还原作用） 半导体、绝缘体的带隙宽度 (Eg)决定晶体的颜色 晶体吸收能量EEg的所有可见光,透过EEg的可见光。 例： 金刚石Eg=5.4eV，可见光的E5.4eV而全部透过 晶体，故金刚石无色透明。 硫镉矿Eg=2.6eV吸收紫光和部分蓝光 ,晶体呈鲜黄色。 Eg=2.0eV的辰砂只让红光透过，晶体呈 鲜红

6、色。 黑辰砂的Eg=1.6eV10-4-1cm-1）的现象。该晶体的电子导电率很低，与该 过程有关的电子通过外电路运动。 离子是晶体的构成离子之一。具离子导电性的晶体体 叫离子导体，如立方氧化锆(Zr,Ca)O 2-x 。 7.4.2 介电性与极化 在外电场作用下，不导电晶体(电介质晶体)，在紧靠带电体的一端会出现异号 的过极化，这种性质称为介电性。 极化的本质就是晶体正、负电荷中心不重合。这种不重合，可以由外电场的作 用形成，也可以由分子、晶体结构的不对称性形成。 自发极化，,极性物质，极性分子，极性晶体。 OSi SiO 4 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3 2/3

7、00 0 0 0 0 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 1/3 2/3 三个极轴分别在0、1/3、2/3高度 石英晶体的压电性 7.4.3 压电性压电性 (重难点) 石英正压电效应示意图 沿石英的 x轴(极轴)施加压力时，x轴正端带负电， 而负端带正电；沿石英的 x轴(极轴)施加拉力时，x轴正、 负两端的荷电性相反。 压电常数d11石英=2.3110-12C/N 石英晶体的压电性 正压电效应：在晶体的极轴方向施压或者拉伸时，在极轴 两端的平面(垂直极轴)上产生异号、等量电荷的现象。 压缩和拉伸极轴时产生的电量相等，但符号相反。 逆压电效应：在极轴两端施加一定频率的交变电场，在定

8、向晶片的两侧产生反复的膨胀和收缩(机械振荡)。 (与电致伸缩区别) 石英振荡片，交流电频率与石英的振荡频率相同时产生共 振。 7.4.3 压电性 压电晶体的共同特点：晶体点群中没有对称中心 21个点群不具对称中心，但点群432的晶体却不显压电性。 20个点群 常见的压电晶体有：石英，闪锌矿，方硼石，电气石，红 锌矿，GaAs，钛酸钡及其衍生结构晶体， KH 2PO4，NaKC4H4O64H2O(罗息盐)、食糖等。 介电晶类（32种） 不具有对称中 心的晶类 （21种） 其中压电晶类 （20种） 极性晶类 (热释电晶类) （10种） 1，2，3，4，6，m，mm2 4mm, 3m, 6mm 非极

9、性晶类 （11种） 222， 4，422，42m，32 6，622，6m2, 23, 43m，432(不具有压电性) 具有对称中心的晶类 （11种） 1，2/m，mmm 4/m, 4/mmm，3 ，3m 6/m 6/mmm, m3m, m3 - - - - - - - - 7.4.4 自发极化与热释电性自发极化与热释电性 自发极化：在没有外电场的情况下，晶体内部自 发形成电偶极子，并宏观上显示电极化的现象。 晶体对称特点:单一极轴(平行电偶极子定向排列方 向) 热释电性：极性晶体均匀受热时，在其极轴的两 端增加等量、符号相反的电荷的现象。 成因：晶体结构受热后正、负电荷重心的距离沿 极轴方向增

10、大(与极轴平行的电偶极子增大 )，在极轴两 端增加数量相等、但符号相反的电量。 (准确) 坤特粉：1:1 硫磺粉() 铅丹粉(Pb 2Pb 4O 4)() 点群： 电气石 3m 水晶 32 热释电性晶体可以看成是压电性晶体的一个亚类， 即具有热释电性的晶体一定具有压电性，而具有压电性 的晶体不一定具有热释电性。 20个具有压电性的晶类中 ,只有10个具有热释电性。 其区别在于：压电晶体的极轴可以多于一个， 热释电晶体只有一个极轴。 常见的热释电晶体有电气石、纤维锌矿、罗息盐、 非立方BaTiO3、Pb(Zr, Ti)O3、硫酸锂等。 当温度升高到几百度时，大多数热释电晶体的热电性都会 丧失。

11、LiTaO3晶体的热释电性可保持到609，该晶体可非常精确 的测定该温度区间的温度，精确达10-6。因此，LiTaO3晶体可 以制成一种专门测量微弱热量的仪器，如一种监测催化过程的监 测设备。该设备中LiTaO3晶片的厚度为50um，而整个设备的体积 是550.5mm3。 例：BaTiO 3，120-1460，BaTiO3，立方晶系。具顺电性,无自发 极化、更无铁电性。 T120时，Ti 4+向6个O2-中的某1个靠拢，该O2-也向Ti4+靠拢：形成 电偶极子Pm (形成唯一四次轴) 。相变为四方BaTiO 3(4mm) 四方相BaTiO 3在外电场的作用下, Ti4+位移方向随外电场改变而改

12、变并 力图保持与外电场一致，即具有铁电性。 立方BaTiO 3 四方BaTiO 3 7.4.5 铁电性铁电性 (准确) 铁电性：自发极化方向随外电场改变而改变的 性质。 介电性、压电性、热释电性、铁电性的关系介电性、压电性、热释电性、铁电性的关系 介电体( 32) 压电体(20) 热释电体(10) 铁电体 7.5 晶体的热学性质 7.5.1 熔融、升华、热分解 纯晶体的熔点是确定的。 熔融：晶体在它的熔点开始熔融，直到晶体全部融化成熔 体。 升华：晶体直接变成气体，如自然硫 S。 热分解：一种晶体一定温度下分解成两种或两种以上物相 的过程，如碳酸钙方解石(CaCO 3) 的热分解。 7.5.2 热导率（） 热导率:晶体的导热能力，单位W/(m.K)。 铜= 400 W/(m.K) ， 石英= 140 W/(m.K)， 化学键对热膨胀的影响 纯共价键晶体的l纯离子键晶体（如金刚石-石盐）； 强纯共价键晶体的l弱共价键晶体（如