关于晶体 非晶 孪晶

单晶，多晶，非晶，微晶，无定形，准晶的区别何在？ 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 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： 晶体种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，觉得晶粒小的微米数量是非常小的了， 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较微晶。然而 科学总是发展的，有一天人们发现如果晶粒度在小呢，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，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 让他成核呢，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，我让他成核，不让他长大呢，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， 除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，在大一点的晶粒，叫粗晶的。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。