光子晶体的基本原理

众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。

从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。而能量落在带隙中的波同样不能传播。

简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。 光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（各个原子所在位点）周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率（如人工造成的空气空穴）的材料。如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙（BandGap，类似于半导体中的禁带）。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。

如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。

因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。

而如果我们通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器（详见光子晶体应用）。而如果产生了缺陷条纹--即沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着光子导线（即缺陷条纹）传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。这种光通路甚至比光纤更有效。 近年来，光子晶体得到了越来越多的关注和推崇。科学家们从各个方面来寻求开发应用光子晶体的途径。然而，光子晶体得到广泛应用，还需要解决以下几个问题：

1）制作可以对波长在可见光范围内的光产生BandGap的光子晶体还有很大的困难特备是三维光子晶体（具体内容请参看光子晶体制造方法介绍）。

2）解决随意在任意位置引入需要的缺陷的问题--上文已经提到这种缺陷意义。

3）制作高效率光子传导材料的技术问题。

4）如何将现在的电流和电压加到光子晶体上的问题。晶体结构可在外加电场和磁场控制下进行转换从而成为可调节的光子晶体。该种可调节晶体结构的光子晶体可用来制作体积微小、广泛用於遥距通讯和卫星通讯的远红外激光器，亦有助研究激发态分子的化学反应，对化工生产、药物研制及生物科技都十分重要。

固体物理与光子晶体的联系与区别

固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦（Maxwell）方程，电子服从的是薛定谔方程；光子波是矢量波，而电子波是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子；电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。

复享科技光子晶体微区角分辨测量系统

这个问题解答起来有点麻烦，因为有不同的分类方法。

如果按功能分，晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。

以上来自下文（读读挺有意思的，真心的希望能够帮助你！）：

晶体学和晶体材料研究的进展2006-09-13 12:51 随着计算机技术和激光技术的发展, 人类已经走进了崭新的光电子时代而实现这一巨大变化的物质基础不是别的, 正是硅单晶和激光晶体。可以断言, 晶体材料的进一步发展, 必将谱写出人类科技文明的新篇章。

一、人类对晶体的认识过程及有关晶体的概念

1. 人类对晶体的认识过程

什么是晶体? 从古至今, 人类一直在孜孜不倦地探索着这个问题。早在石器时代, 人们便发现了各种外形规则的石头, 并把它们做成工具, 从而揭开了探求晶体本质的序幕。之后,经过长期观察,人们发现晶体最显著的特点就是具有规则的外形。1669 年, 意大利科学家斯丹诺(Nicolaus Steno) 发现了晶面角守恒定律, 指出在同一物质的晶体中,相应晶面之间的夹角是恒定不变的。接着,法国科学家阿羽依(Rene Just Haüy) 于1784 年提出了著名的晶胞学说, 使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说,晶胞是构成晶体的最小单位,晶体是由大量晶胞堆积而成的。1885 年, 这一学说被该国科学家布喇菲(A.Bravais) 发展成空间点阵学说, 认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定的规则排列的, 这种排列形成一定形式的空间点阵结构。1912 年, 德国科学家劳厄(Max van Laue) 对晶体进行了X射线衍射实验, 首次证实了这一学说的正确性, 并因此获得了诺贝尔物理奖。

2. 晶体的概念

具有空间点阵结构的物体就是晶体, 空间点阵结构共有14 种。例如, 食盐的主要成份氯化钠(NaCl) 具有面心立方结构, 是一种常见的晶体。此外, 许多金属(如钨、钼、钠、常温下的铁等) 都具有体心立方结构, 因而都属于晶体。值得注意的是, 在晶体中, 晶莹透明的有很多, 但是, 并不是所有透明的固体都是晶体, 如玻璃就不是晶体。这是因为, 组成玻璃的质点只是在一个原子附近的范围内作有规则的排列, 而在整个玻璃中并没有形成空间点阵结构。

3. 天然晶体与人工晶体

晶体分成天然晶体和人工晶体。千百年来, 自然界中形成了许多美丽的晶体, 如红宝石、蓝宝石、祖母绿等,这些晶体叫做天然晶体。然而,由于天然晶体出产稀少、价格昂贵,从19世纪末, 人们开始探索各种方法来生长晶体, 这种由人工方法生长出来的晶体叫人工晶体。到目前为止, 人们已发明了几十种晶体生长方法, 如提拉法、浮区法、焰熔法、坩埚下降法、助熔剂法、水热法、降温法、再结晶法等。利用这些方法,人们不仅能生长出自然界中已有的晶体, 还能制造出自然界中没有的晶体。从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色, 这些人工晶体五彩纷呈, 有的甚至比天然晶体还美丽。

4. 晶体的共性

由于具有周期性的空间点阵结构, 晶体具有下列共同性质: 均一性, 即晶体不同部位的宏观性质相同各向异性, 即晶体在不同方向上具有不同的物理性质自限性, 即晶体能自发地形成规则的几何外形对称性, 即晶体在某些特定方向上的物理化学性质完全相同具有固定熔点内能最小。

5. 晶体学

除了对晶体的结构、生长和一般性质的研究, 人们还探索了有关晶体的其它问题, 从而形成了晶体学这门学科。其主要研究内容包括5 个部分: 晶体生长、晶体的几何结构、晶体结构分析、晶体化学及晶体物理。其中, 晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律, 是晶体学研究的重要基础晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质点的排列规律, 属于晶体学研究的经典理论部分, 但是, 近年来5 次等旋转对称性的发现, 对这一经典理论提出了挑战晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据、探明具体晶体结构及X射线结构分析方法的晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的关系晶体物理则是研究晶体的物理性质, 如光学性质、电学性质、磁学性质、力学性质、声学性质和热学性质等。

二、晶体的性能、应用及进展

一位物理学家说过: “晶体是晶体生长工作者送给物理学家的最好的礼物。”这是因为,当物质以晶体状态存在时, 它将表现出其它物质状态所没有的优异的物理性能, 因而是人类研究固态物质的结构和性能的重要基础。此外, 由于能够实现电、磁、光、声和力的相互作用和转换, 晶体还是电子器件、半导体器件、固体激光器件及各种光学仪器等工业的重要材料, 被广泛地应用于通信、摄影、宇航、医学、地质学、气象学、建筑学、军事技术等领域。

按功能来分,晶体有20 种之多,如半导体晶体、磁光晶体、激光晶体、电光晶体、声光晶体、非线性

光学晶体、压电晶体、热释电晶体、铁电晶体、闪烁晶体、绝缘晶体、敏感晶体、光色晶体、超导晶体以及多功能晶体等。以下简单介绍其中重要的几种。

1. 半导体晶体

半导体晶体是半导体工业的主要基础材料, 从应用的广泛性和重要性来看, 它在晶体中占有头等重要的地位。半导体晶体是从20 世纪50 年代开始发展起来的。第一代半导体晶体是锗( Ge) 单晶和硅单晶

(Si) 。由它们制成的各种二极管、三极管、场效应管、可控硅及大功率管等器件, 在无线电子工业上有着 极其广泛的用途。它们的发展使得集成电路从只包括十几个单元电路飞速发展到含有成千上万个元件的超大规模集成电路, 从而极大地促进了电子产品的微小型化, 大大提高了工作的可靠性, 同时又降低了成本, 进而促进了集成电路在空间研究、核武器、导d、雷达、电子计算机、军事通信装备及民用等方面的广泛应用。

目前, 除了向大直径、高纯度、高均匀度及无缺陷方向发展的硅单晶之外, 人们又研究了第二代半导体晶体——Ⅲ—Ⅴ族化合物, 如(CaAs) 、磷化镓( GaP) 等单晶。近来, 为了满足对更高性能的需求,已发展到三元或多元化合物等半导体晶体。在半导体晶体材料中, 特别值得一提的是氮化镓( GaN) 晶体。由于它具有很宽的禁带宽度(室温下为3. 4eV) , 因而是蓝绿光发光二级管(LED) 、激光二极管(LD) 及高功率集成电路的理想材料,近年来在全世界范围内掀起了研究热潮, 成为炙手可热的研究焦点。目前, 中国科学院物理研究所在该晶体的生长方面独辟蹊径, 首次利用熔盐法生长出3mm×4mm的片状晶体 。一旦该晶体的质量得到进一步的提高, 它将在发光器件、光通讯系统、CD 机、全色打印、高分辨率激光打印、大屏幕全色显示系统、超薄电视等方面得到广泛的应用。

2. 激光晶体

激光晶体是激光的工作物质, 经泵浦之后能发出激光, 所以叫做激光晶体。1960 年, 美国科学家Maiman 以红宝石晶体作为工作物质, 成功地研制出世界上第一台激光器, 取得了举世瞩目的重大科学

成就。目前,人们已研制出数百种激光晶体。其中,最常用的有红宝石(Cr :Al 2O3) 、钛宝石( Ti :Al2O3) 、掺钕钆铝石榴石(Nd : Y3Al 5O12) 、掺镝氟化钙(Dy : CaF2) 、掺钕钒酸钇(Nd : YVO4) 、四硼酸铝钕(NdAl 3(BO3) 4) 等晶体。

近年来, 由于新的激光晶体的不断出现以及非线性倍频、差频、参量振荡等技术的发展, 利用激光

晶体得到的激光已涉及紫外、可见光到红外谱区,并被成功地应用于军事技术、宇宙探索、医学、化学

等众多领域。例如,在各种材料的加工上,晶体产生的激光大显身手, 特别是对于超硬材料的加工, 它具有无可比拟的优越性。比如, 同样是在金刚石上打一个孔, 用传统方法需要两小时以上的时间, 而用晶体产生的激光,连0. 1 秒的时间都不用。此外,用激光进行焊接, 可以高密度地把很多电子元件组装在一起, 并能够大大提高电路的工作可靠性, 从而大幅度地减小电子设备的体积。激光晶体还可以制成激光测距仪和激光高度计, 进行高精度的测量。令人兴奋的是, 法国天文台利用具有红宝石晶体的装置, 首次实现了对同一颗人造卫星的跟踪观察实验,精确地测定了这颗卫星到地面的距离。在医学上,激光晶体更是得到了巧妙的应用。它发出的激光通过可以自由弯曲的光导管进行传送, 在出口端装有透镜和外科医生用的手柄。经过透镜, 激光被聚焦成直径仅有几埃的微小斑点, 变成一把无形却又十分灵巧的手术刀, 不但能够彻底

杀菌, 而且可以快速地切断组织, 甚至可以切断一个细胞。对于极其精细的眼科手术, 掺铒的激光晶体是最合适不过的了。这种晶体可以产生近3μm波长的激光, 由于水对该激光的强烈吸收, 导致它进入生物组织后, 只有几微米短的穿透深度, 因此, 这种激光是十分安全的, 不会使患者产生任何痛苦。由于用这种激光可以快速而精确地进行切割, 手术时间极短, 因而避免了眼球的不自觉运动对手术的干扰,保证了手术的顺利进行。此外, 激光电视、激光彩色立体电影、激光摄影、激光计算机等都将是激动人心的激光晶体的新用途。

3. 非线性光学晶体

光通过晶体进行传播时, 会引起晶体的电极化。当光强不太大时, 晶体的电极化强度与光频电场之间呈线性关系, 其非线性关系可以被忽略但是, 当光强很大时, 如激光通过晶体进行传播时, 电极化强度与光频电场之间的非线性关系变得十分显著而不能忽略, 这种与光强有关的光学效应称为非线性光学效应, 具有这种效应的晶体就称为非线性光学晶体。

非线性光学晶体与激光紧密相连, 是实现激光的频率转换、调制、偏转和Q开关等技术的关键材料。当前,直接利用激光晶体获得的激光波段有限, 从紫外到红外谱区, 尚有激光空白波段。而利用非线性光学晶体, 可将激光晶体直接输出的激光转换成新波段的激光, 从而开辟新的激光光源, 拓展激光晶体的应用范围。常用的非线性光学晶体有碘酸锂(α - Li IO3) 、铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、磷酸二氘钾（KD2PO4) 、偏硼酸钡(β- BaB2O4) 、三硼酸锂(LiB3O5)等。其中,偏硼酸钡和三硼酸锂晶体是我国于20 世纪80 年代首先研制成功的, 具有非线性光学系数大、激光损伤阈值高的突出优点, 是优秀的激光频

率转换晶体材料,在国际上引起了很大的反响。另一种著名的晶体是磷酸钛氧钾晶体( KTiOPO4) ,它是迄今为止综合性能最优异的非线性光学晶体, 被公认为1. 064μm和1. 32μm激光倍频的首选材料, 它可以把1. 064μm的红外激光转换成0. 53μm的绿色激光。由于绿光不仅能够用于医疗、激光测距, 还能够进行水下摄影和水中通信等, 因此,磷酸钛氧钾晶体得到了广泛的应用。

4. 压电晶体

当晶体受到外力作用时, 晶体会发生极化, 并形成表面电荷, 这种现象称为正压电效应反之, 当晶体受到外加电场作用时, 晶体会产生形变, 这种现象称为逆压电效应。具有压电效应的晶体则称为压电晶体,它只存在于没有对称中心的晶类中。最早发现的压电晶体是水晶(α- SiO2) 。它具有频率稳定的特性, 是一种理想的压电材料, 可用来制造谐振器、滤波器、换能器、光偏转器、声表面波器件及各种热敏、气敏、光敏和化学敏器件等。它还被广泛地应用于人们的日常生活中, 如石英表、电子钟、彩色电视机、立体声收音机及录音机等。

近年来, 人们又研制出许多新的压电晶体, 如钙钛矿型结构的铌酸锂(LiNbO3) 、钽酸钾( KTaO3)

等,钨青铜型结构的铌酸钡钠(Ba2NaNb5O15) 、铌酸钾锂( K1 - xLiNbO3) 等以及层状结构的锗酸铋(Bi 12GeO20) 等。利用这些晶体的压电效应,可制成各种器件, 广泛地用于军事上和民用工业, 如血压计、呼吸心音测定器、压电键盘、延迟线、振荡器、放大器、压电泵、超声换能器、压电变压器等。

5. 闪烁晶体

这种晶体在X射线激发下会产生荧光, 形成闪烁现象。最早得到应用的闪烁晶体是掺铊碘化钠（Tl :NaI) 晶体。该晶体的发光波长在可见光区,闪烁效率高, 又易于生长大尺寸单晶, 在核科学和核工

业上得到广泛的应用。20 世纪80 年代初, 中科院上海硅酸盐研究所采用坩埚下降法成功地生长了大尺寸锗酸铋(Bi 4Ge 3O12) 单晶。由于这种晶体阻挡高能射线能力强、分辨率高, 因而特别适合于高能粒子和高能射线的探测, 在基本粒子、空间物理和高能物理等研究领域有广泛的应用, 并已十分成功地用于欧洲核子研究中心L3 正负电子对撞机的电磁量能器上。此后, BaF2 晶体成为又一新型闪烁材料。除了在高能物理中应用之外, 该晶体在低能物理方面已用于正电子湮没谱仪, 使谱仪的分辨率和计数效率

均得到很大的提高。此外, 它还可用于检查隐藏的爆炸物、石油探测、放射性矿物探测、正电子发射层

析照相(简称PET) 等方面,具有良好的应用前景。

6. 声光晶体

当光波和声波同时射到晶体上时, 声波和光波之间将会产生相互作用, 从而可用于控制光束, 如使光束发生偏转、使光强和频率发生变化等, 这种晶体称为声光晶体, 如钼酸铅( PbMoO4) 、二氧化碲（TeO2) 、硫代砷酸砣( Tl 3AsS4) 等。利用这些晶体,人们可制成各种声光器件, 如声光偏转器、声光调Q 开关、声表面波器件等, 从而把这些晶体广泛地用于激光雷达、电视及大屏幕显示器的扫描、光子计

算机的光存储器及激光通信等方面。

7. 光折变晶体

光折变晶体是众多晶体中最奇妙的一种晶体。当外界微弱的激光照到这种晶体上时, 晶体中的载流子被激发, 在晶体中迁移并重新被捕获, 使得晶体内部产生空间电荷场, 然后, 通过电光效应,空间电荷场改变晶体中折射率的空间分布, 形成折射率光栅,从而产生光析变效应。光折变效应的特点是, 在弱光作用下就可表现出明显的效应。例如,在自泵浦相位共轭实验中,一束毫瓦级的激光与光折变晶体作用就可以产生相 位共轭波, 使畸变得无法辨认的图像清晰如初。由于折射率光栅在空间上是非局域的, 它在波矢方向相对于干涉条纹有一定的空间相移, 因而能使光束之间实现能量转换。如两波耦合实验中, 当一束弱信号光和一束强光在光折变晶体中相互作用时, 弱信号光可以增强1 000 倍。此外, 凭借着光折变效应, 光折变晶体还具有以下特殊的性能: 可以在3cm3 的体积中存储5 000幅不同的图像, 并可以迅速显示其中任意一幅可以精密地探测出小得只有10 - 7米的距离改变可以滤去静止不变的图像, 专门跟踪刚发生的图像改变甚至还可以模拟人脑的联想思维能力。因此,这种晶体一经发现,便引起了人们的极大兴趣。

目前, 有应用价值的光折变晶体有钛酸钡(BaTiO3) 、铌酸钾( KNbO3) 、铌酸锂(LiNbO3) 、铌酸锶

钡(Sr1 - xBaxNb2O6) 系列、硅酸铋(Bi 12SiO20) 等晶体。其中,掺铈钛酸钡(Ce :BaTiO3) 是由中国科学院物理研究所于90 年代在国际上首次研制成功的。它的优异性能, 使光折变晶体在理论研究和实用化方面取得突破性进展。当前, 光折变晶体已发展成一种新颖的功能晶体, 在光的图像和信息处理、相位共轭、全息存储、光通讯和光计算机神经网络等方面展示着良好的应用前景。

三、晶体研究的发展趋势

随着人们对晶体认识的不断深入, 晶体研究的方向也逐步地发生着变化, 其总的发展趋势是: 从晶态转向非晶态从体单晶转向薄膜晶体从通常的晶格转向超晶格从单一功能转向多功能从体性质转向表面性质从无机扩展到有机,等等。此外, 鉴于充分认识到晶体结构—性能关系的重要性, 人们已经开始利用分子设计来探索各种新型晶体。而且, 随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展, 人类对晶体的认识更是有了新的飞跃。可以相信, 在不久的将来, 晶体的品种将会更多、性能将会更优异、应用范围也将会越来越广。

总之,晶体不仅是美丽的,而且也是有用的。它蕴涵着丰富的内容, 是人类宝贵的财富。但迄今为

止, 人们对它的认识犹如冰山之一角, 还有许多未知领域等待着我们去探索。

(王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

参考资料：（王皖燕 中国科学院物理研究所,博士北京100080)

1.有关晶体的所有知识

①离子晶体：离子所带的电荷数越高，离子半径越小，则其熔沸点就越高。

②分子晶体：对于同类分子晶体，式量越大，则熔沸点越高。HF、H2O、NH3等物质分子间存在氢键。

③原子晶体：键长越小、键能越大，则熔沸点越高。（3）常温常压下状态①熔点：固态物质>液态物质②沸点：液态物质>气态物质定义：把分子聚集在一起的作用力分子间作用力（范德瓦尔斯力）：影响因素：大小与相对分子质量有关。

作用：对物质的熔点、沸点等有影响。①、定义：分子之间的一种比较强的相互作用。

分子间相互作用 ②、形成条件：第二周期的吸引电子能力强的N、O、F与H之间（NH3、H2O）③、对物质性质的影响：使物质熔沸点升高。④、氢键的形成及表示方式：F-—H•••F-—H•••F-—H•••←代表氢键。

⑤、说明：氢键是一种分子间静电作用；它比化学键弱得多，但比分子间作用力稍强；是一种较强的分子间作用力。定义：从整个分子看，分子里电荷分布是对称的（正负电荷中心能重合）的分子。

非极性分子 双原子分子：只含非极性键的双原子分子如：O2、H2、Cl2等。举例：只含非极性键的多原子分子如：O3、P4等分子极性 多原子分子： 含极性键的多原子分子若几何结构对称则为非极性分子如：CO2、CS2（直线型）、CH4、CCl4（正四面体型）极性分子： 定义：从整个分子看，分子里电荷分布是不对称的（正负电荷中心不能重合）的。

举例 双原子分子：含极性键的双原子分子如：HCl、NO、CO等多原子分子： 含极性键的多原子分子若几何结构不对称则为极性分子如：NH3（三角锥型）、H2O（折线型或V型）、H2O2。

2.有关晶体的所有知识

①离子晶体：离子所带的电荷数越高，离子半径越小，则其熔沸点就越高。

②分子晶体：对于同类分子晶体，式量越大，则熔沸点越高。HF、H2O、NH3等物质分子间存在氢键。

③原子晶体：键长越小、键能越大，则熔沸点越高。

(3)常温常压下状态

①熔点：固态物质>液态物质

②沸点：液态物质>气态物质

定义：把分子聚集在一起的作用力

分子间作用力（范德瓦尔斯力）：影响因素：大小与相对分子质量有关。

作用：对物质的熔点、沸点等有影响。

①、定义：分子之间的一种比较强的相互作用。

分子间相互作用

②、形成条件：第二周期的吸引电子能力强的N、O、F与H之间（NH3、H2O）

③、对物质性质的影响：使物质熔沸点升高。

④、氢键的形成及表示方式：F-—H•••F-—H•••F-—H•••←代表氢键。

⑤、说明：氢键是一种分子间静电作用；它比化学键弱得多，但比分子间作用力稍强；是一种较强的分子间作用力。

定义：从整个分子看，分子里电荷分布是对称的（正负电荷中心能重合）的分子。

非极性分子

双原子分子：只含非极性键的双原子分子如：O2、H2、Cl2等。

举例：只含非极性键的多原子分子如：O3、P4等

分子极性

多原子分子： 含极性键的多原子分子若几何结构对称则为非极性分子

如：CO2、CS2（直线型）、CH4、CCl4（正四面体型）

极性分子： 定义：从整个分子看，分子里电荷分布是不对称的（正负电荷中心不能重合）的。

举例

双原子分子：含极性键的双原子分子如：HCl、NO、CO等

多原子分子： 含极性键的多原子分子若几何结构不对旦耽测甘爻仿诧湿超溅称则为极性分子

如：NH3（三角锥型）、H2O（折线型或V型）、H2O2

3.关于晶体的知识

1.原子晶体中原子间键长越短，共价键越稳定，物质熔沸点越高，反之越低.

2.离子晶体中阴阳离子半径越小，电荷数越多，离子键越强，熔沸点越高，反之越低.

3.分子晶体中分子间作用力越大，物质熔沸点越高，反之越低.其中组成和结构相似的分子，相对分子质量越大，分子间作用力越大.（但这不包括具有氢键的分子晶体其熔沸点出现反常得高的现象，如H2O、HF等）

4.金属晶体中金属原子的价电子数越多，原子半径越小，金属阳离子与自由电子的静电作用越强，金属键越强，熔沸点越高，反之越低.

5.晶体的类型不同时一般规律为：

原子晶体>离子晶体>金属晶体>分子晶体但需注意金属晶体的熔沸点差别很大.如W的熔沸点甚至高于有些原子晶体，而Hg的熔点则很低，常温下呈液体状态.

4.有关晶体的知识

晶体即是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。

晶体有三个特征：（1）晶体有整齐规则的几何外形。（2）晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变。（3）晶体有各向异性的特点：固态物质有晶体与非晶态物质（无定形固体）之分，而无定形固体不具有上述特点。晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列。非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，具有近程有序，但不具有长程有序。如玻璃。外形为无规则形状的固体。

晶体组成

组成晶体的结构微粒（分子、原子、离子、金属）在空间有规则地排列在一定的点上，这些点群有一定的几何形状，叫做晶格。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。金刚石、石墨、食盐的晶体模型，实际上是它们的晶格模型。 晶体按其结构粒子和作用力的不同可分为四类：离子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体。 固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。 具有整齐规则的几何外形、固定熔点和各向异性的固态物质，是物质存在的一种基本形式。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。

晶体内部结构中的质点（原子、离子、分子）有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角（晶面角）是一定的，称为晶面角不变原理。晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。晶体都有一定的对称性，有32种对称元素系，对应的对称动作群称做晶体系点群。按照内部质点间作用力性质不同，晶体可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体，如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。同一晶体也有单晶和多晶（或粉晶）的区别。在实际中还存在混合型晶体。

说到晶体，还得从结晶谈起。大家知道，所有物质都是由原子或分子构成的。众所周知，物质有三种聚集形态：气体、液体和固体。但是，你知道根据其内部构造特点，固体又可分为几类吗？研究表明，固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。

几何形状

晶体通常呈现规则的几何形状，就像有人特意加工出来的一样。其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。而玻璃、珍珠、沥青、塑料等非晶体，内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。 究竟什么样的物质才能算作晶体呢？首先，除液晶外，晶体一般是固体形态。其次，组成物质的原子、分子或离子具有规律、周期性的排列，这样的物质就是晶体。 但仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是X光技术。用X光对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。

晶体结构

为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了像图中所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。许多取向相同的晶胞组成晶粒，由取向不同的晶粒组成的物体，叫做多晶体，而单晶体内所有的晶胞取向完全一致，常见的单晶如单晶硅、单晶石英。大家最常见到的一般是多晶体。由于物质内部原子排列的明显差异，导致了晶体与非晶体物理化学性质的巨大差异。例如，晶体有固定的熔点，当温度高到某一温度便立即熔化；而玻璃及其它非晶体则没有固定的熔点，从软化到熔化是一个较大的温度范围。

5.晶体的相关知识

什么是晶体呢？ 虽然你还不知道它的定义，但是你早已经和它的家族成员见过面了。

不仅如此，你还吃过、用过它们呢！你瞧，自然界里的冰、雪，组成大地的土壤，各种金属材料（如金、银、铜、铁、锡、铝），以至我们所吃的糖、盐和所用的各种装饰品（如红宝石、蓝宝石、钻石）等等，全都是晶体。所以，毫不夸张地说，我们的世界是一个绚丽多彩的晶体的世界。

那么，到底什么是晶体呢？为什么这么多种看上去截然不同的东西都属于晶体呢？大家知道，物质是由原子、分子或离子组成的。当这些微观粒子在三维空间按一定的规则进行排列，形成空间点阵结构时，就形成了晶体。

因此，具有空间点阵结构的固体就叫晶体。事实上，绝大多数固体都是晶体。

不过，它们又有单晶体和多晶体之分。所谓单晶体，就是由同一空间点阵结构贯穿晶体而成的；而多晶体却没有这种能贯穿整个晶体的结构，它是由许多单晶体以随机的取向结合起来的。

例如，飞落到地球上的陨石就是多晶体，其主要成份是由长石等矿物晶体组成的。而食盐的主要成份氯化钠（NaCl）却是一种常见的单晶体，它是由钠离子（Na+）和氯离子（Cl-）按一定规则排列的立方体所组成，从大范围（即整个晶体）来看，这种排列始终是有规则的。

因此，我们平常所看到的食盐颗粒都是小立方体。又如钻石，它是由碳原子在大范围内按一定的规则排列而成的晶体，人们常常在它的外表面加工出许多小面，使它变成多面体，由于它具有很高的折射率，又是透明的，所以，在阳光照射下，它对光线产生强烈的反射和折射，发出闪烁的光辉。

值得注意的是，在晶体中，这样晶莹透明的有很多，但是，并不是所有透明的固体都是晶体，如玻璃就不是晶体。为什么呢？这是因为，组成玻璃的微观粒子只是在一个很小的范围内作有规则的排列，而从大范围来看，它们的排列是不规则的，因此，玻璃不是晶体。

自然界中形成的晶体叫天然晶体，而人们利用各种方法生长出来的晶体则叫人工晶体。目前，人们不仅能生长出自然界中已有的晶体，还能制造出许多自然界中没有的晶体。

人们发现，晶体的颜色五彩纷呈，从红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫到各种混合颜色，简直应有尽有，令人目不暇接。不过，更加令人惊奇的是，晶体不仅美丽，还有许多重要的用途呢！ 比如说激光晶体。

这是一种非常重要的晶体，它吸收足够的能量之后能发出一种特殊的强光，我们叫它"激光"，所以这种晶体叫做激光晶体。目前，人们已研制出数百种激光晶体。

其中，红宝石晶体是最引人注目的一种。这是因为，有一位美国科学家Maiman，曾在1960年利用这种晶体获得了一项举世瞩目的重大科学成就--研制出世界上第一台激光器。

今天，这些激光晶体在军事技术、宇宙探索、医学、化学等众多领域内都已得到了广泛的应用。例如，激光电视、激光彩色立体电影、激光雷达、激光手术刀等都是激光晶体在这些领域内成功应用的结果。

又如水中通信，由于海水对红光产生强烈的吸收，而对蓝绿光则吸收得较少，因此，蓝绿光在海水中能够传播较远的距离。利用这一特性，人们就可以利用激光晶体产生的蓝绿光进行水中通信和探索。

另一种重要的晶体恐怕要属半导体晶体了。这是因为，由半导体晶体硅和锗做成的各种晶体管，取代了原来的电子管，在无线电子工业上有着极其广泛的应用，由于它们的出现，电子产品的体积大大减少，成本大幅度降低。

可以说，没有半导体晶体，就没有无线电子工业的飞速发展，我们今天就不可能拥有随身听、超薄电视和笔记本电脑等体积小巧、携带方便的电子产品了。此外，光纤通讯技术也离不开半导体晶体。

利用这种晶体做光源，人们就能在一根头发丝般的光导纤维中传递几十万路电话或几千路电视，从而大大提高了信息传递的数量和质量。试想，如果没有这些半导体晶体，我们怎能看到高清晰度的电视，又怎能清楚地听到从遥远的大洋彼岸传来的亲人的声音呢？ 不过，在众多性能之中，最奇妙的当属光折变效应了。

具有这种效应的晶体叫光折变晶体。那么，这是怎样一种效应呢？原来，当外界微弱的光照到这种晶体上时，晶体的折射率会发生变化，形成极为特殊的折射率光栅。

凭借这种光栅，晶体便成为神通广大的"齐天大圣"，向人们演示出种种不可思议的奇妙现象：它可以在3cm3的体积中存储5000幅不同的图像，并可以迅速显示其中任意一幅；它可以把微弱的图像亮度增强1000倍；它可以精密地探测出小得只有10-7米的距离改变；它可以使畸变得无法辨认的图像清晰如初；它可以滤去静止不变的图像，专门跟踪刚发生的图像改变；它还可以模拟人脑的联想思维能力！因此，这种奇妙的晶体一经发现，便引起了人们的极大兴趣。目前，它已发展成一种新颖的功能晶体，向人们展示着良好的应用前景。

此外，还有许多晶体，如电光晶体、声光晶体、压电晶体、热释电晶体、磁性晶体、超硬晶体等，它们在不同的技术领域中也起着重要的作用，在此就不一一列举了。不过，值得一提的是，近年来，随着光子晶体和纳米晶体的出现和发展，掀起了微观晶体的研究热潮，使人类认识达到了一个。

6.什么是晶体

自然界中的固体分两大类：一类是晶态材料，又称晶体；另一类是非晶态材料，又称非晶体。

晶体是由许多完全一样的基础单元“晶胞”组成的。晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体，并且呈周期性重复排列，有如下主要特征。

晶体有整齐规则的几何外形；有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；具有解理性；有各向异性的特点等宏观特征，如岩盐、水晶、钻石、明矶、雪花等。 晶胞是由原子（分子或离子）按一定规律排列而成的，有规则的几何外形。

晶胞是晶体中的最小单位，是晶体的代表。晶胞并置起来，则得到晶体。

晶胞的代表性体现在以下两个方面：一是代表晶体的化学组成；二是代表晶体的对称性，即与晶体具有相同的对称元素（对称轴、对称面和对称中心）。 一般来说，晶胞都是平行六面体。

整块晶体可以看成是无数晶胞无隙并置而成。所说的无隙是指相邻晶体之间没有任何间隙；并置是指所有晶胞都是平行排列的取向相同。

晶胞能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布的化学-结构特征的平行六面体单元。其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又M小者特称“单位晶胞”，但也常简称晶胞。

其具体形状大小由它的三组棱长a、6、c及棱间交角（合称为“晶胞参数”）来表征，与空间格子中的单位平行六面体相对应。如果把晶胞进行抽象化处理，把质点设想成点，把质点间的化学键用直线连接，这就成为晶格。

同一种物质的晶格尺寸与形状完全相同。物质不同，不但晶格的尺寸不同，就是晶格的几何形状也有多种。

但是晶格的几何形状不可能是任意的，因为有许多几何形状无法使其排列中间保持化学键相连的质点间的距离，而且也无法不产生空隙或空洞，例如球形就不行，因为许多球体组合无法不留空隙。立方体最容易彼此相接地填满。

立方体的长、宽、高都相等的称为立方晶格。也可以长、宽、高三者不相等，但6个面彼此的交角都是90°，这样的称为正交晶格。

晶格的种类有7大类，称为7个晶系，它们是立方晶系、正方晶系、正交晶系、单斜晶系、二斜晶系、二角或菱形晶系、六角晶系。晶系只反映晶胞的几何形状，在同一几何形状下，质点的分布又不相同，经证明，共有14种晶格。

绝大多数的半导体材料属于立方晶系，其次是六角晶系。 硅、锗、砷化镓、磷化镓、磷化铟、碲化镉均属立方晶系，而氮化镓、氮化铟、硫化锌、硫化镉等属于六角晶系，但其中有些化合物又可形成立方晶系的晶体。

非晶体是内部质点在三维空间不呈周期性重复排列的固体，其物质粒子结构是杂乱无章的，没有规律性，没有上述晶体的宏观特征，如玻璃、松香、石蜡等。 非晶体的物理性质在各个方向是相同的称为各向同性。

7.什么是晶体

物质有三种聚集态：气体、液体和固体。

但是，你知道根据其内部构造特点，固体又可分为几类吗？可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。 什么是晶体：晶体在合适的条件下，通常都是面平棱直的规则几何形状，就像有人特意加工出来的一样。

其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。 如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到一个同样的原子。

而玻璃（及其他非晶体如石蜡、沥青、塑料等）内部原子的排列则是杂乱无章的。准晶体是最近发现的一类新物质，其内部原子排列既不同于晶体，也不同于非晶体。

仅从外观上，用肉眼很难区分晶体、非晶体与准晶体。 一块加工过的水晶晶体与同样形状的玻璃（非晶体）外观上几乎看不出任何区别。

同样，一层金属薄膜（通常是晶体）与一层准晶体金属膜从外观上也看不出差异。那么，如何才能快速鉴定出它们呢？一种最常用的技术是X光技术。

X光技术诞生以后，很快就被科学家用于固态物质的鉴定。 如果利用X光技术对固体进行结构分析，你很快就会发现，晶体和非晶体、准晶体是截然不同的三类固体。

自然界中的绝大多数矿石都是晶体，就连地上的泥土沙石也是晶体，冬天的冰雪是晶体，日常见到的各种金属制品亦属晶体。可见晶体并不陌生，它就在我们的日常生活中。

人们通过长期认识世界、改造世界的实践活动，逐渐发现了自然界中各种矿物的形成规律，并研究出了许许多多合成人工晶体的方法和设备。现在，人们既可以从水溶液中获得单晶体，也可以在数千摄氏度的高温下培养出各种功能晶体（如半导体晶体、激光晶体等），既可以生产出重达数吨的大块单晶，也可研制出细如发丝的纤维晶体，以及只有几十个原子层厚的薄膜材料。

五光十色、丰富多彩的人工晶体已悄悄地进入了我们的生活，并在各个高新技术领域大显神通。 。

8.常见的分子晶体有哪些

[1]②大部分非金属单质（稀有气体形成的晶体也属于分子晶体），如：卤素（X2）、氧气、硫（S8）、氮（N2）、白磷（P4）、C60等（金刚石，和单晶硅等是原子晶体）[2]③部分非金属氧化物，如：CO2、SO2、SO3、P4O6、P4O10等（如SiO2是原子晶体）[1]④几乎所有的酸⑤绝大多数有机化合物，如：苯、乙酸、乙醇、葡萄糖等[1]⑥所有常温下呈气态的物质、常温下呈液态的物质（除汞外）、易挥发的固态物质[1]分子晶体相关信息编辑分子晶体熔沸点规律分子间作用力越强，熔沸点越高①组成和结构相似的分子晶体，一般相对分子质量越大，分子间作用力越强，熔沸点越高。

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