晶体结构“完美无缺”吗

晶体结构“完美无缺”吗

前面在给晶体下定义时曾提到，晶态就是其构成微粒沿着三维方向作规则的周期性排列的一种固态。但严格地讲，这样的状态可以说根本不存在，因实际晶体总是或多或少地偏离于这种理想的晶体结构，我们把这种实际晶体对于理想晶体结构的偏离称之为“晶体缺陷”。尽管实际晶体在结构上或多或少存在着“缺陷”，但因从总体上讲，晶体还基本上可看作一种周期性结构，所以依照前面所介绍过的方法来研究晶体结构一般并不会产生不可接受的偏差。

图3－8　空位和间隙原子

图3－9　空位原子

晶体缺陷按其几何形式划分，可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等。以点缺陷为例，顾名思义，就是晶体结构在某些点的位置上偏离于理想晶体。具体地说，点缺陷包括空位原子、杂质原子、间隙原子、错位原子和变价原子等。图3—8示出1个阳离子偏离于原位置，挤入了阴离子的空隙处，因此同时形成了1个空位和1个间隙原子；图3—9示出同时有1对阴、阳离子离开了正常位置而迁移到晶体表面，结果在原位置处就形成了1对阴、阳离子空位；当向纯的单晶硅中掺入极少量的硼或磷时，就会有极少量的硼原子或磷原子占据单晶硅中硅原子的位置，形成了杂质原子；有时离子晶体中的一定电价的某离子脱离晶体，形成了该离子的空位，这时为了使整个离子化合物保持电中性，其他的个别离子的价态就会随之发生变化，形成变价离子，同时还导致该晶体的化学式不能用简单的整数来表示，称之为“非整比化合物”。图3—10所示出的是某氧化镍晶体所出现的缺陷：其中每有1个Ni^2＋出现了空位，就需有另外2个Ni^2＋变为Ni^3＋，以使晶体保持电中性，但这时晶体中的Ni原子和O原子的个数比就不再是1∶1。如某氧化镍晶体的化学组成为Ni_0．97O，通过计算可以得出，每97个Ni离子中，有6个Ni离子由Ni^2＋变为Ni^3＋，以弥补由于Ni^2＋空位所造成的正、负电不平衡，故Ni^3＋和Ni^2＋的离子个数比为6∶91。

“缺陷”一词原是个贬意词，但晶体缺陷的存在给晶体带来的往往是一些优良的性质：当硫化锌晶体中掺入了约0．0001%的氯化银杂质时（按原子个数计），这种带有杂原子缺陷的晶体在电子射线的激发下，却能发射出波长为450纳米的萤光，该材料是彩色电视显示屏上的蓝色萤光粉；Li_δTiS₂（0＜δ＜1）是TiS₂晶体置于锂蒸气或浸入正丁基锂的非极性溶液中时Li^＋进入了TiS₂的晶体结构时得到的，由于其导电性能非常好，被用作新型高能电池——锂电池中的电解质；Ni_1－δO、F_e1－δO等非整比化合物，由于其中的金属阳离子存在着混合价态，使这类化合物的导电性比单一价态的化合物要强，其颜色及磁学性质也相应发生变化，可用来制作各种颜料和铁氧体磁性材料等。总之，由于晶体缺陷的存在，使晶体在力学性能、电学性能、磁学性能等均产生了很大的“正面”影响，因此在生产和科研中都有着重要的意义。

图3－10　氯化镍中空位