晶体几何系列之三 准晶是高维晶体投影的证明

晶体中原子的排列具有平移对称性,平移对称性限制了晶体只有n=1,2,3,4,6次转动对称。发现有8-次,10-次,12-次转动对称的准晶。准晶结构是高维晶体结构的投影。晶体和准晶的定义统一于点状衍射花样。     

介电晶体的宏观性质在现代科技中的应用

研究晶体材料(在此通常指单晶)的宏观性质及其应用的学科——晶体物理学——有着悠久的历史,是固体物理领域中最古老的分支之一。人们早在18世纪就已发现晶体是有着规则外形的固体,这样就将固体分为晶体与非晶体。1912年德国科学家劳埃发现晶体对X射线的衍射现象后,人们就能准确地通过X射线实验测定出晶体中原子的周期性排列以及原子间的键长、键角等,从而产生了定量的晶体物理学。 随着现代科学技术的发展,晶体材料及器件在激光、微电子学、红外、超声和信息存储与显示等技术中所获得的广泛应用使人们对晶体材料宏观性质的研究有了新的认识并更加重视,从而也得到不少新成就。本文将就此作些基本知识及应用的介绍。 一、晶体及其宏观性质都是各向异性的。 由于晶体宏观性质的测量不会受到大小为晶胞基矢长度(埃的量级)分数的影响,因此所讨论的晶体材料宏观性质只与晶体的点对称性有关,而不必深究其平移对称性。 晶体的点对称操作可分为真旋转和非真旋转两大     

同步辐射X射线衍射技术

 X射线跟我们眼睛感觉到的可见光一样都是电磁波,但X射线的波长要小得多.我们常说的X射线的波长在0.1埃至10埃之间。而物质的原子或分子的空间排列也在这个尺度范围中.每个原子或分子是一个对波的散射体,根据波的衍射原理,如果物质的原子或分子的空间排列有一定的周期性,则X射线会在物质中产生衍射现象.如果我们收集衍射信号并加予分析,就可以揭示晶体内的原子和分子的空间排列状况.X射线衍射技术正是这样一门科学技术,它在物理学、材料科学、化学、生物学等众多的领域中有着广泛的应用.     

非晶态金属的结构模型

非晶态金属与合金具有许多有别于晶体的优异性能和效应.非晶态合金的性能,它的形成条件、稳定性以及结构相变等无不涉及它的微观结构.因此非晶态结构的研究是非晶态物理中的重要课题,在晶态固体的研究中,通常用X光、电子、中子衍射分析来获得原子排列的知识,这些都是基于晶体的结构的周期性.非晶态固体中的原子排列没有这种规则的周期性,因而通常的结构分析方法不易确定原子的组态.衍射分析所提供的只是原子的平均环境的知识,这种平均环境可以用所谓径向分布函数[RDF(r)]来描述.由实验得到的RDF(r)反映了非晶态固体的原子排列具有某种短…     

铁电晶体与器件

<正>1.铁电单晶与气体、液体以及玻璃态固体不同,晶体是一种具有三维周期性结构的固体,即具有平移对称性点阵结构的固体。晶胞作为晶体的基本结构是一个个彼此互相平行而等同的平行六面体基本单位,晶胞的结构特点决定了晶体的基本物理性能。晶体的分布非常广泛,自然界的固体物质中,绝大多数是晶体。1655年,在法国西部大西洋沿岸一个盛产葡萄酒的港口城市——拉罗歇尔(La Rochelle),药剂师塞     

基于同步辐射的X射线成像技术在静高压研究中的应用

随着同步辐射技术的发展,稳定、高强度、能量可调、具有优良相干性的X射线源成为现实,使得X射线成像技术在诸多领域得到了广泛的应用。成像方法也从传统的简单投影成像,发展出相衬成像、显微成像、相干衍射成像等多种实验技术。X射线衍射技术用于测量具有长程周期性的材料在微观尺度的结构信息;与之相比,X射线成像技术的可视化强,测量直接,可实现各种材料(晶体、非晶体、液体等)从微观、介观到宏观尺度的测量。近年来,X射线成像技术在静高压领域中有了长足的发展,如非晶态材料的物态方程测量、高压加载下的声速测量、熔融铁在地幔岩石中的输运过程研究、晶体材料中的应变分布以及材料相变的演化过程研究等。本文较系统地总结了X射线成像技术在静高压研究领域的应用,以期对今后的研究有所帮助。     

固体的光散射讲座第三讲 晶格振动的喇曼散射

晶体的喇曼散射是研究晶体内部结构的一种简单而有效的成熟方法.它对研究材料的结构和结构相变以及各种特殊条件下的晶体状态有着重要的作用.本文先从晶体的对称性出发,讨论晶格振动的分类,并以k=0处的晶格振动为例,介绍晶格振动模的对称类的分类.然后简述晶体喇曼散射的机理以及对晶体喇曼谱的实验研究. 一、晶体的对称性 我们知道,分子具有一定的点对称性,即保持体系中一点位置不变,对体系施以转动、反射或反演等(点)对称操作,体系仍处于与操作前等效的状态.晶体不仅也具有这种点对称性,而且由于其中原子排列的周期性,晶体还具有平移对称…     

威尔金斯（Wilkins，Maurice Hugh Frederick，1916-2004）新西兰-英国物理学家（Physicist，New Zealand-England）

威尔金斯是一位医生的儿子，6岁时移居英国，1940年在伯明翰大学获得博士学位。薛定谔所著的有关生命本性的一本书伎他对生物学发生兴趣劳厄和布拉格父子早就指出，X射线可被晶体中规则排布的原子衍射；由衍射图形可推断出晶体中原子的排列。这个方法同样也可以用于由化学单元重复排列所组成的大纤维分子，当然在具体方式上要复杂得多。纤维分子通常是由化学单元重复组成。     

一种变曲率面晶体X射线检测技术

在惯性约束聚变光谱诊断物理实验研究中,晶体衍射后X射线光谱信号较弱,需要高收光效率及宽频谱范围的光谱诊断仪器.在传统锥面弯曲晶体基础上提出变曲率弯晶多能点成像技术,该技术具有宽频谱范围、强聚焦能力、高光谱分辨的特点.在晶体衍射成像结构设计中,由于能够确保成像光线的旋转对称性,因此在原理上可消除传统弯晶X射线衍射成像像差.利用研制的变曲率面石英晶体对钛靶X射线源进行X射线聚焦检测,并与同种材料的平面晶体进行收光效率对比,实验结果表明该变曲率面石英晶体的收光效率可以达到平面石英晶体的100倍,检测X射线能量范围为4.51~5.14keV.该晶体谱仪结合X射线条纹相机能够检测宽频谱范围的微弱X射线信号,条纹相机探测面可与晶体检测光路方向垂直布局.     

X射线粉晶衍射在新功能材料探索中的一些应用

1912年发现的晶体X射线衍射现象标志着现代晶体学的诞生,对近代物理学乃至整个科学领域的发展都产生了极为深刻的影响。X射线粉晶衍射将结构分析拓展到多晶材料,成为物理学、化学和材料科学重要的研究手段。文章结合作者在硼酸盐及铁基超导体研究领域的典型工作,介绍了X射线粉晶衍射在新型功能材料探索中的一些应用。随着新方法和新技术的不断出现和完善,相信未来X射线粉晶衍射在新材料探索和其他应用领域将起到越来越重要的作用。     

核磁共振谱在地球科学中的应用：结构与动力学

矿物和岩浆是组成地球的物质,了解它们的结构与动力学对认识很多地质过程具有重要意义.传统的X射线衍射方法能用于研究高度有序的氧化物和硅酸盐矿物的晶体结构,但对因各种原因(温度效应、快速生长、缺陷和大表面积等)引起的晶体中的无序化,以及对非晶态固体和液体的结构则无能为力,因为X射线方法只能检测长程晶体对称的平均信息.实际上这类材料在短程和中程上还是有序的,这种有序表征着物质的结构和性质.局域的结构变化表现在头几个配位圈中原子的类型和数目的变化,以及键的类型和几何形状的变化上.动力学描述结构随时间变化的行为.在地球…     

准晶

一、什么是准晶及准晶的发现过去人们一直把固态物质划分为晶体(crystal)和无序体(amorphous)。晶体在短程和长程上都是有序的,突出的特点是组成晶体的原子或离子在空间排列的点阵具有周期性,即长程平移序。无序体具有短程有序,但在长程上无序,即它的点阵在空间长程范     

准单色近平行光束的X射线源

针对准单色近平行光束X射线背光成像诊断需求,提出了一种用球面弯晶进行X射线衍射选单从而获取准直光束的新方案.在神光Ⅱ装置上,设计了基于球面弯晶X射线衍射选单准直光束系统,完成了该系统的安装、调试和实验应用,获得了准单色(10~(-3)△λ/λ10~(-2))、小发散角(2 mrad)和大辐照匀斑(直径φ500 m)的X射线光源.同时基于衍射光学和球面镜成像理论,研究了不同布拉格角对球面弯晶X射线衍射光束发散角及其像散差的影响.结果表明,布拉格角会影响球面弯晶X射线衍射光束的发散角.用控制布拉格角范围的方法有望获得发散角优于1 mrad的近平行光束X射线光源.这种准单色、极小发散度和均匀角分布的X射线光源可应用于高分辨X射线成像诊断.     

X射线晶体学的起源

1912年是值得纪念的一年.在这一年里,先是劳厄(M.Laue,1879—1960)等发现了X射线的晶体衍射现象并给出了一个解释,此后不久布拉格(W.L.Bragg,1890—1971,后简称小布拉格)又作了重新解释并借此获得了有关晶体结构的信息,从而开始了X射线晶体学发展艰难但成果辉煌的历史.作为整个X射线晶体学史研究的第一步,本文先对其起源作一全面的历史考查. 一、X射线晶体衍射现象 的发现和劳厄的解释 发现X射线晶体衍射现象的直接起因还得先从厄瓦耳说起.1912年初,他正在慕尼黑大学著名理论物理学家索末菲教授的指导下撰写《各向同性共振子的各向异性…     

热致液晶的结构与分类

液晶是一种凝聚态物质,它的特性与结构介于晶体与各向同性液体之间,实际上是有序流体,它具有各向异性的物理性质.有时又被称作中间相或介品相. 液晶具有一定的长程取向有序,其分子按某一从优方向排列,这是其物理性质各向异性的主要原因.然而,液晶又是平移无序或部分平移无序的,因而又具有某些类似液体的性质,它可以形成液滴和具有一定的流动性.由于平移对称性的不同,液晶形成各种不同的相. 各种类型的液晶相几乎填充了从各向同性液体到晶体之间在有序性上的所有空隙.例如,向列相很接近液体,然而某些近晶相却会具有三维结构.具有立方结构的近…     

晶体中原子排列的直接观察——电子显微技术的新成就

引言近年来电子显微技术的发展,为固体物理的研究开辟了一个新的途径,也为固体物理研究者提供了不少非常宝貴的資料。过去,人們对于晶体中原子排列的情况多借助X射綫、电子和中子衍射的方法进行研究。但是,这些方法有些不足之处。首先,它們推得原子排列的結果比較間接;其次它們所給出的完整品格中原子排列的結果比較清楚可靠,而     

X射线衍射的发现

简单介绍了埃瓦尔德(Ewald P P)、劳厄(von Laue M)和布拉格父子(Bragg W H及Bragg W L)在1912年发现X射线衍射方面的贡献．1911年埃瓦尔德在索末菲的指导下在慕尼黑大学从事博士论文研究，劳厄在与他的讨论中了解到晶格的平移周期与X射线的波长属于同一量级，因此想到在二维光栅的两个衍射方程组中再加一个类似的方程，就可以描述X射线在三维晶体中的衍射．在此假设的指导下，Friedrieh W和Knipping P在1912年4月开始用CuSO4后来用闪锌矿(立方ZnS)进行实验，很快就得到X射线衍射的证据．这不但证明了X射线的波动性，还确定了晶体的三维周期性．老布拉格在1912年夏得知这个消息，与他儿子小布拉格一道尝试用X射线的粒子性解释它，并由小布拉格在剑桥大学重复这个实验．根据衍射斑点的椭圆形状和从Pope与Below那里学到的晶格理论(由此得知ZnS具有面心立方晶格)，小布拉格将X射线在晶体中的衍射看作是X射线从一些晶格平面的反射，从而推导出著名的布拉格方程．布拉格父子开拓了X射线晶体结构分析这门新兴学科，从简单的无机化合物和矿物，逐渐发展到有机化合物和生物大分子．劳厄和布拉格父子分别强调慕尼黑和剑桥的优良科学环境对发现X射线衍射的重要性．鉴于埃瓦尔德在发现X射线衍射的作用及他后来在倒易格子及动力学衍射理论方面的贡献，不少晶体学家认为他也应获得诺贝尔物理奖．     

多晶体对X光衍射的模拟演示

单晶体是原子或离子在三维空间有规律地重复排列的晶体。多晶体由大量取向杂乱的微小单晶体组成。当单色X射线遇到多晶体时,所造成的衍射花样是一系列以原射线方向为轴的同轴圆锥。每一圆锥相当于从无序取向的小晶粒的同一系平面发出来的反射线。粉末照相法研究多晶物质的晶格常数,晶     

磁性X射线散射

当一束X射线射入晶体时,它被构成晶体的原子周围的电子电荷所散射.由这种电荷散射所产生的X射线衍射,是研究凝聚态物质结构的有力工具.然而,由于X射线是电磁波谱的一部分,它不仅受到电荷的散射,也与电子磁矩发生相互作用,产生磁散射.早在1929年,Klein和Nishian在研究Compton 散     

晶体点阵的直接观察

不久前英国学者门特尔用电子显微镜获得晶体点阵的照相,使人们直接看到晶体中原子平面的规则排列及共结构中的一些缺陷。晶体研究有重大的科学和实际意义。人们每天碰到的大多数材料(金属、合金、矿物)都具有晶体结构。很久前人们研究单个的大晶体时,就推想到晶体有规刖的外形是由于其内部结构的规律性所致,推知晶体中的分子或原子分布不是混乱的,而是形成三维窨点阵。这种概念原来只是一种假说,因为在应用X射线研究晶体以前,并没有关于晶体的原子结构的精确