结晶学基本原理及晶体设计

光子晶体

2.1光子晶体的基本原理

大家都知道，许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式，其中有一个高度一致的内部规则，即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样，这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质，不同的是电子是在普通晶体中传输，而光子是在光子晶体中传输，然后在半导体的基础上发展起来的。

另外，晶体的原子是周期性的，有序排列的，由于这个周期势场，电子的运动收到周期性布拉格散射效应，从而形成一个能带结构，带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中，就不能继续传播。事实上，无论什么电磁波，只要受到周期性调制，就会产生一个能带结构，也有可能出现带隙。

简而言之，由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生，而能带控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中运动。同样的，在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。

2.2光子晶体的制备

人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究，在此后的时间里，关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展，已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。

从光子晶体的维数上看，光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。

测量原理: 通过测量芯片的频率变化测量镀上材料的质量。

石英晶体的频率飘移与附加上的质量的关系： 附加上的质量增加，振荡频率降低。

晶体振荡频率受下列条件影响：

沉积在芯片上的质量

芯片的温度变化

材料的应力

材料的附着性

质量可通过频率精确测量

质量 = 密度 X 面积 X 厚度

密度的准确性是影响厚度计算误差的原因之一

密度条件：

镀膜速度

材料结构

合金比例

成膜温度

应力影响

温度影响：

晶片的最佳工作温度：25-60度

最重要的是保证镀膜过程中的温度稳定

目前世界主流的QCM仪器厂家：Q-SENSE(Omega auto, E1, E4, 最贵，用户也最多), SRS（QCM200, 第二受欢迎，仪器价格低很多）,SII（QCM934, 日本人的，国内用的少，品质不会差），另外国产的是CHI（价格便宜，用户反馈一般）.

做QCM仪器的最关键部件QCM芯片，因为各个仪器配套芯片不能通用，目前主要还是由各仪器厂家配套，国外专业的芯片厂家很少，国内的大概10年前起步，因为市场小，参与的企业不多，代工起家的深圳仁路晶体算是开始较早较专业的厂家。

主要应用：

Applications

Immunosensors

Sorption sensors

Moisture analyzers

Particulate monitors

Contamination monitors

Electrovalency measurements

Hydrogen absorption on metal films

Bubble formation

Redox and conductive polymer research

Double-layer characterization

Corrosion studies

Surface oxidation

DNA and RNA hybridization studies Antigen-antibody reactions

中文名：结晶学 英文名：crystallography

这门科学进一步形成晶体生成学、 几何结晶学、 晶体结构学、 晶体化学、 晶体物理学及数学结晶学等分支。结晶学阐明 晶体各个方面的性质和规律，可用来指导对晶体的利用和人工培养。

研究晶体的外部形貌、化学组成、内部结构、物理性质、生成和变化，以及它们相互间关系的一门科学。

早期只是作为 矿物学的一个分支，其研究对象亦局限于天然的矿物晶体。19世纪，研究范围逐步扩大到矿物以外的各种晶体，结晶学才逐渐脱离矿物学而成为一门独立的学科。

现代结晶学主要包括以下几分支：

（1）晶体生成学（crystallogeny）：研究天然及 人工晶体的发生、成长和变化的过程与机理，以及控制和影响它们的因素。

（2）几何结晶学（gometrical crystallography）：研究晶体外表几何面体的形状及其间的规律性。

（3） 晶体结构学（crystallology）：研究晶体内部结构中质点排而的规律性，以及晶体结构的不完善性。

（4）晶体化学（crystallochemistry, 亦称结晶化学）：研究晶体的化学组成与晶体结构以及晶体的物理、化学性质间关系的规律性。

（5）晶体物理学（crystallophysics）：研究晶体的各项 物理性质及其产生的机理。

在 X射线衍射晶体学提出之前，人们对晶体的研究主要集中于晶体的 点阵几何上，包括测量各 晶面相对于理论参考坐标系（晶体坐标轴）的夹角，以及建立晶体点阵的对称关系等等。夹角的测量用 测角仪完成。每个晶面在三维空间中的位置用它们在一个立体球面坐标“网”上的投影点（一般称为投影“ 极”）表示。坐标网的又根据不同取法分为Wolff网和Lambert网。将一个晶体的各个晶面对应的极点在坐标网上画出，并标出晶面相应的 密勒指数（Miller

Indices），最终便可确定晶体的对称性关系。

现代晶体学研究主要通过分析晶体对各种电磁波束或粒子束的

结晶学基本原理及晶体设计

结晶学是研究晶体结构和形成的科学领域。晶体是由具有周期性排列的原子、分子或离子组成的固体材料，其结构决定了其性质和用途。本文将介绍结晶学的基本原理，并探讨晶体设计的重要性和方法。

一、结晶学基本原理

1. 晶体结构

晶体的结构是由原子、分子或离子在空间中有序排列而成的。晶体结构由晶胞和晶格组成，晶体的特性取决于这些结构的类型和排列方式。

2. 晶胞

晶胞是晶体的最小重复单元，其具有特定的对称性。晶胞由晶格点和晶格参数构成，晶格点表示晶体中的原子、分子或离子的位置，晶格参数则描述了晶胞的形状和尺寸。

3. 晶格

晶格是由一系列平行的面、直线和点构成的空间网络。晶格的对称性决定了晶体的物理性质。常见的晶格包括立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系和六方晶系。

4. 结构因素

结构因素是描述晶体中原子、分子或离子的位置和相对强度的参数。结构因素包括晶胞的空间群、晶体的布拉格方程和衍射等。 二、晶体设计的重要性

1. 新材料的开发

通过晶体设计，可以合理选择和排列原子、分子或离子，从而创造出具有特定性质和功能的新材料。晶体设计在材料科学领域具有重要的应用价值，可以用于开发新的光电材料、催化剂、电池材料等。

2. 理解晶体性质

晶体的结构决定了其物理和化学性质。通过晶体设计，可以深入研究晶体结构与性质之间的关系，进一步理解晶体的行为和特性。

3. 提高材料性能

通过晶体设计，可以调控晶体的结构和形态，从而改善材料的性能。例如，通过控制晶体的晶向、晶面和表面形貌，可以提高材料的强度、导电性和热稳定性。

三、晶体设计方法

1. 理论计算

利用密度泛函理论、分子模拟等计算方法，可以预测和优化晶体结构。通过计算机模拟，可以提前设计出具有特定性质的晶体结构。

2. 条件控制

控制结晶条件可以调节晶体的形态和尺寸。例如，调节溶液的浓度、温度和搅拌速度等条件，可以影响晶体的生长速率和晶体的外形。 3. 添加剂调控