准晶材料制备技术

准晶材料的制备整理：滕飞 2011-11-021以色列科学家丹尼尔-舍特曼 （Daniel Shechtman）因发现 准晶体而获得2011年诺贝尔 化学奖。

2准晶的概念准晶材料是介于周期结构与无序结构之间的一类 新发现的凝聚态，具有传统的晶体材料所不具备 的对称性，由于其结构的特殊性，例如它具有五 次和十次等特殊的对称性。

因此它具有许多优良 的机械性能、物理化学性能和光电磁性能。

准晶分类 ¾从热力学角度 热力学亚稳态准晶：在某个温度区间退火会变为晶体类似相 稳态准晶：热力学上是稳定的¾按结构可分为 一维准晶 二维准晶：八次、十次和十二次准晶 三维准晶：主要是二十面体3¾一维准晶：是由二维十面体准晶中的一个二次准周期轴（与十次轴正 交）变为二次周期轴而生成的，即一维准晶具有两个正交的周期方向 和一个与它们正交的准周期方向。

二维准晶：在一个平面上的两个方向上显示准周期性，而在其法线方 向呈现周期性。

二维准周期平面的特征可以用这个具有周期性的旋转 轴来表示，从而分为不同形态的二维准晶。

三维准晶：主要是二十面体，它指的是在空间中任何三个正交方向上 都呈现准周期性，而无任何周期性方向。

¾¾4准晶体的类型现在已在100多种金属合金体系中发现了准晶相，如已有报 导的准晶合金有基于Al、Cu、Mg、Ni、Ti、Zn、Zr等的 合金。

5影响准晶生长的因素™准晶形成过程大致可有4种基本情况：气体→准晶体、溶体(熔体)→准 晶体、晶体→准晶体、非晶→准晶体。

™™ ™ ™ ™影响准晶生长的因素合金成分，准晶只能在一定范围内形成； 合金成分 原子尺寸，主要元素的原子半径大小相近，以较小的原子为中心； 原子尺寸 电子结构，组元的电子结构与准晶的形成能力有内在联系； 电子结构 冷却速度，影响较大，冷却速度较大有利于准晶的形成，冷却速度过 冷却速度 高会导致过饱和固熔体先于准晶形成甚至出现非晶，因此冷去速度应 控制在一个适应的范围； 温度和压力，改变结构的束缚状态和结构熵， A1-Cu-Fe系合金，压力 温度和压力 增加有助于晶体等向准晶转变，增加压力可使冷却速度降低而保持效 果不变。

二维材料的制备及性质研究近年来，二维材料作为新型材料领域的热门话题受到广泛关注。

二维材料是指在一维纳米结构基础上，将各个方向的几何尺寸限定在纳米尺度级别的材料。

由于其出色的光电性能、力学性能、化学稳定性以及特殊的量子效应，二维材料受到了研究者的极大兴趣。

其中，二维准晶材料由于其具有特殊的物理和化学性质而受到了越来越多的关注。

二维材料的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法等。

在二维准晶材料的制备中，主要采用化学气相沉积法。

这种方法将前驱体（比如金属卤化物、金属有机物等）在加热后分解生成准晶结构的二维材料。

化学气相沉积法具有可控性好、生长速度快、产量高等优点，因此被广泛采用。

二维准晶材料的性质研究主要包括电学性质、力学性质、热学性质等。

其中，电学性质是二维准晶材料最为重要的性质之一。

高质量的二维准晶材料由于具有稳定的结构和独特的晶格结构，在电学性质方面具有潜在的优异性能。

除此之外，二维准晶材料还具有优异的力学性能和热学性能。

其中，力学性能是指材料在外部力作用下的表现，如弹性模量、硬度、韧性等。

在力学性能研究中，二维准晶材料表现出了出色的力学性能，如高柔韧性、高硬度和优异的体积纳米压缩性能。

热学性能是指材料在传热作用下的表现。

由于二维准晶材料具有特殊的内部结构，使得其在热学性能上表现出了优异性能。

比如高热导率、热扩散率，这些性质使这种材料在高温度环境下具有很好的应用前景。

近年来，二维准晶材料在新型电子器件中的应用受到了广泛关注。

比如，十字交错石墨烯的纳米器件可以用于纳米传感器、生物传感器等领域；同时，二维TiSSe材料由于具有优异的热电性能，还被广泛用于热电材料和热电转化器等领域。

总之，二维材料是当今材料科学研究的热门领域之一，二维准晶材料由于具有独特的物理和电学性质，目前正受到越来越多的关注。

研究人员一直在致力于寻找更好的制备方法和更好的性质研究方法，希望能够更好地实现二维准晶材料的可控制备和更加深入的应用研究。

结构特点性能应用制备法准晶概念随着材料技术的发展，出现了一类结构不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列新的原子聚集状态的固体，这种状态被称为准晶态，此固体称为准晶。

结构既不同于晶体，也不同于非晶态，原子分布不具有平移对称性，但仍有一定的规则，且呈长程的取向性有序分布，可认为是一种准周期性排列。

一位准晶：原子有二维是周期分布的，一维是准晶周期分布。

一维准晶模型————菲博纳奇（fibonacci）序列其序列以L→L+S S →L(L,S分别代表长短两段线段）的规律增长，若以L为起始项，则会发现学列中L可以成双或成单出现，而S只能成单出现，序列的任意项均为前两项之和，相邻的比值逐渐逼近i，当n →∞时，i=（1+√5）/2二维准晶：一种典型的准晶结构是三维空间的彭罗斯拼图(Penrose)。

二维空间的彭罗斯拼图由内角为36度、144度和72度、108度的两种菱形组成，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。

这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。

三维准晶：原子在三维上的都是准周期分布包括二十面体准晶，立方准晶。

性能准晶室温下表现为硬而脆，韧性较低，准晶材料密度低于其晶态时的密度，比热容比晶态大。

准晶大多由金属元素构成，由金属元素形成的晶体，他们的导电性是人所共知的，金属晶体这些导电性质相比，准晶体一般具有较大的电阻，当温度不太高是，准晶的电阻随温度的增加而减少，实验发现，准晶的导电性随样品质量的改善而降低。

其电阻率甚高，电阻温度系数甚小，电阻随温度的变化规律也各不相同。

应用准晶材料的性能特点是较高的硬度，低摩擦系数，不粘性，耐腐，耐热和耐磨等，但是准经材料的本质脆性大大限制了其应用，目前准经材料的应用主要作为表面改性材料或者作为增强相弥散分布与结构材料中，准经材料在表面改性材料中的应用将准晶材料以涂层，耐热，耐磨，低的摩察系数，耐腐，特殊的光学性能，从而改变材料表面的性质，优化整体材料的性能。

辽宁工程技术大学
材料科学最新进展
题目准晶、非晶、纳米晶、粗晶、液晶
的结构、性能、制备技术及应用指导教师吕宝臣博士
院（系、部）材料科学与工程学院
专业班级材料07-1班
学号0708010108
姓名关媛媛
日期2010年10月17日
教务处印制
目录
前言 (1)
1准晶 (2)
1.1准晶的结构 (2)
1.2准晶的性能 (2)
1.3准晶的制备技术 (2)
1.4准晶的应用 (3)
2非晶 (3)
2.1非晶的结构 (4)
2.2非晶的性能 (4)
2.3非晶的制备技术 (4)
2.4非晶的应用 (5)
3纳米晶 (6)
3.1纳米晶的结构 (6)
3.2纳米晶的性能 (6)
3.3纳米晶的制备技术 (7)
3.4纳米晶的应用 (7)
4粗晶 (8)
4.1粗晶的结构 (8)
4.2粗晶的性能 (8)
4.3粗晶的制备技术 (8)
4.4粗晶的应用 (9)
5液晶 (10)
5.1液晶的结构 (10)
5.2液晶的性能 (10)
5.3液晶的制备技术 (11)
5.4液晶的应用 (12)
致谢 (13)
参考文献 (14)。

高纯半导体原料及化合物制备技术
高纯半导体原料及化合物制备技术包括多种方法，以下是一些常见的技术：
1. 直拉法（Czochralski）：这是制备半导体单晶最常用的技术。

将经过提纯后的原料置于坩埚中，而坩埚则置于适当的热场中。

在加热过程中，原料在坩埚中逐渐熔化。

此后，提拉预先放置的籽晶，并以一定的速度旋转，进而生长出符合条件的单晶。

这种工艺的优点包括可以较快速度获得大直径的单晶；可采用“回熔”和“缩颈”工艺来控制成本和效率；可观察到晶体的生长情况，进而有效地控制晶体的生长。

2. 区熔法：将一个大的单晶锭切成小块，然后将这些小块晶体在一定温度下进行定向再熔化。

由于小块单晶锭的熔点较低，因此可以在较低的温度下实现单晶的定向生长。

这种方法的优点是制备得到的单晶纯度高、缺陷少，但是制备过程比较复杂，需要严格控制温度和熔化过程。

3. 化学气相沉积法（CVD）：通过化学反应的方式，在衬底表面生成一层单晶薄膜。

这种方法可以在大面积的衬底上制备单晶薄膜，并且可以通过控制反应条件来调控单晶薄膜的成分和性能。

但是这种方法需要较高的温度和较为复杂的反应条件，同时成本也较高。

4. 外延法：在已有的单晶衬底上生长一层与衬底晶体结构相同或不同的单晶层。

这种方法可以获得与衬底晶体结构相同或不同的单晶材料，并且可以通
过控制生长条件来调控单晶材料的性能。

但是这种方法需要严格控制生长条件，同时成本也较高。

这些方法各有优缺点，根据不同的应用需求选择合适的方法来制备高纯半导体原料及化合物。

准晶体的发现、研究及应用前景王一贺31200001701984年，舍特曼在美国霍普金斯大学工作时发现了准晶，其实自然界早已经有准晶体的踪影。

2009年，在意大利佛罗伦萨自然科学史博物馆的一块古老岩石中，意大利和美国科学家发现了天然准晶体化合物的“芳踪”，如图2所示，他们把这种由铝、铜和铁三元合金系组成的新矿物质命名为Icosahedrite(取自正二十面体)。

而这种天然准晶体似乎来自45亿年前的一块陨石，它可能是一种最古老的矿物质，形成于太阳系的诞生。

这种新的结构因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像非晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。

准晶体没有周期性，但具有准周期性。

准周期是指质点的排列具有长程有序，但不体现周期重复。

根据三维物理空间中材料呈现的维数，可以把准晶体分为三维准晶体、二维准晶体和一维准晶体。

准晶体的各项性质，取决于其本身的化学组成和内部结构。

一切准晶体的内部结构都共同遵循准晶体的空间准周期格子规律，并由此可以导出一切准晶体所共有的性质。

由于准晶体结构中缺陷极为普遍，准晶体颗粒又十分细小(微米级)，而且还具有一些向晶态、玻璃态过渡的现象，因此准晶体的性质常常偏离理想状态。

理论上的准晶体应有下述一些性质：均一性、各向异性、对称性、自限性、最小内能性、稳定性。

准晶体的性能主要包含以下三方面内容。

第一，导电性能。

与金属的导电性质相比，准晶体显示出一种迥然不同的性质。

准晶体一般有比较大的电阻。

当温度不太高时，准晶体的电阻随温度的增加而减少。

准晶体的电阻与其组分浓度有关。

实验发现，准晶体的导电性能随样品质量的改善反而降低。

准晶体异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响。

第二，磁性能。

对高电阻的准晶的磁阻，当温度不高时，准晶体磁致电阻情况很复杂，但若温度大于100K时，磁阻将随外场的增加而减少。

这时的Kohler规律不在适用。

一种准晶的制备方法
准晶是一种介于晶体与非晶体之间的结构状态，具有独特的物理性质和多种应用价值。

制备准晶的方法有很多种，其中一种常用的方法是凝聚态合金淬冷法。

该方法是利用快速冷却的方式，将多种元素制成混合物，熔化后迅速冷却，使其形成准晶结构。

这种淬冷合金的制备方法，一般需要选择化学反应活性较大的元素，以提高快速形成非晶态的能力。

具体的操作流程可以概括为以下几步：
1. 选取化学活性相近的元素
2. 按照一定的化学配比将元素混合
3. 将混合的元素加热到高温熔化
4. 迅速冷却，使其形成非晶态
5. 对非晶态材料进行热处理，使其形成准晶
其中，第四步的迅速冷却过程是关键，需要使用高速冷却设备，如淬火设备、喷水冷却装置等，保证混合物能够在极短时间内迅速冷却至非晶态。

此外，凝聚态合金淬冷法在制备准晶材料方面，还常常结合塑性变形、表面机械处理等方法，进一步改善材料的晶格结构，提高其性能和应用价值。