第6章 晶体材料的制备

晶体材料制备晶体材料制备是指通过一系列化学、物理、热学等方法，将物质由无序状态转变为有序排列的晶体结构，从而获得具有特定功能和性质的材料。

晶体材料的制备过程需要考虑多个方面的因素，如材料选择、晶体生长方法、晶体生长条件等。

本文将对晶体材料制备的基本原理和常见方法进行探讨。

一、晶体材料的选择晶体材料可以分为有机晶体材料和无机晶体材料两大类。

有机晶体材料包括有机分子晶体和有机高分子晶体，无机晶体材料包括无机溶液晶体和无机固体晶体。

在进行晶体材料制备时，需要根据具体应用需求选择不同的材料。

二、晶体生长方法晶体生长方法可以分为溶液法、气相法和熔融法等多种。

其中，溶液法是最常用的晶体生长方法之一。

1.溶液法：溶液法是通过在溶液中使溶质达到过饱和状态，然后通过温度变化、溶剂挥发等方法促使溶质从溶液中析出来形成晶体。

这是一种简单易行的晶体生长方法，适用于多种晶体材料的制备。

2.气相法：气相法是指将物质的气相逐渐降低温度，使其在固态下凝结成晶体。

常见的气相法包括气相输运法、凝结法和附加剂法等。

气相法适用于高熔点或易挥发物质的晶体制备。

3.熔融法：熔融法是通过将材料加热至熔点以上，使其熔化成液态，然后缓慢冷却使其形成晶体。

熔融法适用于高熔点材料的制备。

三、晶体生长条件晶体的生长受到温度、压力、溶液浓度、晶种种类等因素的影响。

在晶体材料制备过程中，需要控制这些因素以达到理想的晶体生长条件。

1.温度：温度是晶体生长的重要参数之一，过高或过低的温度都会影响晶体的生长速率和晶体质量。

通常需要通过试验确定最佳的生长温度。

2.压力：压力会影响晶体生长过程中的物质输运和晶体结构的稳定性。

在晶体的生长过程中，需要控制合适的压力以获得高质量的晶体。

3.溶液浓度：溶液浓度影响溶质在溶液中的过饱和度，从而影响晶体生长速率和晶体的形态、尺寸等。

通过调节溶液浓度，可以控制晶体的形貌和晶体生长速率。

四、晶体材料制备的应用领域晶体材料制备广泛应用于光电子器件、传感器、催化剂、生物医学等领域。

如何制备晶体晶体制备是一项涉及材料科学、化学、物理等多个领域的技术。

在自然界中，晶体生长通常需要经历一个漫长的过程。

然而，通过实验室方法，我们可以控制条件，加速晶体的生长。

以下是制备晶体的一种常用方法：1.选择合适的原料：根据所需的晶体材料，选择相应的化学物质作为原料。

例如，制备硫酸铜晶体时，需要使用硫酸和铜屑作为原料。

2.配制溶液：将原料加入适量的溶剂中，搅拌均匀，使其充分溶解。

例如，在制备硫酸铜溶液时，将硫酸和铜屑加入水中，搅拌均匀。

3.溶液结晶：将溶液缓慢加热，使其逐渐蒸发。

在此过程中，溶液中的溶质会逐渐析出，形成晶体。

当溶液达到饱和状态时，晶体生长速度最大。

此时，需要控制溶液的温度和蒸发速度，以保证晶体质量。

4.收集晶体：当晶体生长到所需尺寸时，需及时将其收集起来。

可以使用过滤纸、漏斗等工具进行分离。

此外，还可以通过改变溶液的pH值、添加抑制剂等方法，控制晶体的生长速度和形状。

5.洗涤和干燥：收集到的晶体可能含有杂质，需要用适当的溶剂进行洗涤。

随后，将晶体放置在通风处或真空干燥器中，使其逐渐干燥。

6.晶体表征：使用X射线衍射、红外光谱等表征手段，对晶体进行结构分析。

这有助于了解晶体的生长过程和性能特点。

此外，还有其他晶体制备方法，如水热法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等。

不同方法有各自的特点和适用范围，需根据实际需求选择合适的方法。

总之，晶体制备是一项重要的技术，广泛应用于材料科学、化学、生物学等领域。

通过掌握晶体生长原理和实验室操作技巧，我们可以制备出具有特定性能的晶体材料。

在未来，随着科学技术的不断发展，晶体制备技术将不断完善，为人类创造更多奇迹。

水热合成方法的简介1．概述水热合成是指温度为100～1000 ℃、压力为1MPa～1GPa 条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。

在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。

又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。

一系列温和与高温高压水热反应的开拓及其在此基础上开发出来的水热合成路线,已成为目前获取多数无机功能材料和特种组成与结构的无机化合物的重要途径。

在水热合成体系中,已开发出多种新的合成路线与新的合成方法,如直接法、籽晶法、导向剂法、模板剂法、络合剂法、有机溶剂法、微波法以及高温高压合成技术等。

包括水热合成在内的无机合成化学,近期在凝聚态物理领域的某些强关联体系做出了重要的贡献。

目前的强关联无机固体的研究孕育着新概念、新理论和新材料。

具有特殊光、电、磁性质及催化性能的无机材料合成、制备与组装以及结构与性能之间关系研究的突破,导致新物种和新材料的出现,甚至会带动新的产业革命。

新型无机化合物及功能材料的大量开发,主要依赖于新的合成途径、合成技术与相关理论的发展。

针对国际上目前在无机材料的合成与制备研究方面的前沿动态,我们提出并发展了先进材料水热合成路线,深入广泛地探讨不同类型具特殊光、电、磁、催化功能的无机材料的合成与制备技术,系统地研究它们的形成规律和反应机制以及它们的结构、组成、性能及彼此之间的关系。

我们应用变化繁多的水热合成技术和技巧,制备出了具有光、电、磁性质的包括萤石、钙钛矿、白钨矿、尖晶石和焦绿石等主要结构类型的复合氧化物。

该系列复合氧化物的成功水热合成,替代及弥补了目前大量无机功能材料需要高温固相反应条件的不足。

目前温和水热合成技术,结合变化繁多的合成方法和技巧,已经获得了几乎所有重要的光、电、磁功能复合氧化物和复合氟化物。

如双掺杂二氧化铈固体电解质、巨磁阻材料以及铋系超导材料。

晶体的制备是化学中常见的一种盐，即人们常说的食盐，它的溶解度大，一般情况在20℃约为另外它的溶解度随温度的升高而变化不大。

论文关键词：晶核,晶芽,枝晶,非匀质成核,蒸发溶剂1问题的提出：NaCl晶体是化学中常见的一种盐，即人们常说的食盐，它的溶解度较大，一般情况在20℃约为36克，另外它的溶解度随温度的升高而变化不大。

NaCl晶体是无色透明，形状为正八面体或四面体，熔点高、硬度大、沸点高、挥发性低；在低温饱和溶液（从室温到75℃左右）中能够生长成大的单晶体，如果在盛有NaCl 饱和溶液的烧杯中放置一个完整晶体，将会在烧杯底部生长出沉底晶体；与悬挂法制备的晶体在形状上有明显的差别。

沉底晶体由于受空间的限制它将从单一方向进行生长，而用悬挂法制备晶体不存在这一问题。

NaCl晶体要在烧杯中正常生长除了生长空间这一因素的影响外。

它还受哪些因素的影响呢？沉底晶体或悬挂晶体又会不会长大呢？于是我通过设计实验带着这两点疑问对此进行探究。

2研究目的：2.1、通过实验观察NaCl晶体生长状况和形状大小以及规格；2.2、探究影响NaCl晶体生长的因素和适宜NaCl晶体结晶的条件。

3晶体结晶的原理概述：3.1、晶体生长的基本理论。

3.1.1、晶体结晶就如同冰晶的形成，要具有一定的凝结核，成核是一个相变过程，即在母液相中形成固相小晶芽，若体系中的空间各点出现小晶芽的概率相同则在晶核形成的涨落过程中不考虑外来杂质或基底空间的影响，这种过程称为匀质成核，但盐、糖等单晶生长属于非匀质成核。

非匀质成核是在相界表面上，如在外来质点、容器壁以及原有晶体表面上形成晶核。

在这一体系中空间各点成核的概率不同。

3.1.2、晶体与溶液的界面应相对稳定。

界面粗糙度越大，生长速率就越大，越易形成枝晶；而当界面粗糙度越小时，生长速率就越小，形成的光滑的晶面。

要这一界面相对稳定一般采用以下两种方法：ⅰ、控制温度：在结晶界面处的温度应等于固-----液相变点处的温度，于是控制液体的温度在界面温度以上；ⅱ、控制浓度：晶体生长过程中溶液的浓度会逐渐变稀，所以应始终保持溶液浓度恒定，即保证晶体界面稳定。

2. 熔体法生长将按照设计成分配制的原料加热使之熔融， 获得具有一定过热度的均匀熔体。

然后在受控条 件下，通过引入籽晶、降温或移动加热器等手段 进行非均匀冷却，使熔体以一定的冷却方式和结 晶顺序逐渐凝固成单晶体。

熔体法晶体生长方法中应用最为广泛的是提 拉法和下降法，以及由此演化出的其他控制形式。

特点：♣ 驱动力场分布不均匀，在某一方向上呈现强制生长驱动力；♣ 不同类型晶面上的生长驱动力必然不同；（小面生长）♣ 驱动力为过冷度，热量输运是限制生长的主要输运过程；♣ 生长速度的各向异性无法充分体现出来。

（1）提拉法 （Czochralski 法）是熔体法中应用最为广泛的一种生长 方法。

为了适应具有不同物理化学性质材 料的晶体生长，Cz法晶体生长技术和设备 得到了持续的不断发展，衍生出多种多样 的控制方法和技术。

已广泛应用于半导体材料、氧化物以 及氟化物等二元及多元晶体材料的晶体生 长。

后热器 石英桶 加热器熔体 保温材料坩埚籽晶定位 装料升温化料过热处理 下籽晶热处理出炉降温 等径生长回熔、洗晶 提拉放肩 提拉提拉法晶体生长流程定向籽晶和独特工艺ⅰ) 选籽晶籽晶实际上就是提供了一个晶体继续 生长的中心，其选材的好坏，对晶体的 质量影响极大。

籽晶应无位错、无应力、 无嵌镶结构且没有切割损伤等。

„ 决定晶面的生长机制 „ 影响生长工艺参数 „ 决定晶体的物理性质 „ 影响晶体的质量籽晶培养切割好的籽晶 籽晶杆ⅱ）回熔（洗晶）工艺不仅能清除籽晶表面 的杂质和缺陷，更重要的 是可保证熔体与籽晶接触 部分凝固时，其原子排列 由于受到籽晶中原子规则 排列的引导而按同样的规 则排列起来，很好地保持 籽晶的晶体取向。

籽 晶熔体ⅲ）缩颈与放肩位错是一种非常多见的结构 缺陷，对晶体的力学性能和物理 性质均有很大影响。

位错的基本 性质之一是位错线不能终止在单 晶体的内部，只能终止在晶界或 晶体的表面。

Dash缩颈可最大限 度地减少位错和嵌镶结构等缺 陷，提高晶体的完整性。

如何在家制作简单晶体
首先准备100克明矾的结晶体或者粉末，12克的硫酸铬钾，将以上原料混合后，用400ml的开水溶解在烧杯中，然后自然冷却静置数天。

几天后把烧杯溶液倒出，你会发现在烧杯的底部有一些晶体形成。

一、准备材料
1.100克明矾的结晶体或者粉末。

2.12克的硫酸铬钾，作用是控制颜色。

二、制作晶体的种子
1.将以上原料混合后，用400ml的开水溶解在烧杯中，然后自然冷却静置数天。

注意水的温度要高于9
2.5摄氏度，也就是水烧开后马上倒入。

2.几天后把烧杯溶液倒出，你会发现在烧杯的底部有一些晶体形成。

3.然后把这些晶体取出放在干净的容器内，从中挑出较大的晶体作为种子。

三、让晶体开始生长
1.把刚才倒出的溶液用滤纸过滤后倒回烧杯中，因为要制作出纯净和表面光滑的矿物晶体，溶液中的微型结晶必须过滤掉。

2.用透明的鱼线把刚刚挑出晶体种子绑好，准备一个纸板和小棍，把绑好的晶体悬挂在烧杯中央部位，注意上下左右都要保持距离。

3.等待一段时间后，烧杯里的水分蒸发，烧杯里溶液的浓度开始改变。

4.这时候可以取出底部一些晶体，用于后面晶体的制作。

5.将晶体种子重新放入过滤过的溶液后，静置数天，可以看到晶体比之前放进去长大了好多，而且还长了另外两颗小的晶体，形状也变成八面体了；保持隔几天就过滤一次的习惯，这样你做的矿物晶体会更漂亮。

6.用钳子把两个小晶体夹碎，目的是不影响大块晶体的生长；如果溶液因过滤的次数太多而导致浓度下降太多，就需要配置新的溶液。

7.两个月后，晶体变的大多了，取出后用干净的纸巾擦干，一个人造矿物晶体就这么制作好啦！。

晶体材料制备技术主要知识点:♣ 晶体材料的制备合成技术 ♣ 提拉法生长技术新进展 ♣ 关于晶体的生长形态§1 晶体材料的人工合成--历史发展之必然金刚石晶体结构六方硫化锌（纤锌矿）结构氯化钠晶体结构钛酸钡晶体结构电力热光磁声物性的交互作用与相互转换光功能晶体人 工 晶 体 材 料半导体晶体 热释电晶体压电晶体 其 他超硬晶体功 能 材 料光电子时代的物质基础 “晶体生长工作者送给物理学家的最好礼物”光功能晶体---与光现象相关联的无机晶体 在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利 用材料本身光学性质（如折射率、感应电极化或非线性 效应等）发生变化的原理，实现对入射光信号的获取、 调制、传输、显示、能量或频率转换、受激发射等目的 的无机晶体之总称。

光学晶体 声光晶体 激光晶体电光晶体 磁光晶体 非线性晶体光折变晶体 闪烁晶体部分 分光 光功 功能 能晶 晶体 体 部氟化镁晶体（光学）氟化钡晶体 （闪烁 ）KTP晶体 （非线性）钒酸钇晶体(双折射)KDP晶体 （电光） 铌酸锶钡晶体（光折变）掺钕三硼酸钙氧钇 （激光）问题提出随着科技进步和社会发展，人们对于功能晶 体需求的数量和品种越来越大，对性能要求也越 来越高，自然界中出产的各种天然晶体已远远不 能满足人们的要求： • 天然晶体作为地球亿万年来逐渐积累的自然资 源，其储量是有限的。

• 由于自然条件的自发性，天然晶体不可避免有 较多的各种缺陷，其纯净度和单晶性也远不能和 人工晶体相比。

• 由于地球在演化过程中条件属于自然条件，不 可能生长出那些只有极端条件下才能生长的晶体。

人工晶体的优势„具有较高的完整性，包括结构完整性和 组成完整性等； 具有可控的生长规律和生长习性； 在适当的环境和设备条件下，可合成出 具有较高实用价值或满足特定需要的晶 体，包括自然界不存在的晶体品种。

„„人工晶体发展趋势晶体材料功能：小型化、智能化、集成化与多功能化 晶体材料制备：大规模、高质量、低成本人工晶体的“全方位”发展体 面 线 点 （体单晶） （薄膜单晶） （单晶纤维、晶须） （纳米晶）◆ 不仅研究晶态而且还涉及非晶态材料； ◆ 不仅研究体单晶而且还涉及薄膜晶体和纳米晶； ◆ 不仅研究通常的晶格而且还涉及超晶格材料； ◆ 不仅研究单一功能材料而且还涉及多功能材料； ◆ 不仅研究体性质而且还涉及表面性质及其他； ◆ 不仅研究无机而且还涉及有机材料等；中国站在国际晶体科学的前列！在人工晶体的生长技术和理论研究中，中国一直站在国际晶体科学的前列，从BGO、KTP、LGS、LiNbO3:MG 到BBO、LBO、CBO、GdCOB、YCOB、KBBF 等晶体，中国都做出了突出的、不可替代的贡献。

晶体的制备方法厦门大学附属实验中学组长：高一（7）班艾宇旸组员：高一（3）班方鸿浩指导老师：张高豪引言：对结晶操作的要求是制取纯净而又有一定粒度分布的晶体。

溶质从溶液中析出的过程，可分为晶核生成（成核）和晶体生长两个阶段，两个阶段的推动力都是溶液的过饱和度（结晶溶液中溶质的浓度超过其饱和溶解度之值）。

一般来说，晶体的形成有几种方法：⑴恒温蒸发，减少溶剂。

⑵降低温度，或改变溶剂的组成，以降低溶质在溶剂中的溶解度。

⑶在饱和溶液中通过化学反应使溶质增加，并以结晶形式析出。

若要制取单晶，则工序更加复杂。

但中学教材中除了在《实验化学》中介绍了冷却结晶外，其它方法均未详细介绍，实为遗憾。

制备晶体在实际操作中却有许多不易之处，更有不少细节与问题需要注意和探究。

为了深入了解晶体的有关知识，弥补此方面资料较少的遗憾，也为提高探究能力，本次研究性学习将通过实验，探究晶体的制备方法。

实验目的：探究用①蒸发结晶②冷却结晶③直接反应结晶④混合溶剂结晶⑤微调法结晶（制难溶物结晶）五种方法制得结晶。

实验用品：铁架台、漏斗、烧杯、广口瓶、玻璃棒、滤纸、三脚架、细丝、吸管、过硫酸铵、硫酸亚铁、硫酸铵、酒精、水（以十二水合硫酸铁铵、六水合硫酸亚铁铵为例，以下简称硫酸铁铵、硫酸亚铁铵）。

一、蒸发结晶此法的原理是恒温蒸发溶剂，使结晶析出。

为析出粒度大小合适的晶体，需先培养出晶核，再进一步培养使晶体长大。

若无晶核，既不能用悬挂法结晶（见下），放置法析出的晶体大小也会受限。

这是我们在多次实验中总结出的经验。

1、配置热饱和溶液取合适烧杯数个（容量依欲制的晶体量而定，一般100mL~250mL即可），计算药品量并称取相应药品。

由于市售无水硫酸铁溶解很慢，我们使用了过硫酸铵与七水合硫酸亚铁反应来制取硫酸铁铵。

称量（NH4）2S2O8 11.5克，FeSO4·7H2O 27.8克，混合。

反应方程式：（NH 4）2S 2O 8+2FeSO 4·7H 2O+10H 2O ==== 2NH 4Fe(SO 4)2·12H 2O加入少量水，溶液变为浑浊（Fe 3+水解）的棕黄色。

新材料的晶体生长与制备近年来，新材料的研究成为各国科学家争相研究的热门课题。

其中，新材料的晶体生长与制备是关键的环节之一。

本文将从晶体生长的基本原理、新材料的制备方法以及实验室中的实际操作等方面进行探讨。

一、晶体生长的基本原理晶体是由单一的、有序的、周期性的结构单元组成，并呈现出特定形状的固体物质。

在晶体生长过程中，原料分子可以进入晶体结构的空位或间隙中，从而扩大晶体尺寸。

晶体生长过程的速率受到许多因素的影响，包括溶液浓度、温度、气压等。

一种晶体可以采用不同的方法进行生长，例如下面将要介绍的几种新材料的制备方法。

二、新材料的制备方法1. 化学气相沉积（CVD）CVD是一种将气态前体分解成固体或液体纯相材料的方法。

典型的CVD过程是在高温下，将气态前体通过化学反应转化成均匀的薄膜。

这种方法通常用于生产光伏电池、集成电路、纳米材料等。

2. 溶胶-凝胶制备法（sol-gel）Sol-gel是一种化学反应制备材料的方法，通常使用无机和有机化合物以及水作为反应物，反应同时伴随着溶胶转化为凝胶的过程。

这种方法可用于制备氧化物、硅酸盐等材料。

3. 毛细管静压法毛细管静压法是一种简单的、低成本的制备纳米材料的方法。

该方法通常使用高分子外套管来控制晶核的位置和大小，并通过改变压力来控制晶体的生长速率。

毛细管静压法可用于制备纳米线、纳米管等材料。

三、实验室中的实际操作在实验室中，新材料的晶体生长与制备是一个重要的实验项目。

下面将介绍实验室中几种常用的晶体生长方法：1. 水热法水热法是一种低温原位合成方法，通过在高压、高温、水溶液中使反应物重新组合生成新材料。

该方法可用于制备氧化物、硫化物等材料。

2. 电化学沉积法电化学沉积法是一种将已经在水中溶解的离子通过电极还原生成单质的方法。

这种方法简单易行，通常用于制备金属、合金等材料。

3. 溶液法溶液法是一种通过将化学反应物溶解于溶剂中，在适当条件下使其反应生成新材料的方法。