晶体
晶体（crystal），又称结晶质体，是由于原子（离子或分子）间相互作用，粒子在空间按照一定方式排列，结合成具有三维周期结构的固体。因此晶体的唯一特征是其内部原子排列的周期性。
晶体是在物相转变的情况下形成的。一般物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。
晶体的周期性可以数学抽象为奥古斯特·布拉菲格子（晶格），晶体中每个原子位于布拉菲格子的格点上。根据32种点群对布拉菲格子的要求，布拉菲格子可以分为7类，称为七大晶系。分别是单斜晶系、三斜晶系、正交、立方、三角（方）、四方、六角（方）晶系。晶体可分单晶和多晶体；晶体还可根据内部原子间结合方式的差异分为4种类型：离子晶体、分子晶体、金属晶体和原子晶体。
由于天然晶体受来源及质量一致性等问题的制约，人工合成晶体获得了广泛应用。例如压电晶体在高性能电容器、医用超声和水声换能器、红外探测器等方面具有广泛的应用；声光晶体适用于激光的偏振和调制。
早期的晶体学研究就是从晶面之间夹角的测量开始的，1669年人们已发现了晶体具有恒定面角的规律。在18世纪，生产和科学的发展，提出了对晶体的成分和结构进行研究的要求，到19世纪，在研究冶炼方法和冶炼过程时，开始研究金属的微观结构，曾用显微镜观察经化学药品腐蚀的金属表面。
名称来源
古希腊人根据冰和水晶有相似的颜色和透光性，曾误认为水晶是“硬化了的冰”，而将水晶取名为晶体，它是具有规则几何多面体形态的石英。后来这一名词的应用范围扩大了，通常把凡是自然产出，并具有一定几何形态的固体都称为晶体。
历史
18-19世纪
早期的晶体学研究就是从晶面之间夹角的测量开始的，1669年人们已发现了晶体具有恒定面角的规律。在18世纪，生产和科学的发展，提出了对晶体的成分和结构进行研究的要求。到19世纪，在研究冶炼方法和冶炼过程时，开始研究金属的微观结构，曾用显微镜观察经化学药品腐蚀的金属表面。对各种矿物的鉴定和分析也推动了对晶体结构的进一步了解。1801年名著《矿物学论》提出将晶体外形与内部结构联系起来的新思想。1830年J.F.C.赫塞尔分析了晶面的各种对称性，得到晶体有32种可能的晶类（即点群）。1848年A.奥古斯特·布拉菲求得14种可能的空间点阵，并分成7个晶系。1860年曾有人设想晶体是由原子规则排列而成的。1890年E.C.费奥多罗夫和1891年A.M.熊夫利各自独立导出所有230种可能的空间群。他们共同奠定了几何晶体学的理论基础。19世纪末F.E.诺埃曼和他的学生W.佛克脱发现晶体的对称性与其物理性质各向异性之间的关系。
20-21世纪
20世纪晶体原子结构分析的发展，量子力学问世，晶体物性的研究深入到微观层次，开创了晶体对称性对电子量子态、格波本征态的限制及对称性对微观物理过程选择的影响和宏观物性的制约的研究。1912年德国物理学家M.劳厄利用x射线衍射现象，首次确切证实了晶体内部粒子有规则排列的假设。50年代B.N.布罗克豪斯发明三轴中子谱仪，利用中子非弹性散射来测量格波的频率色散关系。1946年A.V.舒布尼科夫引入色对称元素，1955年N.V.别洛夫和B.陶格尔导出122种可能的点群和1651种可能的空间群。其中一部分可用于说明磁有序晶体的对称性。到了20世纪70～80年代已发展出高分辨率电子显微镜，可直接观察晶体结构周期性的点阵像。20世纪80年代G.宾尼希和H.罗雷尔发明的扫描隧道显微镜，可直接在实空间观测晶体原子表面结构。21世纪前后，开始致力于探索从原子、分子微观向宏观晶体之间过渡区域的物态和相关现象，开辟了介观固体和纳米固体的领域。
主要特性
周期性
内部原子的排列没有周期性的固体为非晶体。内部原子排列失去周期性但有准周期性的固体为准晶体。因此晶体的唯一特征是其内部原子排列的周期性。晶体的周期性通常用原胞和晶格基矢来描述。基于晶体内部结构的周期性，可划分出一个个大小和形状完全相同的平行六面体作为基本重复单元，该基本重复单元称为原胞。整块晶体就是原胞在三维空间排列堆砌而成的固体，原胞代表了晶体的最小周期单元。晶格基矢是指原胞的边向量，可用于表述各原子的坐标。
自范性
晶体物质在适当的结晶条件下，能自发地生长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，呈现出凸多面体外形。这一特征称为晶体的自范性。
均匀性和各向异性
均匀性和各向异性：均匀性是指晶体的各个部位表现出的各种宏观性质是完全相同的。各向异性是指从不同方向上看，晶体内沿不同方向上的性质又有所差异。
对称性
描述一个物体的对称性时，通常的方式是指出它所包含的对称元素。一种对称元素对应一种对称操作。当物体绕某一转轴转动以及它的整数倍而保持不变时，把该轴称为物体的次旋转轴。在此基础上附加一个中心反演操作依然不变时，把该轴称为次旋转反演轴。旋转轴和旋转反演轴可以统称为对称元素。晶体中只存在1次、2次、3次、4次、6次旋转轴，以及对应的旋转反演轴共10种对称元素。不可能存在5次、7次等对称元素。若干个对称元素组合起来的对称操作称为对称操作群，也称为点群。晶体在平移一个奥古斯特·布拉菲格子的晶格向量后与自身重合的性质称为平移对称性。平移对称性是晶体结构的基本对称性。不同平移操作的集合称为平移群。平移群和上述点群等构成的晶格所有对称操作的集合称为空间群。晶体中共包含230种空间群，其中包括73种点空间群。
物理特性
由于晶体内粒子这种有规则的周期性的排列，使晶体结构具有远程有序性，从而决定了晶体具有几个重要的宏观性质：①具有一定的有规则的外形，服从晶面角守恒定律。例如方解石a、b、c面间的夹角不是78°5′就是101°55′。把一块大的方解石晶体打碎后得到的小晶体的晶面角仍然如此。②各向异性，即在各不同方向上具有不同的物理性质。例如力学性质（硬度、弹性模量等）、热学性质（导热系数、热膨胀系数等）、光学性质（折射率、吸收系数等）、电学性质（电阻率、介电常数等）都具有各向异性的特征。比如云母的结晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂开，却很难在薄片上裂开；石墨加热时，沿某些方向膨胀，而沿另一些方向则收缩。③有一定的熔点。例如对冰、锡等晶体加热时，其温度将不断升高，到达某一温度时，晶体逐渐熔化为液体，熔化过程中温度保持不变，完全变为液体后，温度才继续升高。
结构特征
晶体的周期性可以数学抽象为奥古斯特·布拉菲格子（晶格），晶体中每个原子位于布拉菲格子的格点上。根据32种点群对布拉菲格子的要求，布拉菲格子可以分为7类，称为七大晶系。分别是单斜晶系、三斜晶系、正交、立方、三角（方）、四方、六角（方）晶系。由于格点分布的不同，7类晶系共包含14种布拉菲格子。分别是简单三斜、简单单斜、底心单斜、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单三角（方）、简单四方、体心四方、简单六角（方）、简单立方、立方晶系、面心立方。
分类
分类一
晶体可分单晶和多晶体：①单晶。其内部微粒有规律地排列在一个空间格子内的晶体。单晶内部晶胞沿空间3个方向排列堆砌，其晶体结构是连续的，在宏观尺度范围内单晶不包含晶界。人工制备的许多功能晶体和信息技术用的晶体都是单晶体。由于生长条件限制，某些单晶并没有特征性的外形，如硅、锗、铌酸锂。天然的单晶体呈有规则的多面体外形，如石英（图1）、方解石等。②多晶体。由众多微小单晶组成的晶体。大部分实用晶体是多晶体，由众多大小不一、取向各异的晶粒组成，每个晶粒里原子排列是周期性和规则性的，由于各晶粒取向不同，整块材料的宏观物理性质是各向同性的。
分类二
晶体还可根据内部原子间结合方式的差异分为4种类型：离子晶体、分子晶体、金属晶体和原子晶体。晶体的某些性质取决于将分子联结成固体的结合力（原子之间的吸引力）。这些力通常涉及原子或分子的最外层的电子（或称价电子）的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果结合力弱，晶体则有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成。由此形成的各种晶体的特异性汇总见表。
离子晶体
内部的离子通过离子键结合形成的晶体。离子键的本质是正负电荷间的库仑力。离子晶体多为碱金属元素和卤族元素结合形成的化合物，其中含有电荷量相等的阴离子和阳离子，并且两种离子呈周期性交替排列，往往呈现出规则的几何外形。如氯化钠（NaCl）晶体呈现出立方体的空间构型，每个Na+周围有上下前后左右共6个最近的等距离的Cl−；每个Cl−周围有上下前后左右共6个最近的等距离的Na+；每个Na+周围有12个Na+；每个Cl−周围有12个Cl−（图2）。
分子晶体
物质内部分子间通过由分子间作用力结合形成的晶体。大多数非金属单质（少数如硅等除外），它们的化合物及大多数有机化合物在处于固态时都属于分子晶体。分子晶体的熔点和沸点一般比较低，且固态与液态均不导电。
金属晶体
内部原子通过金属键结合形成的晶体。晶体内部电子不再束缚于单个原子，而是形成共有化的电子。共有化的电子形成负的电子云，带正电的原子实浸在电子云中。电子云和原子实之间存在库仑力，该库仑相互作用将原子聚合在一起。金属单质及一些金属合金都属于金属晶体，如镁、铝、铁和铜等。金属晶体因为自由电子的存在而呈现出良好的导电性、导热性。
原子晶体
内部原子以共价键的形式连接而形成的晶体。原子晶体大多呈空间网状结构，有熔点和沸点高、硬度大的特点。典型的物质有金刚石、硅、二氧化硅、碳化硅等。
晶体缺陷
晶体的格子构造将遭到破坏。就会出现偏离晶体点阵结构的部位，称作晶体缺陷。晶体的缺陷按其空间分布的几何形状和大小，可分为以下几种：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。另外，晶体缺陷还有其它一些分类名称：电子缺陷、原生缺陷、二次缺陷、微缺陷。
点缺陷又称零维缺陷，偏离点阵结构的部位为一个粒子或几个粒子。点缺陷包括：空位、间隙原子、替位杂质原子和间隙杂质原子。由几个这样的缺陷组成的小复合体也被看做点缺陷。一种描述晶体中每个位置符号：(由克罗格和文克提出)称作克文符号，借此可以描述晶体中每一个位置上的粒子。点缺陷的种类有：空位、间隙原子、替位式杂质、间隙杂质，以及它们的复合体。M晶体中点缺陷：空位：VM；间隙原子：Mi；替位杂质：FM；间隙杂质：Fi。
晶体生长
自然界中冰雪的结晶和矿物的形成均是天然的晶体生长。各种技术的单晶培育，以及化工和医药工业中的结晶都是人工控制下的晶体生长。人工生长晶体的目的，技术上是为了应用，科学上是要研究晶体生长的规律和机理。晶体生长既是技术也是科学。晶体是在物相转变的情况下形成的。一般物相有三种，即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体，固相之间也可以直接产生转变。晶体生成的一般过程是先生成晶核，而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段：①介质达到过饱和、过冷却阶段；②成核阶段；③生长阶段。
在某种介质体系中，过饱和、过冷却状态的出现，并不意味着整个体系会同时结晶。体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。这时由于温度或浓度的局部变化，外部撞击，或一些杂质粒子的影响，都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域，使结晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用。介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相，称为均匀成核作用。在体系内的某些局部小区域首先形成新相的核，称为不均匀成核作用。均匀成核是指在一个体系内，各处的成核概率相等，这要克服相当大的表面能势垒，即需要相当大的过冷却度才能成核。非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性，如悬浮的杂质微粒，容器壁上凹凸不平等，它们都有效降低表面能成核时的势垒，优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。因此在过冷却度很小时亦能局部地成核。在单位时间内，单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它取决于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高，成核速度越大。成核速度还与介质的黏度有关，黏度大会阻碍物质的扩散，降低成核速度。晶核形成后，将进一步成长。
晶体层生长理论
晶体的层生长理论可以解释如下的一些生长现象：①晶体常生长成为面平、棱直的多面体形态。②在晶体生长过程中，环境可能有所变化，不同时刻生成的晶体在物性（如颜色）和成分等方面可能有细微的变化，因而在晶体的断面上常可看到带状构造。它表明晶面是平行向外推移生长的。③由于晶面是向外平行推移生长的，所以同种矿物不同晶体上对应晶面间的夹角不变。④晶体由小长大，许多晶面向外平行移动的轨迹，常形成以晶体中心为顶点的锥状体，称为生长锥或砂钟状构造。这在薄片中常常能看到。晶体生长的实际情况要比简单层生长理论复杂得多。往往一次沉淀在一个晶面上的物质层的厚度可达几万或几十万个分子层。同时亦不一定是以一层一层的顺序堆积，而是一层尚未长完，又有一个新层开始生长。这样继续生长下去的结果是晶体表面不平坦，成为阶梯状，称为晶面阶梯。科塞尔理论虽然有其正确的方面，但实际晶体生长过程并非完全按照二维层生长的机制进行。因为当晶体的一层面网生长完成之后，再在其上开始生长第二层面网时有很大的困难，其原因是已长好的面网对溶液中质点的引力较小，不易克服质点的热振动使质点就位。因此在过饱和度或过冷却度较低的情况下，晶体的生长就需要用其他的生长机制加以解释。
人工合成晶体
对天然矿物晶体生长的研究有助于了解矿物、岩石、地质体的形成及发展历史，并为矿物资源的开发和利用提供了一些有益的启发性资料。人工合成晶体则不仅可以模拟和解释天然矿物的形成条件，更重要的是还能够提供现代科学技术所需的晶体材料。人工合成晶体实验技术发展迅速，成功合成了大量重要的晶体材料，如激光材料、半导体材料、磁性材料、人造宝石，以及其他多种现代科技所要求的具有特种功能的晶体材料。人工合成晶体已成为工业发展主要支柱的材料科学中一个重要组成部分。
制备方式
晶体的制备方法主要有溶液法（水溶液、高温溶液及水热法）、熔体法（提拉法、珀西·布里奇曼法、泡生法、热交换法、冷坩埚法和浮区法等）、固相法和气相法。其基本过程大致可分为成核与生长两个阶段。前者是晶体生长过程所必需的，但不是一个很主要的过程；后者实际上是一个连续的质量和能量输运过程。质量的输运是通过传导、对流和辐射实现的。晶体的生长速度则受这些输运过程制约，特别是取决于其中最慢的一个过程。
应用领域
按来源可分为天然晶体和人工晶体。由于天然晶体受来源及质量一致性等问题的制约，人工合成晶体获得了广泛应用。晶体常按功能物性进行分类，主要有以下10种。
压电晶体
在外力作用下发生形变时，其表面产生电荷效应的晶体。可制成换能器、扬声器、谐振器以及传感器。最初采用酒石酸钾钠一类水溶性晶体，现已为性能优良的人工水晶、四硼酸锂、铌酸锂、钽酸锂等所取代。其中铁电晶体具有自发极化特性，且极化方向可随外电场的方向而改变，可应用于电子技术、红外探测技术、超声技术及固态记忆方面，主要有磷酸氢二钾（KDP）、钛酸钡、铌酸钾、铌酸锂等。铁电晶体中，弛豫铁电晶体是一类具有弥散相变（相变不是发生于某个特定温度点，而是在一个温度区间内）和介温频率色散（介电常数极值出现温度随测量频率增大而升高）特性的特殊材料，其代表材料为铌镁酸铅-钛酸铅、铌锌酸铅-钛酸铅等。该类晶体具有很高的介电常数、压电常数和机电耦合系数，在高性能电容器、医用超声和水声换能器、红外探测器等方面具有广泛的应用。
激光晶体
在泵浦源的激发下产生激光输出的晶体。主要有红宝石（Cr：Al2O3，激光波长为694.3纳米）、钇铝石榴石（Nd：Y3Al5O12，激光波长为1.064微米）、掺钕钒酸钇（Nd：YVO4，激光波长为1.064微米）。发展方向主要是波长可调谐晶体（如Cr：BeAlO4，Ti：Al2O3）、高效率和大功率晶体（钇镓石榴石系列）、拓展激光波长晶体（如中红外激光及可见激光）、多功能晶体［如Nd：GdCa4O（BO3）4、（Mg，Nd）：LiNbO3激光自倍频晶体，（Cr，Nd）：Y3Al5O12自调Q晶体，Nd：YVO4激光自拉曼晶体］等。
电光晶体
在外加电场作用下折射率发生变化，从而使通过晶体的一束激光分解为两束偏振方向相互垂直的偏振光，并产生相位差效应的晶体。适用于激光的调制和偏振。主要有铌酸锂、钽酸锂、磷酸二氢钾（KDP）、磷酸钛氧铷（RTP）、偏硼酸钡（BBO）和硅酸镓镧（LGS）等体系。
声光晶体
在超声波作用下折射率发生变化的晶体。主要有二氧化碲晶体和钼酸铅晶体。适用于激光的偏振和调制。
非线性光学晶体
对于激光强电场显示二次以上的非线性光学效应的晶体。其原理是组成晶体的原子因外层电子在强激光作用下偏离其平衡位置而发生极化。可用于对输入的激光频率进行和频、差频、倍频转换。常用的有磷酸二氢钾晶体，铌酸锂、铌酸钾、偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体和磷酸钛氧钾晶体。频率调控范围可从深紫外到中、远红外段。
光折变晶体
在光的作用下折射率变化的晶体。主要有钛酸钡、铌酸钾、钽铌矿酸钾、铌酸锂、铌酸钡钠、铌酸锶钡等铁电晶体，硅酸铋、锗酸铋（BGO）等铋硅族氧化物，以及半导体类晶体（如磷化铟、硫化锌等）。
热释电晶体
极化强度随温度变化而表现出电荷释放现象的晶体。主要有铌酸锂、钽酸锂、碲镉汞晶体，硫酸三甘肽晶体（TGS）和掺杂改性的硫酸三甘肽晶体（ATGSP和ATGSAs）等。可用于制备红外热释电探测器。
闪烁晶体
当X射线、γ射线等高能射线通过晶体时会发出荧光的晶体。荧光波段在紫外或可见光段。典型的有锗酸铋晶体，掺铊碘化钠晶体，氟化钡、三氟化铈和掺铈硅酸镥晶体。广泛用于核辐射探测，如高能物理、核物理、核医学成像等。
磁光晶体
在外磁场的作用下，线偏振光通过时光的偏振面发生旋转现象的晶体。主要有钇铁石榴石、钆镓石榴石等。用于制作光隔离器、光非互易元件、磁光存储器及磁光调制器等。
衬底晶体
常用于制备薄膜及其薄膜器件的基底材料。主要有蓝宝石、碳化硅、氮化镓和单晶硅等。衬底晶体一般化学性质稳定，生长尺寸较大（一般不小于2英寸）且与外延材料晶体结构相近。以衬底晶体外延薄膜材料为基的半导体器件，在LED照明、紫外探测、微电子器件、量子通信等领域有重要应用价值。
参考资料
晶体.中国大百科全书.2025-04-14
晶体生长.中国大百科全书.2025-04-14
晶体材料.中国大百科全书.2025-04-14
晶体学.中国大百科全书.2025-04-14
固体晶体结构.清华大学.2025-04-24
第一章 晶体的特性.smdlab.jlu.edu.cn.2025-04-21
《结晶学》第二部分 晶体的缺陷.smdlab.jlu.edu.cn.2025-04-21