晶體（crystal），又稱結晶質體，是由于原子（離子或分子）間相互作用，粒子在空間按照一定方式排列，結合成具有三維周期結構的固體。因此晶體的唯一特征是其內部原子排列的周期性。
晶體是在物相轉變的情況下形成的。一般物相有三種，即氣相、液相和固相。只有晶體才是真正的固體。由氣相、液相轉變成固相時形成晶體，固相之間也可以直接產生轉變。晶體生成的一般過程是先生成晶核，而后再逐漸長大。一般認為晶體從液相或氣相中的生長有三個階段：①介質達到過飽和、過冷卻階段；②成核階段；③生長階段。
晶體的周期性可以數學抽象為奧古斯特·布拉菲格子（晶格），晶體中每個原子位于布拉菲格子的格點上。根據32種點群對布拉菲格子的要求，布拉菲格子可以分為7類，稱為七大晶系。分別是單斜晶系、三斜晶系、正交、立方、三角（方）、四方、六角（方）晶系。由于格點分布的不同，7類晶系共包含14種布拉菲格子。晶體都有一定的對稱性，有32種對稱元素系，對應的對稱動作群稱做晶體系點群。晶體可分單晶和多晶體；晶體還可根據內部原子間結合方式的差異分為4種類型：離子晶體、分子晶體、金屬晶體和原子晶體。
由于天然晶體受來源及質量一致性等問題的制約，人工合成晶體獲得了廣泛應用。例如壓電晶體在高性能電容器、醫用超聲和水聲換能器、紅外探測器等方面具有廣泛的應用；聲光晶體適用于激光的偏振和調制。
早期的晶體學研究就是從晶面之間夾角的測量開始的，1669年人們已發現了晶體具有恒定面角的規律。在18世紀，生產和科學的發展，提出了對晶體的成分和結構進行研究的要求，到19世紀，在研究冶煉方法和冶煉過程時，開始研究金屬的微觀結構，曾用顯微鏡觀察經化學藥品腐蝕的金屬表面。
名稱來源
古希臘人根據冰和水晶有相似的顏色和透光性，曾誤認為水晶是“硬化了的冰”，而將水晶取名為晶體，它是具有規則幾何多面體形態的石英。后來這一名詞的應用范圍擴大了，通常把凡是自然產出，并具有一定幾何形態的固體都稱為晶體。
歷史
18-19世紀
早期的晶體學研究就是從晶面之間夾角的測量開始的，1669年人們已發現了晶體具有恒定面角的規律。在18世紀，生產和科學的發展，提出了對晶體的成分和結構進行研究的要求。到19世紀，在研究冶煉方法和冶煉過程時，開始研究金屬的微觀結構，曾用顯微鏡觀察經化學藥品腐蝕的金屬表面。對各種礦物的鑒定和分析也推動了對晶體結構的進一步了解。1801年名著《礦物學論》提出將晶體外形與內部結構聯系起來的新思想。1830年J.F.C.赫塞爾分析了晶面的各種對稱性，得到晶體有32種可能的晶類（即點群）。1848年A.奧古斯特·布拉菲求得14種可能的空間點陣，并分成7個晶系。1860年曾有人設想晶體是由原子規則排列而成的。1890年E.C.費奧多羅夫和1891年A.M.熊夫利各自獨立導出所有230種可能的空間群。他們共同奠定了幾何晶體學的理論基礎。19世紀末F.E.諾埃曼和他的學生W.佛克脫發現晶體的對稱性與其物理性質各向異性之間的關系。
20-21世紀
20世紀晶體原子結構分析的發展，量子力學問世，晶體物性的研究深入到微觀層次，開創了晶體對稱性對電子量子態、格波本征態的限制及對稱性對微觀物理過程選擇的影響和宏觀物性的制約的研究。1912年德國物理學家M.勞厄利用x射線衍射現象，首次確切證實了晶體內部粒子有規則排列的假設。50年代B.N.布羅克豪斯發明三軸中子譜儀，利用中子非彈性散射來測量格波的頻率色散關系。1946年A.V.舒布尼科夫引入色對稱元素，1955年N.V.別洛夫和B.陶格爾導出122種可能的點群和1651種可能的空間群。其中一部分可用于說明磁有序晶體的對稱性。到了20世紀70～80年代已發展出高分辨率電子顯微鏡，可直接觀察晶體結構周期性的點陣像。20世紀80年代G.賓尼希和H.羅雷爾發明的掃描隧道顯微鏡，可直接在實空間觀測晶體原子表面結構。21世紀前后，開始致力于探索從原子、分子微觀向宏觀晶體之間過渡區域的物態和相關現象，開辟了介觀固體和納米固體的領域。
主要特性
周期性
用X光對固體進行結構分析時，內部原子的排列沒有周期性的固體為非晶體。內部原子排列失去周期性但有準周期性的固體為準晶體。因此晶體的唯一特征是其內部原子排列的周期性。晶體可以使X光發生有規律的衍射。宏觀上能否產生X光衍射現象，是實驗上判定某物質是不是晶體的主要方法。晶體的周期性通常用原胞和晶格基矢來描述。基于晶體內部結構的周期性，可劃分出一個個大小和形狀完全相同的平行六面體作為基本重復單元，該基本重復單元稱為原胞。整塊晶體就是原胞在三維空間排列堆砌而成的固體，原胞代表了晶體的最小周期單元。晶格基矢是指原胞的邊向量，可用于表述各原子的坐標。
自范性
晶體物質在適當的結晶條件下，能自發地生長為單晶體，發育良好的單晶體均以平面作為它與周圍物質的界面，呈現出凸多面體外形。這一特征稱為晶體的自范性。
均勻性和各向異性
均勻性和各向異性：均勻性是指晶體的各個部位表現出的各種宏觀性質是完全相同的。各向異性是指從不同方向上看，晶體內沿不同方向上的性質又有所差異。
對稱性
描述一個物體的對稱性時，通常的方式是指出它所包含的對稱元素。一種對稱元素對應一種對稱操作。當物體繞某一轉軸轉動以及它的整數倍而保持不變時，把該軸稱為物體的次旋轉軸。在此基礎上附加一個中心反演操作依然不變時，把該軸稱為次旋轉反演軸。旋轉軸和旋轉反演軸可以統稱為對稱元素。晶體中只存在1次、2次、3次、4次、6次旋轉軸，以及對應的旋轉反演軸共10種對稱元素。不可能存在5次、7次等對稱元素。若干個對稱元素組合起來的對稱操作稱為對稱操作群，也稱為點群。晶體在平移一個奧古斯特·布拉菲格子的晶格向量后與自身重合的性質稱為平移對稱性。平移對稱性是晶體結構的基本對稱性。不同平移操作的集合稱為平移群。平移群和上述點群等構成的晶格所有對稱操作的集合稱為空間群。晶體中共包含230種空間群，其中包括73種點空間群。
物理特性
由于晶體內粒子這種有規則的周期性的排列，使晶體結構具有遠程有序性，從而決定了晶體具有幾個重要的宏觀性質：①具有一定的有規則的外形，服從晶面角守恒定律。晶體相對應的晶面角相等，稱為晶面角守恒。例如方解石a、b、c面間的夾角不是78°5′就是101°55′。把一塊大的方解石晶體打碎后得到的小晶體的晶面角仍然如此。②各向異性，即在各不同方向上具有不同的物理性質。例如力學性質（硬度、彈性模量等）、熱學性質（導熱系數、熱膨脹系數等）、光學性質（折射率、吸收系數等）、電學性質（電阻率、介電常數等）都具有各向異性的特征。例如，云母的結晶薄片在外力作用下易沿平行于薄片平面的方向解離，但沿垂直于薄片平面的方向解理性較弱；石墨在加熱過程中，沿特定方向呈現膨脹現象，沿其他方向則表現為收縮；此外，石墨在平行于層狀結構方向的導電性較強，垂直于層狀結構方向的導電性較弱。③有一定的熔點。例如對冰、錫等晶體加熱時，其溫度將不斷升高，到達某一溫度時，晶體逐漸熔化為液體，熔化過程中溫度保持不變，完全變為液體后，溫度才繼續升高。
結構特征
晶體的周期性可以數學抽象為奧古斯特·布拉菲格子（晶格），晶體中每個原子位于布拉菲格子的格點上。晶體內部結構中的質點（原子、離子、分子、原子團）有規則地在三維空間呈周期性重復排列，組成一定形式的晶格。根據32種點群對布拉菲格子的要求，布拉菲格子可以分為7類，稱為七大晶系。分別是單斜晶系、三斜晶系、正交、立方、三角（方）、四方、六角（方）晶系。由于格點分布的不同，7類晶系共包含14種布拉菲格子。分別是簡單三斜、簡單單斜、底心單斜、簡單正交、底心正交、體心正交、面心正交、簡單三角（方）、簡單四方、體心四方、簡單六角（方）、簡單立方、立方晶系、面心立方。
分類
分類一
晶體可分單晶和多晶體：①單晶。其內部微粒有規律地排列在一個空間格子內的晶體。單晶內部晶胞沿空間3個方向排列堆砌，其晶體結構是連續的，在宏觀尺度范圍內單晶不包含晶界。人工制備的許多功能晶體和信息技術用的晶體都是單晶體。由于生長條件限制，某些單晶并沒有特征性的外形，如硅、鍺、鈮酸鋰。天然的單晶體呈有規則的多面體外形，如石英（圖1）、方解石等。②多晶體。由眾多微小單晶組成的晶體。大部分實用晶體是多晶體，由眾多大小不一、取向各異的晶粒組成，每個晶粒里原子排列是周期性和規則性的，由于各晶粒取向不同，整塊材料的宏觀物理性質是各向同性的。
分類二
晶體還可根據內部原子間結合方式的差異分為4種類型：離子晶體、分子晶體、金屬晶體和原子晶體。晶體的某些性質取決于將分子聯結成固體的結合力（原子之間的吸引力）。這些力通常涉及原子或分子的最外層的電子（或稱價電子）的相互作用。如果結合力強，晶體有較高的熔點。如果結合力弱，晶體則有較低的熔點，也可能較易彎曲和變形。如果它們很弱，晶體只能在很低溫度下形成。由此形成的各種晶體的特異性匯總見表。
離子晶體
內部的離子通過離子鍵結合形成的晶體。離子鍵的本質是正負電荷間的庫侖力。離子晶體多為堿金屬元素和鹵族元素結合形成的化合物，其中含有電荷量相等的陰離子和陽離子，并且兩種離子呈周期性交替排列，往往呈現出規則的幾何外形。如氯化鈉（NaCl）晶體呈現出立方體的空間構型，每個Na+周圍有上下前后左右共6個最近的等距離的Cl?；每個Cl?周圍有上下前后左右共6個最近的等距離的Na+；每個Na+周圍有12個Na+；每個Cl?周圍有12個Cl?（圖2）。
分子晶體
物質內部分子間通過由分子間作用力結合形成的晶體。大多數非金屬單質（少數如硅等除外），它們的化合物及大多數有機化合物在處于固態時都屬于分子晶體。分子晶體的熔點和沸點一般比較低，且固態與液態均不導電。
金屬晶體
內部原子通過金屬鍵結合形成的晶體。晶體內部電子不再束縛于單個原子，而是形成共有化的電子。共有化的電子形成負的電子云，帶正電的原子實浸在電子云中。電子云和原子實之間存在庫侖力，該庫侖相互作用將原子聚合在一起。金屬單質及一些金屬合金都屬于金屬晶體，如鎂、鋁、鐵和銅等。金屬晶體因為自由電子的存在而呈現出良好的導電性、導熱性。
原子晶體
內部原子以共價鍵的形式連接而形成的晶體。原子晶體大多呈空間網狀結構，有熔點和沸點高、硬度大的特點。典型的物質有金剛石、硅、二氧化硅、碳化硅等。
晶體缺陷
晶體的格子構造將遭到破壞。就會出現偏離晶體點陣結構的部位，稱作晶體缺陷。晶體的缺陷按其空間分布的幾何形狀和大小，可分為以下幾種：點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。另外，晶體缺陷還有其它一些分類名稱：電子缺陷、原生缺陷、二次缺陷、微缺陷。
點缺陷又稱零維缺陷，偏離點陣結構的部位為一個粒子或幾個粒子。點缺陷包括：空位、間隙原子、替位雜質原子和間隙雜質原子。由幾個這樣的缺陷組成的小復合體也被看做點缺陷。一種描述晶體中每個位置符號：(由克羅格和文克提出)稱作克文符號，借此可以描述晶體中每一個位置上的粒子。點缺陷的種類有：空位、間隙原子、替位式雜質、間隙雜質，以及它們的復合體。M晶體中點缺陷：空位：VM；間隙原子：Mi；替位雜質：FM；間隙雜質：Fi。
晶體生長
自然界中冰雪的結晶和礦物的形成均是天然的晶體生長。各種技術的單晶培育，以及化工和醫藥工業中的結晶都是人工控制下的晶體生長。人工生長晶體的目的，技術上是為了應用，科學上是要研究晶體生長的規律和機理。晶體生長既是技術也是科學。晶體是在物相轉變的情況下形成的。一般物相有三種，即氣相、液相和固相。只有晶體才是真正的固體。由氣相、液相轉變成固相時形成晶體，固相之間也可以直接產生轉變。晶體生成的一般過程是先生成晶核，而后再逐漸長大。一般認為晶體從液相或氣相中的生長有三個階段：①介質達到過飽和、過冷卻階段；②成核階段；③生長階段。
在某種介質體系中，過飽和、過冷卻狀態的出現，并不意味著整個體系會同時結晶。體系內各處首先出現瞬時的微細結晶粒子。這時由于溫度或濃度的局部變化，外部撞擊，或一些雜質粒子的影響，都會導致體系中出現局部過飽和度、過冷卻度較高的區域，使結晶粒子的大小達到臨界值以上。這種形成結晶微粒子的作用稱之為成核作用。介質體系內的質點同時進入不穩定狀態形成新相，稱為均勻成核作用。在體系內的某些局部小區域首先形成新相的核，稱為不均勻成核作用。均勻成核是指在一個體系內，各處的成核概率相等，這要克服相當大的表面能勢壘，即需要相當大的過冷卻度才能成核。非均勻成核過程是由于體系中已經存在某種不均勻性，如懸浮的雜質微粒，容器壁上凹凸不平等，它們都有效降低表面能成核時的勢壘，優先在這些具有不均勻性的地點形成晶核。因此在過冷卻度很小時亦能局部地成核。在單位時間內，單位體積中所形成的核的數目稱成核速度。它取決于物質的過飽和度或過冷卻度。過飽和度和過冷卻度越高，成核速度越大。成核速度還與介質的黏度有關，黏度大會阻礙物質的擴散，降低成核速度。晶核形成后，將進一步成長。
晶體層生長理論
晶體的層生長理論可以解釋如下的一些生長現象：①晶體常生長成為面平、棱直的多面體形態。②在晶體生長過程中，環境可能有所變化，不同時刻生成的晶體在物性（如顏色）和成分等方面可能有細微的變化，因而在晶體的斷面上常可看到帶狀構造。它表明晶面是平行向外推移生長的。③由于晶面是向外平行推移生長的，所以同種礦物不同晶體上對應晶面間的夾角不變。④晶體由小長大，許多晶面向外平行移動的軌跡，常形成以晶體中心為頂點的錐狀體，稱為生長錐或砂鐘狀構造。這在薄片中常常能看到。晶體生長的實際情況要比簡單層生長理論復雜得多。往往一次沉淀在一個晶面上的物質層的厚度可達幾萬或幾十萬個分子層。同時亦不一定是以一層一層的順序堆積，而是一層尚未長完，又有一個新層開始生長。這樣繼續生長下去的結果是晶體表面不平坦，成為階梯狀，稱為晶面階梯。科塞爾理論雖然有其正確的方面，但實際晶體生長過程并非完全按照二維層生長的機制進行。因為當晶體的一層面網生長完成之后，再在其上開始生長第二層面網時有很大的困難，其原因是已長好的面網對溶液中質點的引力較小，不易克服質點的熱振動使質點就位。因此在過飽和度或過冷卻度較低的情況下，晶體的生長就需要用其他的生長機制加以解釋。
人工合成晶體
對天然礦物晶體生長的研究有助于了解礦物、巖石、地質體的形成及發展歷史，并為礦物資源的開發和利用提供了一些有益的啟發性資料。人工合成晶體則不僅可以模擬和解釋天然礦物的形成條件，更重要的是還能夠提供現代科學技術所需的晶體材料。人工合成晶體實驗技術發展迅速，成功合成了大量重要的晶體材料，如激光材料、半導體材料、磁性材料、人造寶石，以及其他多種現代科技所要求的具有特種功能的晶體材料。人工合成晶體已成為工業發展主要支柱的材料科學中一個重要組成部分。
制備方式
晶體的制備方法主要有溶液法（水溶液、高溫溶液及水熱法）、熔體法（提拉法、珀西·布里奇曼法、泡生法、熱交換法、冷坩堝法和浮區法等）、固相法和氣相法。其基本過程大致可分為成核與生長兩個階段。前者是晶體生長過程所必需的，但不是一個很主要的過程；后者實際上是一個連續的質量和能量輸運過程。質量的輸運是通過傳導、對流和輻射實現的。晶體的生長速度則受這些輸運過程制約，特別是取決于其中最慢的一個過程。
應用領域
按來源可分為天然晶體和人工晶體。由于天然晶體受來源及質量一致性等問題的制約，人工合成晶體獲得了廣泛應用。晶體常按功能物性進行分類，主要有以下10種。
壓電晶體
在外力作用下發生形變時，其表面產生電荷效應的晶體。可制成換能器、揚聲器、諧振器以及傳感器。最初采用酒石酸鉀鈉一類水溶性晶體，現已為性能優良的人工水晶、四硼酸鋰、鈮酸鋰、鉭酸鋰等所取代。其中鐵電晶體具有自發極化特性，且極化方向可隨外電場的方向而改變，可應用于電子技術、紅外探測技術、超聲技術及固態記憶方面，主要有磷酸氫二鉀（KDP）、鈦酸鋇、鈮酸鉀、鈮酸鋰等。鐵電晶體中，弛豫鐵電晶體是一類具有彌散相變（相變不是發生于某個特定溫度點，而是在一個溫度區間內）和介溫頻率色散（介電常數極值出現溫度隨測量頻率增大而升高）特性的特殊材料，其代表材料為鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛等。該類晶體具有很高的介電常數、壓電常數和機電耦合系數，在高性能電容器、醫用超聲和水聲換能器、紅外探測器等方面具有廣泛的應用。
激光晶體
在泵浦源的激發下產生激光輸出的晶體。主要有紅寶石（Cr：Al2O3，激光波長為694.3納米）、釔鋁石榴石（Nd：Y3Al5O12，激光波長為1.064微米）、摻釹釩酸釔（Nd：YVO4，激光波長為1.064微米）。發展方向主要是波長可調諧晶體（如Cr：BeAlO4，Ti：Al2O3）、高效率和大功率晶體（釔鎵石榴石系列）、拓展激光波長晶體（如中紅外激光及可見激光）、多功能晶體［如Nd：GdCa4O（BO3）4、（Mg，Nd）：LiNbO3激光自倍頻晶體，（Cr，Nd）：Y3Al5O12自調Q晶體，Nd：YVO4激光自拉曼晶體］等。
電光晶體
在外加電場作用下折射率發生變化，從而使通過晶體的一束激光分解為兩束偏振方向相互垂直的偏振光，并產生相位差效應的晶體。適用于激光的調制和偏振。主要有鈮酸鋰、鉭酸鋰、磷酸二氫鉀（KDP）、磷酸鈦氧銣（RTP）、偏硼酸鋇（BBO）和硅酸鎵鑭（LGS）等體系。
聲光晶體
在超聲波作用下折射率發生變化的晶體。主要有二氧化碲晶體和鉬酸鉛晶體。適用于激光的偏振和調制。
非線性光學晶體
對于激光強電場顯示二次以上的非線性光學效應的晶體。其原理是組成晶體的原子因外層電子在強激光作用下偏離其平衡位置而發生極化。可用于對輸入的激光頻率進行和頻、差頻、倍頻轉換。常用的有磷酸二氫鉀晶體，鈮酸鋰、鈮酸鉀、偏硼酸鋇晶體、三硼酸鋰晶體和磷酸鈦氧鉀晶體。頻率調控范圍可從深紫外到中、遠紅外段。
光折變晶體
在光的作用下折射率變化的晶體。主要有鈦酸鋇、鈮酸鉀、鉭鈮礦酸鉀、鈮酸鋰、鈮酸鋇鈉、鈮酸鍶鋇等鐵電晶體，硅酸鉍、鍺酸鉍（BGO）等鉍硅族氧化物，以及半導體類晶體（如磷化銦、硫化鋅等）。
熱釋電晶體
極化強度隨溫度變化而表現出電荷釋放現象的晶體。主要有鈮酸鋰、鉭酸鋰、碲鎘汞晶體，硫酸三甘肽晶體（TGS）和摻雜改性的硫酸三甘肽晶體（ATGSP和ATGSAs）等。可用于制備紅外熱釋電探測器。
閃爍晶體
當X射線、γ射線等高能射線通過晶體時會發出熒光的晶體。熒光波段在紫外或可見光段。典型的有鍺酸鉍晶體，摻鉈碘化鈉晶體，氟化鋇、三氟化鈰和摻鈰硅酸镥晶體。廣泛用于核輻射探測，如高能物理、核物理、核醫學成像等。
磁光晶體
在外磁場的作用下，線偏振光通過時光的偏振面發生旋轉現象的晶體。主要有釔鐵石榴石、釓鎵石榴石等。用于制作光隔離器、光非互易元件、磁光存儲器及磁光調制器等。
襯底晶體
常用于制備薄膜及其薄膜器件的基底材料。主要有藍寶石、碳化硅、氮化鎵和單晶硅等。襯底晶體一般化學性質穩定，生長尺寸較大（一般不小于2英寸）且與外延材料晶體結構相近。以襯底晶體外延薄膜材料為基的半導體器件，在LED照明、紫外探測、微電子器件、量子通信等領域有重要應用價值。
參考資料 >
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固體晶體結構.清華大學.2025-04-24
第一章 晶體的特性.smdlab.jlu.edu.cn.2025-04-21
《結晶學》第二部分 晶體的缺陷.smdlab.jlu.edu.cn.2025-04-21