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1、准晶体的发展及其应用,目录,1,“反常晶体”的发现,2,什么是准晶体,3,准晶体的性质和性能,4,准晶体的制备,5,准晶体的应用,01,“反常晶体”的发现,Part One,“反常晶体”的发现,准晶体被发现的真正实验证据是1982年以色列科学家谢赫特曼采用急速冷凝法研究Al-Mn 合金时，在电子显微镜下观察到的一幅违反自然“规则”的图画。这幅图画竟然出现10次对称性，而其正空间中可以对应于5次对称性。1984年谢赫特曼在同事布雷希的帮助下，他观察到的反常现象终于得到了解释。随后，他们共同完成了关于准晶体研究的论文。几乎在相同时间，Levine D.和Streinhardt P.J.在研究具有5
2、次对称原子簇时，他们也从理论上计算出符合5次对称性的衍射图，并称这种具有5次对称取向序而无周期平移序的物质为准周期性晶体，简称准晶。谢赫特曼的研究改变了晶体的定义。以前，国际晶体学联合会定义的晶体是具有“规则有序、重复三维图案”的固体，而在1992年，该定义被修改为“仅仅是一种衍射图谱呈现明确图案的固体”。这次修改使准晶体学作为晶体化学的分支而被建立起来。,02,什么是准晶体,Part two,准晶体的定义,准晶体 亦称为“准晶”或“拟晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。在准晶的原子排列中，其结构是长程有序的，这一点和晶体相似；但是准晶不具备平移对称性，这一点又和晶体不同。普通晶体具有
3、的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或者更高的六次以上对称性。,03,准晶体的性质和性能,Part three,准晶体与晶体的对比,晶体的定义：晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体；或者说,晶体是具有周期平移格子构造的固体。二者对比：准晶体结构虽然不具备经典晶体学意义上的平移周期，但它却有自相似性准周期。准晶体是具有准周期平移格子构造的固体。准晶体结构具有数学上严格的自相似性准周期及统计意义上的无规则自相似准周期。准晶体不具有传统晶体的周期性，却在长程上有序。,准晶体的性质,1）准晶体没有周期性，但具有准周期性，准周期是指质点的
4、排列具有长程有序，但不体现周期重复。2）根据三维物理空间中材料呈现的维数，可以把准晶体分为一维准晶体、二维准晶体和三维准晶体。3）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。,一、一维准晶 三维物理空间的材料，其中的原子有二维是周期分布的，另外一维是准周期分布的。二、二维准晶 三维物理空间的材料，其中的原子有二维是准周期分布的，另外一维是周期分布的。实验上发现，二维准晶有十次准晶、十二次准晶、八次准晶、和五次准晶四类。三、三维准晶 三维物理空间的材料，其中的原子在三维上都想准周期分布的。实验上已经发现的三维准晶有二十面体和立方准晶两大类。,准晶体的性质
5、,3）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,均一性 即准晶体在其任一部位上都具有相同性质。各向异性 即准晶体的性质因观察研究方向的不同而表现出差异。对称性：即准晶体中的相同部分（如外形上的相同晶面、晶棱，内部结构中的相同网面。行列或原子离子等），能够在不同的方向或位置上有规律地重复出现。自限性：即晶体、准晶体都能自发地形成封闭的几何多面体外形。最小内能性：即晶体、准晶体在相同热力条件下，较之于同种化学成分的气体、液体及非晶质体而言，准晶体内能较小，晶体内能最小。稳定性：对于化学组成相同，但处于不同物态下的固体物质一晶体最为稳定，准晶体稳定性次之。
6、（准晶体不可能自发地转变为其他物态）,准晶体的性能,1）导电性能：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。2）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。3）热性能：准晶体的热性能一般不高，即它的导热系数K很小，且与温度密切有关。4）准晶都很脆，将它作为结构材料使用尚无前景、准晶的特殊结构对其物理性能有明显的影响。5）准晶的密度低于其晶态时的密度，这是由于其原子排列的规则性不及晶态严密，但其密度高于非晶态，说明其周期性排列仍是较密集的。,04,准晶体的制备
7、,Part four,如何制备准晶体,除了少数准晶为稳态相之外，大多数准晶相均属于亚稳态产物，它们主要通过快冷方法形成，此外经离子注入混合或气相沉积等途径也能形成准晶。准晶的形成过程包括形核和生长两个过程，故采用快冷方法时其冷却速度要适当控制。制备方法：定向凝固法、自熔体法、深过冷快速凝固法。,05,准晶体的应用,Part five,准晶体的应用,准晶体具有独特的属性，坚硬又有弹性、非常平滑，而且，与大多数金属不同的是，其导电、导热性很差，因此在日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产品中，比如不粘锅和发光二极管等。另外，尽管其导热性很差，但因为其能将热转化为电，因此，它们可以用作理想的热电材料，将热量回收利用，有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量。,钬-镁-锌十二面体准晶,Penrose拼图。可以看到平面中仅由宽窄两种菱形构成，中间的球也由这两种菱形构成,The end,thank you!,
