晶体学

晶体学（crystallography），研究晶体的几何形状、结构、生长和各种特征的学科。固体物理学的分支。

简史

1801年A.R.J.A.阿羽依的名著《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.布拉维求得14种可能的空间点阵并分成7个晶系。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231种可能的空间群。他们共同奠定了几何晶体学的理论基础。1912年M.von劳厄以晶体作为光栅对X射线的衍射，全面证实了基于空间点阵概念的晶体原子结构的理论。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1 651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。

晶体X射线衍射的发现，开创了晶体微观结构研究的新时代。布拉格父子在发展晶体X射线分析方面作出重大贡献。后来又有G.P.汤姆孙和C.J.戴维森的电子衍射以及C.G.沙尔的中子衍射两种结构分析技术。特别是E.鲁斯卡发明电子显微镜，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。

内容

实际晶体总是内有杂质、缺陷，外有表面、界面，它们各有其具体结构，影响晶体的各种物性。在有限温度，晶格原子不断振动形成各种模式的格波，影响晶体的热学、电学、光学各方面的特性，由此先后出现观测晶体中杂质和缺陷的技术，用低能电子衍射来分析晶体表面的原子结构，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。20世纪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。

随着科学技术的发展，功能技术和信息技术需要适用的各种材料，晶体和薄膜生长技术和相应理论也有新发展。特别是激光晶体、超晶格、量子阱、高温超导体、磁性多层膜、C60固体、碳纳米管等各种新材料，促使分子束外延等新技术的发展。

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。近20多年，人们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。

应当特别指出的是1984年D.谢特曼等发现的准晶体具有着晶体所没有的二十面体对称性。这对晶体学是一挑战。科学家很快认识到，这是这类材料的原子排列虽然失去周期性但并不是平移无序，而呈准周期性。失去三维周期性，具有三维准周期的结构，可具有二十面体的对称性。失去两维周期性，保留一维周期性的结构，将是具有正十边形对称性的准晶体。而失去一维周期性，保留二维周期性的结构，则是一种叫作斐波那契超晶格。所以，准晶体由于具有准周期性的长程序，才同时具有晶体所没有的对称性。准晶体和晶体并不相悖，各有其存在的依据。