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第二版序 严东生1

第一章 二氧化硅的多型性1

1.1 α石英5

1.1 β石英5

1.2.1 晶体结构5

1.2.2 晶胞7

1.2.3 晶体的结晶形貌8

1.2.4 β石英的水热合成10

1.2.5 β石英中的双晶11

1.2.6 β石英的物理性质11

1.3 鳞石英12

1.3.1 α鳞石英结构13

1.3.2 β鳞石英15

1.3.3 γ鳞石英15

1.4 方英石20

1.4.1 α方英石结构20

1.4.2 β方英石23

1.4.3 人工合成方英石25

1.5 重石英26

1.6 柯石英27

1.6.1 柯石英的晶体结构28

1.6.2 柯石英的结晶形貌29

1.6.3 柯石英的物理性质30

1.6.4 人工合成柯石英31

1.7 斯石英31

1.7.1 斯石英的晶体结构32

1.7.2 斯石英的物理性质33

1.7.3 人工合成斯石英34

参考文献34

第二章 水晶的几何结晶学35

2.1 水晶的结晶形貌35

2.2 水晶的左、右形39

2.3 水晶中的单形41

2.4.2 水晶的面角43

2.4.1 水晶的对称43

2.4 水晶的对称与面角43

2.5 水晶的坐标系44

2.5.1 三方坐标系45

2.5.2 六方坐标系47

2.6 晶面符号与晶带符号48

2.6.1 晶面符号48

2.6.2 晶面与晶带(晶棱)的符号关系50

参考文献52

第三章 水晶结构53

3.1 左、右旋结构54

3.4 Si-O4四面体链状结构56

3.3 褶叠螺旋环结构56

3.2 共轭螺旋结构56

3.5 Si-O4四面体在各族晶面上的显露57

3.5.1 Si-O4四面体在c(0001)和m{10?0}面显露57

3.5.2 Si-O4四面体在R{10?1)和r{?011}面上显露58

3.5.3 Si-O4四面体在+x{??20},-x{11?0}面上的显露59

3.6 晶胞参数60

3.7 水晶的相变61

参考文献69

第四章 溶剂、温度、压力对水晶的溶解与生长的影响70

4.1 溶剂对水晶的溶解与生长的影响70

4.1.1 溶剂的种类70

4.1.2 溶剂浓度与溶液中SiO2含量的关系74

4.1.3 溶液中SiO2含量与晶体生长速率76

4.1.4 溶剂浓度与晶体生长速率77

4.2 温度、压力对石英溶解度的影响80

4.3 溶液中的相态分析84

4.4 物理、化学条件对结晶形貌的影响87

4.4.1 温度对结晶形貌的影响87

4.4.2 压力和溶液中SiO2过饱和度对高指数晶面发育的影响88

4.4.3 液流对晶面发育的影响88

4.4.4 杂质对大小菱面(R,r)发育的影响90

参考文献91

5.1.1 籽晶取向92

5.1 影响水晶生长速率的各种因素92

第五章 影响水晶生长速率和质量的各种因素92

5.1.2 充填度95

5.1.3 温度梯度95

5.1.4 结晶温度98

5.1.5 溶剂浓度99

5.1.6 籽晶面积与水晶生长速率99

5.1.7 挡板开孔率100

5.2 与Z轴平行和斜交的裂纹101

5.2.1 溶剂浓度101

5.2.2 充填度102

5.2.3 溶质(SiO2)的供应102

5.3.1 沿三棱锥面和沟槽的开裂105

5.3 晶体的开裂105

5.3.2 沿边齿的开裂106

5.3.3 沿籽晶的开裂107

5.3.4 与包裹体有关的开裂108

5.3.5 砸裂109

5.4 影响水晶质量的一些因素110

5.4.1 籽晶取向110

5.4.2 籽晶质量110

5.4.3 高压釜容积111

5.4.4 温度波动112

5.4.5 固体包裹体112

参考文献113

5.5 溶液中掺锂盐提高水晶的质量113

第六章 水晶的结晶习性114

6.1 水晶的表面结构114

6.1.1 c(0001)面结构115

6.1.2 大菱面R{10?1}表面结构119

6.1.3 小菱面r{01?0}表面结构120

6.1.4 柱面m1{10?0}，m2{1?00}表面结构124

6.1.5 三方柱面+x{??20}和-x{11?0}面的表面结构127

6.1.6 三方偏方面体128

6.1.7 三方双锥s2{??22}和s2{??109}的表面结构129

6.2.1 天然水晶底面c(0001)的表面结构130

6.2 人工水晶和天然水晶表面结构的比较130

6.2.2 天然水晶大菱面R{10?1}和小菱面r{??01}的表面结构131

6.2.3 天然水晶柱面m1{10?0}，m2{1?00}的表面结构134

6.2.4 天然水晶三方双锥面s{11?1}的表面结构135

6.3 三方偏方面体单形在各族晶面上的显露136

6.4 各族晶面的发育140

6.4.1 籽晶取向绕X轴转动时各族晶面的生长速率140

6.4.2 籽晶取向绕Y轴转动时各族晶面的生长速率141

6.4.3 各族晶面生长速率与生长周期、籽晶形状的关系142

6.5 异型籽晶的生长142

6.5.1 沿底面c{0001}切籽晶的造型实验143

6.5.3 沿柱面m{10?0}切籽晶的造型实验150

6.5.2 沿大菱面R{10?1}、小菱面r{1?01}切籽晶的造型实验150

6.5.4 ？+x{??20}面切籽晶的造型实验153

6.6 水晶生长机制的讨论156

6.6.1 关于水晶生长各向异性的解释161

6.6.2 六联环Si6O6(OH)12生长基元164

6.6.3 五联分子Si5O4(OH)12生长基元167

参考文献171

第七章 三方偏方面体的结晶习性173

7.1 自然界水晶中三方偏方面体的显露173

7.2 三方偏方面体的正、负形173

7.3 三方偏方面体显露与晶体形貌174

7.4 溶液过饱和度对三方偏方面体单形发育的影响176

7.5 温度、压力对三方偏方面体在c(0001)面上形态的影响177

7.6 杂质对三方偏方面体形貌的影响178

7.7 三方偏方面体单形的发育与晶体缺陷179

7.8 三方偏方面体的结构181

7.9 正、负三方偏方面体在柱面m{10?0}上的显露183

参考文献186

第八章 人工水晶中的缺陷187

8.1 X射线貌相术187

8.1.1 形貌相机简介187

8.1.2 投影形貌术的实验方法189

8.1.3 X射线形貌衬度与消光189

8.1.4 柏氏矢量的测定190

8.1.5 水晶中的位错观察190

8.1.6 水晶的结晶习性与缺陷194

8.1.7 缺陷的消光规律207

8.2 腐蚀像209

8.2.1 氢氟酸(HF)腐蚀像209

8.2.2 碱溶液腐蚀像213

8.3 激光干涉图和阴影图216

8.3.1 c(0001)面上三方丘和三棱锥晶体中的缺陷217

8.3.2 晶体中的生长层219

8.3.3 籽晶上的蚀坑与缺陷222

8.3.4 籽晶上的双晶224

8.3.5 籽晶中的裂纹226

8.3.6 包裹体227

8.3.7 Y棒晶体中的干涉图和阴影图228

8.4 缺陷形成机理与缺陷模型229

8.4.1 缺陷与晶体结晶习性的关系229

8.4.2 三方偏方面体的结晶方位与缺陷消光231

8.4.3 缺陷模型232

参考文献240

第九章 水晶中的双晶241

9.1 双晶的定义与种类241

9.1.1 双晶的对称要素与双晶结合面241

9.1.2 双晶的种类242

9.2 水晶中的双晶244

9.2.1 电学双晶245

9.2.2 光学双晶250

9.2.3 接触双晶252

9.3 人工水晶-x(11?0)面上的光学双晶253

9.3.1 -x面上双晶结晶形貌255

9.3.2 -x面上光学双晶腐蚀像258

9.3.3 -x面上双晶的形成与生长条件259

9.3.4 双晶的形成机理261

9.3.5 -x面双晶的抑制263

9.4 双晶成核动力学探讨264

9.4.1 双晶的形成机制264

9.4.2 双晶成核动力学265

9.4.3 形成生长双晶的结构条件269

参考文献271

第十章 水晶中的杂质272

10.1 水晶中的杂质272

10.2 杂质在晶体结构中的位置274

10.3 杂质在水晶中的存在形式276

10.3.1 C轴是Si-O4四面体的共轭螺旋孔道276

10.3.2 X轴方向的褶叠螺旋环278

10.3.3 Si-O4四面体链的弯曲度279

10.3.4 Al3+杂质在柱面m{10？0}上的分布281

10.4 Al3+，H+在水晶中的分布282

10.4.1 Al3+代Si4+后，H+以补偿离子的形式存在282

10.4.2 H+以OH-形式存在于气-液包裹体中282

10.5.1 生长速率对杂质进入晶体的影响283

10.4.3 H+以OH-态形式存在于晶体生长层中283

10.5 生长物理、化学条件对杂质进入晶体的影响283

10.5.2 溶液的性质对杂质进入晶体的影响284

10.5.3 籽晶取向对杂质进入晶体的影响285

10.5.4 压力对杂质进入晶体的影响285

10.6 杂质对水晶结晶习性的影响287

10.6.1 杂质对c(0001)表面结构的影响288

10.6.2 杂质对-x{11？0}，x{？？20}表面结构的影响288

10.6.3 杂质对菱面族R{10？1}和r{？011}表面结构的影响289

13.5 水晶的缺陷与品质292

10.6.4 杂质对Y棒晶体形貌的影响292

10.7 水晶中杂质对红外吸收的影响294

10.8 电解实验298

10.8.1 H+替换碱金属离子的电解实验298

10.9 水晶中Al3+杂质对晶体结构的影响300

参考文献303

第十一章 人工彩色水晶304

11.1 人工生长烟色水晶306

11.1.1 色心型烟色水晶的形成机理306

11.1.2 人工烟色水晶的生长311

11.1.3 烟色水晶的X射线形貌312

11.1.4 烟色水晶腐蚀像320

11.1.5 烟色水晶的激光阴影图326

11.1.6 烟色水晶的红外吸收谱328

11.1.7 烟色水晶的热释光效应335

11.2.1 着色离子在晶体中的存在状态340

11.1.8 烟色水晶的热稳定性340

11.2 离子型烟色水晶340

11.2.2 c(0001)面结构341

11.3 紫色水晶生长343

11.2.3 离子型烟色水晶的生长343

11.3.1 掺Fe化合物种类344

11.3.2 紫色水晶生长籽晶取向345

11.3.3 紫色水晶生长345

11.4 黄色水晶生长348

11.5 离子型彩色水晶生长350

参考文献351

12.1 射线对石英谐振器性能的影响353

第十二章 抗辐射人工水晶353

12.2 自然界中的射线354

12.2.2 天然辐射带354

12.2.3 地球内部放射性物质的影响354

12.2.1 太阳宇宙线和宇宙射线354

12.2.4 核武器爆炸的辐射355

12.2.5 辐射线对石英器件性能的影响355

12.3 抗辐射高纯水晶生长的物理、化学条件358

12.3.1 营养料358

12.3.2 高压釜加内衬套360

12.3.3 生长过程中温度的稳定性360

12.3.4 籽晶的质量和取向361

12.3.5 压力、生长速率对晶体质量的影响362

12.4.1 电清洗技术363

12.4 水晶的电清洗363

12.4.2 电清洗与水晶质量366

参考文献368

第十三章 水晶的质量检查与测试370

13.1 水晶的结晶光学370

13.2 用光干涉法测试水晶的均匀性373

13.2.1 试样制备374

13.2.2 测试原理和光路图374

13.2.3 样品测试376

13.3 准直光照射阴影图382

13.4.1 水晶在红外波段的吸收光谱384

13.4 红外吸收测试384

13.4.2 据红外波段吸收测算水晶的Q值387

13.6 水晶中包裹体的形成与检测397

13.6.1 包裹体的种类398

13.6.2 包裹体的检测方法400

参考文献400

第十四章 水晶的物理性能402

14.1 水晶的光学性能402

14.1.1 透过率402

14.1.2 旋光性405

14.2 水晶的热学性质412

14.2.1 热膨胀412

14.2.2 温度对结晶形态的影响413

14.2.3 导热性415

14.2.4 似热电现象415

14.3 水晶的弹性416

14.4 水晶的导电性与介电性417

14.4.1 水晶的导电性417

14.4.2 水晶的介电性418

14.5 水晶的压电性419

14.6 温度对水晶物理性能的影响421

14.7 水晶谐振器的频率、温度特性423

14.7.1 频率-温度曲线425

14.7.2 频率-温度系数425

14.7.3 频率-温度系数与温度和切角的关系425

14.8 水晶表面波器件特性425

14.9 水晶在声学中的应用430

14.9.1 声体波器件430

14.9.2 声表面波器件430

14.9.3 声传播介质431

参考文献432

第十五章 水晶的切割定向433

15.1 水晶片切型与符号433

15.1.1 晶片在直角坐标系中的方位437

15.1.2 晶片定向参考面的选择441

15.2 水晶定向446

15.2.1 手标本定向446

15.2.2 星芒图定向448

15.2.3 X射线定向448

参考文献456

第十六章 人工水晶生长工艺457

16.1 水晶生长工艺流程457

16.2 溶剂的配制457

16.3 充填度与营养料458

16.3.1 充填度458

16.3.2 熔炼石英(营养料)459

16.4 籽晶464

16.4.1 籽晶取向464

16.4.2 籽晶片尺寸465

16.4.3 籽晶切型、晶体生长尺寸与应用465

16.4.4 籽晶切割469

16.4.5 籽晶厚度与平整度470

16.4.6 籽晶的打孔与清洗470

16.4.7 籽晶面积的计算471

16.5 挡板与籽晶架471

16.5.1 挡板471

16.5.2 籽晶架与支撑架473

16.7.1 高压釜部件的配合474

16.6 高压釜和籽晶架的清洗474

16.7 高压釜的安装474

16.7.2 装釜预紧力475

16.8 高压釜的温度控制475

16.8.1 控制高压釜的升温速率475

16.8.2 控制温度梯度475

16.8.3 生长过程中的温度控制476

16.9 停炉476

16.9.1 在套螺处加润滑油476

16.9.2 提出高压釜476

16.10 开釜477

16.11 高压釜设备的部件检查与维护477

参考文献478

第十七章 人工水晶生长设备479

17.1 高压釜的几种结构形式479

17.2 高压釜材料的选择481

17.3 高压釜的密封环结构与材料的选择484

17.3.1 法兰式和螺纹式高压釜密封环的结构形式484

17.3.2 卡箍式高压釜密封环485

17.4 高压釜强度计算486

17.5 承压螺套487

17.6 拔塞盘488

17.7 防爆装置488

17.8.1 测压系统490

17.8 测压与内测温设备490

17.8.2 内测温系统491

17.8.3 高压釜内测温与外测温的比较492

17.9 加温，测温，保温与控温493

17.9.1 加温与保温493

17.9.2 测温495

17.9.3 控温495

参考文献496

第十八章 天然水晶矿床形成机制的探讨497

18.1 天然水晶矿床形成的物理、化学条件497

18.1.1 温度、压力与水晶成矿作用497

18.1.2 气相对SiO2的溶解和输运498

18.2 水晶的结晶习性与成矿条件的关系500

18.2.1 温度、压力对晶面发育的影响500

18.2.2 液流对晶面发育的影响501

18.2.3 三方偏方面体发育的物理、化学条件502

18.3 天然水晶中的包裹体504

18.4 水晶矿床实例506

18.4.1 石英脉的产状和结构507

18.4.2 晶洞507

18.4.3 水晶的形态特征508

18.4.4 包裹体509

18.5.1 水晶晶洞的形成511

18.5 讨论511

18.5.2 水晶的结晶形貌与成矿温度、压力之间的关系513

参考文献514

第十九章 晶体的结晶习性与生长机制515

19.1 晶体中负离子配位多面体的方位与结晶形貌518

19.1.1 AB2型氧化物晶体518

19.1.2 A2B3型氧化物晶体520

19.1.3 硅酸盐矿物524

19.2 极性晶体的结构与结晶形貌538

19.3 晶体的结晶习性与晶体生长基元543

19.4 在热液条件下的电泳实验及晶体的生长基元549

19.4.1 电泳实验553

19.4.2 讨论557

19.5 用负离子配位多面体生长基元理论制备纳米晶体材料563

19.5.1 水热法制备ZrO2粉体564

19.5.2 水热法制备α-Al2O3粉体566

19.5.3 水热法制备BaTiO3粉体569

19.6 水热法生长晶体的前景570

参考文献572

附录Ⅰ 水晶角表573

附录Ⅱ 水晶的物理参数580

附录Ⅲ 水晶各族晶面X射线衍射角585

附录Ⅳ 水晶器件部分切型参数594

后记596