第四章无机固体化学 无机固体的合成 助熔剂法水热法区域熔炼法化学气相输送法烧结陶瓷 无机固体的结构 0维岛状晶粉结构密堆积和填隙模型 无机晶体结构理论 实际晶体 理想晶体 实际晶体 离子固体的导电和固体电解质 无机功能材料举例 电功能材料 导体、半导体和绝缘体 的导体超导体 电子陶瓷 光功能材料
第四章无机固体化学 无机功能材料举例 电功能材料 导体、半导体和绝缘体 的导体 超导体 电子陶瓷 光功能材料 无机固体的合成 助熔剂法 水热法 区域熔炼法 化学气相输送法 烧结陶瓷 无机固体的结构 O维岛状晶粉结构 密堆积和填隙模型 无机晶体结构理论 实际晶体 理想晶体 实际晶体 离子固体的导电和固体电解质
无机物的主要存在形态是固体，许多无机物只能 以固体形式存在。对无机固体结构的描述，显然不仅 是对离子、原子、分子等有限的核一电子体系的结构 描述的单纯放大，它还涉及到一些晶体结构理论的认 识。在实践上，很多无机固体具有一些特异的性质， 包括光学、电学、磁学及声、热、力等性质以及他们 的相互转化。还有一些无机固体具有催化、吸附、离 子交换等特性。因此，无机固体是当今社会的三大支 柱—材料、能源和信息一的基础。故而在近十几年来， 无机固体化学作为一门涉及物理、化学、晶体学、各 种技术学科等的独立边缘学科，以科学发展史上少有 的先例的飞快速度而蓬勃发展起来
无机物的主要存在形态是固体，许多无机物只能 以固体形式存在。对无机固体结构的描述，显然不仅 是对离子、原子、分子等有限的核—电子体系的结构 描述的单纯放大，它还涉及到一些晶体结构理论的认 识。在实践上，很多无机固体具有一些特异的性质， 包括光学、电学、磁学及声、热、力等性质以及他们 的相互转化。还有一些无机固体具有催化、吸附、离 子交换等特性。因此，无机固体是当今社会的三大支 柱⎯材料、能源和信息 ⎯的基础。故而在近十几年来， 无机固体化学作为一门涉及物理、化学、晶体学、各 种技术学科等的独立边缘学科，以科学发展史上少有 的先例的飞快速度而蓬勃发展起来
4.1无机固体的合成 1助熔剂法制备钇铝石榴石 许多无机固体熔点很高，在达到其熔点之前便先行化学分 解或者气化。为了制备这些物质的单晶可以寻找一种或数种固 体作助熔剂以降低其熔点。将目标物质和助熔剂的混合物加热 熔融，并使目标物质形成饱和熔液。然后缓慢降温，目标物质 溶解度降低，从熔体内以单晶形式析出。 钇铝石榴石Y3AL5012是激光的基体材料，它的单晶是使用 助熔剂法来制备的。 例如，将3.4%(mol)的Y203,7%(mol)的A203,41.5% (mol)的Pb0、48.1%(mol)的PbF,放于铂坩埚，密封加热至 1150一1160℃熔融、保温24h后以4℃/h的速度降温到750℃， 随即停火冷却到室温。然后用热稀HNO3洗去PbO和PbF,助溶 剂，即可得到3.13mm直径的钇铝石榴石
1 助熔剂法制备钇铝石榴石 许多无机固体熔点很高，在达到其熔点之前便先行化学分 解或者气化。为了制备这些物质的单晶可以寻找一种或数种固 体作助熔剂以降低其熔点。将目标物质和助熔剂的混合物加热 熔融，并使目标物质形成饱和熔液。然后缓慢降温，目标物质 溶解度降低，从熔体内以单晶形式析出。 钇铝石榴石Y3Al5O12是激光的基体材料,它的单晶是使用 助熔剂法来制备的。 例如，将3.4％(mol)的Y2O3，7％(mol)的Al2O3，41.5％ (mol)的PbO、48.1％(mol)的PbF2放于铂坩埚，密封加热至 1150－1160℃熔融、保温24h后以4℃／h的速度降温到750℃， 随即停火冷却到室温。然后用热稀HNO3洗去PbO和PbF2助溶 剂，即可得到3.13mm直径的钇铝石榴石。 4.1 无机固体的合成
2水热法制备水晶（α一SO,)和沸石（分子筛）单晶 许多无机固体在常温常压下难溶于纯水，酸或碱溶液，但在高温高压下 却可以溶解。因此，可以将目标物质与相应的酸、碱水溶液盛于高压釜中令 目标物质达到饱和态，然后降温、降压，使其以单晶析出，如水晶、刚玉、 超磷酸盐分子筛等单晶都可用这种方法制得。 例如水晶单晶(a-Si02)是在高压釜中装入1.0一1.2mol/L Si02的NaOH溶液，溶液占高压釜的体积的80~85%，密封后加 热，令釜的下半部达360一380℃，上半部达330一350℃，压力为 1000一20000×105Pa。S0,在下半部形成饱和溶液，上升到上半 部，由于上半部温度低，溶液呈过饱和态从而析出一S0,水晶 单晶。 再如沸石（分子筛）的合成： NaA(OH4(水溶液)+Na2SiO3(水溶液)+NaOH(水溶液) 125℃ Na(AlO2)b(SiO2)c·NaOH.H2O(凝胶) 压力125-175℃ Nax(AlO2)x(SiO2)ymH20(沸石（分子筛）晶体)
2 水热法制备水晶(α－SiO2 )和沸石(分子筛)单晶 许多无机固体在常温常压下难溶于纯水，酸或碱溶液，但在高温高压下 却可以溶解。因此，可以将目标物质与相应的酸、碱水溶液盛于高压釜中令 目标物质达到饱和态，然后降温、降压，使其以单晶析出，如水晶、刚玉、 超磷酸盐分子筛等单晶都可用这种方法制得。 例如水晶单晶(α－SiO2 )是在高压釜中装入1.0－1.2 mol/L SiO2的NaOH溶液，溶液占高压釜的体积的80～85％，密封后加 热，令釜的下半部达360－380℃，上半部达330－350℃，压力为 1000－20000×105 Pa。SiO2在下半部形成饱和溶液，上升到上半 部，由于上半部温度低，溶液呈过饱和态从而析出α－SiO2水晶 单晶。 再如沸石(分子筛)的合成: NaAl(OH)4 (水溶液)＋Na2SiO3 (水溶液)＋NaOH(水溶液) ↓25℃ Naa (AlO2 )b (SiO2 )c·NaOH·H2O (凝胶) 压力↓25－175℃ Nax (AlO2 )x (SiO2 )y·mH2O (沸石(分子筛)晶体)
3区域溶炼法制单晶硅 区域溶炼法是将目标物质的 粉末烧结成棒状多晶体，放入单晶炉 ，两端固定，注意不要使多晶棒与炉 壁接触，这样，棒四周就是气体气氛 。然后用高频线圈加热，使多晶棒的 目标物质 杂质 很窄一段变为熔体，转动并移动多晶 棒，使熔体向一个方向缓慢移动，如 果重复多次。由于杂质在熔融态中的 浓度远大于在晶态中的浓度，所以杂 质将集中到棒的一端，然后被截断弃 加热 去。同时，经过这种熔炼的过程，多 晶棒转变为单晶棒。 在半导体上十分有用的单晶硅、砷化镓就是通过这种 方法获得的
3 区域溶炼法制单晶硅 区域溶炼法是将目标物质的 粉末烧结成棒状多晶体，放入单晶炉 ，两端固定，注意不要使多晶棒与炉 壁接触，这样，棒四周就是气体气氛 。然后用高频线圈加热，使多晶棒的 很窄一段变为熔体，转动并移动多晶 棒，使熔体向一个方向缓慢移动，如 果重复多次。由于杂质在熔融态中的 浓度远大于在晶态中的浓度，所以杂 质将集中到棒的一端，然后被截断弃 去。同时，经过这种熔炼的过程，多 晶棒转变为单晶棒。 s l 目标物质 杂质 加热 在半导体上十分有用的单晶硅、砷化镓就是通过这种 方法获得的