晶体性能 [对准晶体电磁性能的研究]

对准晶体的电磁性能的研究

韩睿琪

河北工业大学材料学院金材卓121班，学号：121885

摘要：

准晶体是一种介于晶体与非晶体之间的固体。正是因为它独特的结构特点，所以准晶体的性能很具有研究开发价值。本文重点论述了准晶体的电磁性能，为进一步研究准晶体材料提供参考和依据。

关键词：准晶体；电性能；磁性能；发展前景

1.引言

2011年的诺贝尔化学奖被授予以色列的科学家丹尼尔·谢赫曼，以表彰他在发现准晶体领域所作出的突出贡献。美国普林斯顿大学的教授斯坦哈特表示：“谢赫曼的发现彻底颠覆了具有 200 多年历史的认知，是一个引人瞩目的重大发现。” 瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会在对这一科学发现评价时表示：“谢赫曼的发现促使科学家重新思考对固体物质结构的认识。”这是非常了不起的评价。

2.准晶体的概况

2.1 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。[1]

2.2准晶体的性质

2.2.1 五次旋转对称性

经典晶体学中，无论是14种布拉菲点阵还是230种空间群，均不不允许有五次对称，因为五次对称会破坏空间点阵的平移对称性，即不可能用正五边形布满

二维平面，也不可能用二十面体填满三维空间。而准晶的发现颠覆了这种观念，准晶的特点之一就是五次对称性。其实，矿石界的蛋白石，有机化学中的硼环化合物，生物学中的病毒，都显示出五次对称特征，而数学家们早已为准晶做好了理论铺垫。对于Shechtman的准晶体衍射图案和彭罗斯的拼图来说，都有一个迷人的性质，就是在它们的形态中隐藏着美妙的数学常数τ，亦即黄金分割数

1.618……。彭罗斯拼图以一胖一瘦两种四边形（内角分别为72度、108度和36度、144度）镶拼而成，两种四边形的数量之比正好是τ；同样的，在准晶中，原子之间的距离之比也往往趋近于这个值。接着，1981-1982年，Mackay把Penrose的概念推广到三维空间，两种三十面体穿插起来得到的二十面体对称性，并用光学变换仪得出五次对称的光学衍射图。[1]

2.2.2准周期性

众所周知，五次对称性和周期性是不能共存的。如果坚持五次对称，就必须考虑准周期性。沿与5次轴正交的一个轴看去，线段的长度并不是随意的，而仅有一长一短两种，他们的比值恰好是黄金分割数1.618…，且图中所有夹角都是/5的整数倍。也就是说，虽然这种二维结构中不具有周期性，但也不是完全混乱无序的，无论是长度还是夹角都有定值。[1]

3 准晶体电性能的研究现状

3.1准晶体的导电性

电性能是物质的一种非常基本而且重要的物理性能，通过对它的研究，不仅可以发现准晶体独有的特征，而且还能进一步对准晶体的微观结构、行为进行推测。目前实测的宏观电性能包括电阻率、霍尔效应、热电势等。

许多准晶体的电阻率介于非晶体和晶体的电阻率之间，且接近于非晶体的电阻率，图1给出了Al-Mn-Si的研究结果，Al-Mn-Si准晶与非晶体的电阻率接近，且它们的电阻温度系数都为负值。Al-Mn及其它大多数准晶体的电阻率有类似的结论。但也有少数准晶体的电阻率与对应的晶体的电阻率相似，而与非晶体的电阻率相差较大。Al-V准晶体的电阻温度系数变化很小。[2]

图1：AlMnSi的ρ-T的关系

K.Kimura等研究了单相铝基准晶体的电性能,发现从1K到室温,准晶态Mn合金的电阻率在800至1000μΩcm之间,电阻温度系数为负值。从1K到77K,准晶态AI一V合金的电阻率在200至400μΩcm之间。准晶体的高电阻率与极短的电子平均自由程有关。准晶的电阻不能用简单的机制来说明,目前的解释是过渡族金属的d电子态密度高,导致共振散射增强,连同准晶的本征无序导致了它的高电阻率。T.Masumof等也报导了对AI一Mn准晶的电性能的一个研究结果,他们指出,快淬Mn准晶的电阻率极高,电阻率在很宽的温度范围内与温度几乎无关。电阻率的数值随锰含量的增加而增大,特别是锰量超过20at%,高电导率的晶体Al相消失后,电阻率急剧增大。

与金属的导电性质相比，准晶显示出一种迥然不同的性质。准晶一般有比较大的电阻；如在温度为4K 时二十面体准晶Al -Cu-Fe的电阻率ρ（4K）=4.3m Ω cm， I-Al-Cu-Ru 的电阻率ρ（4K）=30m Ω m。当温度不太高时，准晶的电阻随温度的增加而减少，在AlCuCo二维准晶中, 沿10次轴这个周期方向, 电阻随温度升高而增大（圆圈）, 与金属中的情况一致；而在与此正交的准周期方向, 电阻随温度升高而减小（圆点）, 与半导体相似。这种反常的各向异性可能对制造电子器件有用。美国贝尔实验室也在进行类似的研究。

图2：电阻随温度变化的各向异性

准晶的电阻与其组分浓度有关。实验发现，准晶的导电性能随样品质量的改善反而降低。准晶异常的导电性能反映准周期结构对物理性能的影响，它可以从准周期系统中电子结构的异常性中得到解释。[3]

3.2准晶体导电性的应用

目前，准晶体导电性能主要应用于发光二极管、半导体材料等。此外，准晶体材料还可以作为结构材料增强相的应用、储氢材料、半导体材料以及热致发电材料等。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。目前各国化学家也正在研究准晶体材料在真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等方法制备准晶膜的应用。

4.准晶体磁性能的研究现状

4.1准晶体的磁性能

二十面体准晶的独特结构,很容易把它与软磁材料联系在一起。软磁材料的特点是高的磁导率,低的矫顽力和低的铁芯损耗。而二十面体准晶的特点是具有

极高的电阻率和较高的对称性(比任何晶态磁性材料都高) ,易磁化轴数比晶态多,各向异性的位垒低,畴壁运动或磁矩转动都比较容易,因而可以有效地降低矫顽力和铁芯损耗。所以,虽然二十面体准晶因具有磁各向异性而降低了磁导率,但仍有可能成为具有优异软磁性能的磁性材料。对于二维准晶,若易磁化轴是其周期排列的主轴,则有可能获得单轴各向异性的新的永磁材。

与非晶体的磁性不一样，具有磁性的准晶体大多数呈现弱常磁性或反磁性，其磁化率x不随温度变化。如图3，深道和明研究了Al65Cn20Tm15(Tm=Mn、Fe、Cr)准晶体的磁化率与温度的关系。可见，Al65Cn20Mn15准晶体的磁化率最大，在0~100K温度范围内其磁化率随温度升高而近似的呈反比降低，T>100K是，x不随温度变化而变化。在T50K时，Al65Cn20Fe15和Al65Cn20Cr15的磁化率相等且与温度无关。

[2]

图3：AlCuTm准晶的X-T关系

为了进一步研究准晶体和开拓准晶体的应用，人们探索各种途径去寻找铁磁性准晶材料，对Al-Mn系准晶，若能设法改变Mn-Mn间距就可能得到正交换作用的磁铁性耦合。通过在Al-Mn系中深入Si，得到Al-Mn-Si系铁磁性准晶，图4为准晶Al55Mn20Si25的磁化曲线，该准晶在115K下显示铁磁有序。另外一种途径使用Fe取代Mn，继而加入稀土元素，以提高准警钟磁性元素含量，结果在AlFeCe合金中得到了铁磁性准晶，如图5。这几种准晶体的磁化强度都很低，还远不能达到应用阶段，但人们仍在努力寻找有应用价值的准晶材料。有资料介绍对Al一Mn和U一Pd一Si准晶体的磁化率进行了测量,发现Mn原子和U原子有局部磁矩。令人吃惊的是,在a(AlMnsi)中Mn没有磁矩;但在二十面体的(AIMnsi)中Mn却有

磁矩,而a(A1MnSi)与I(A1MnSi)的局部结构是很相似的。[2]

图4、5：铁磁性准晶的磁化曲线

4.2 准晶体磁性能的应用

准晶体的磁性能是一个很有发展前景的性能。虽然至今尚未获得真正的准晶磁性材料, 但由近期开发的居里温度在300～500K的二十面体Al70 - X Pd15Mn15BX铁磁性准晶材料等成果可以相信,随着对准晶材料研究的不断深入,一定能开发出具有实际应用价值的准晶磁性材料。

5.结论

目前，人们对准晶体的性能研究还非常有限，尤其是对准晶体电性能和磁性

能的研究还有很大提升的空间。而准晶体的性能恰恰又是准晶体研究中的最重要一环，研究准晶体最终目的也是为了使它能够得到更为广泛的应用与开发。最近已基本上解决了大块高质量准晶体的制备技术，为研究准晶体的性能提供了条件与基础。但是仍有许多问题有待于解决。一旦人们对于某一新材料的有了全面的认识，那么将会意味着将会有很多有特殊用途的新材料诞生。总之，准晶体的性能研究具有广阔的前景，我们还需为准晶体的研究做出不懈努力。

参考文献：

[1] 中国科学院, 奇趣的准晶. 2013（3）

[2] 蒙冕武, 李松瑞. 中南工业大学. 准晶体的性能. 1993(8)

[3] 潘正根. 四川大学材料科学与工程学院. 准晶体的性能及其应用. 2009

[4] 《以色列科学家发现“准晶体”》. 科技日报. 2011-10-08

[5] 李志强, 徐 洲, 李小平等. 《准晶材料的应用研究进展》[J].中国科技信息, 2010.22:911

[6] 《谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖》, 新华社,2011. 11

[7] 吴玉芹, 于凉云, 张奇, 李立冬. 《2011年诺贝尔化学奖——准晶体简介》

[8] 伍陶陶, 刘育, 樊振军. 《准晶材料的研究及应用》.中国地质大学(北京)材料科学与工程学院物理实验中心.2011-12-10

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[10] Levine D, Steinhardt P J, Phys Rev Lett, 1984, 53(26),2477~2480

[11] Bendersky L, Phys Rev Lett, 1985(14), 1461~1463

[12] Wang N, Chen H, kuo K H, Phys Rev Lett. 1987,59(9), 1010~1013

[13] Richard Van Noorden. The quasicrystal from outer space[EB/OL]. 2012-01-03.

[14] 董闯, 王英敏, 羌建兵等. 准晶奇特而又平凡的晶体——2011 年诺贝尔化学奖简介[J]. 自然杂志,2011, 33(6): 322-327.

[15] 郭可信. 准晶的晶体学特征[J]. 化学进展, 1994, 6(4): 266-279.

[16] 陈敬中.准晶结构与 Penrose 拼图[J].地球科学, 1993, 18(S1): 56-62.

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[18] 陈敬中.准晶体的基本性质[J].地球科学, 1993, 18(S1): 13-24.