晶体结构范文

晶体结构篇1

关键词： Diamond软件 空间点阵 晶体结构 相当点

1.引言

结构化学是一门在原子、分子水平上讨论物质微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。它不仅是化学专业的一门基础理论课，而且是化工、材料、生物、环境等学科的一门专业基础课。结构化学是一门理论性较强的科学，有些概念抽象难懂，尤其是晶体结构这部分内容，非常的抽象微观，需要有一定的空间想象能力。晶体结构的抽象复杂性，对学生来说有一定的难度。因此，晶体化学学习的重点和难点，是如何使学生能真切地感知微观世界的精彩和奇妙。Diamond软件的引入可以将抽象复杂的东西直观形象地展现在学生面前，发展学生的空间想象能力和抽象思维能力。

Diamond软件是德国波恩大学Crystal Impact GbR公司开发研制的一个化学专业软件。利用该软件不仅能创建晶体模型，还能以各种形式（线状，球棍状或空间堆积状，多面体形式等）展示晶体模型，而且模型可以根据用户的需要自由旋转、移动和缩放，可以用着色方案对原子进行强调和渲染，也可以对晶体模型进行文字标注，同时记录其运动过程，制作成动画文件，在其他多媒体播放器中播放。其结果可以以BMP、GIF、JPGE等图片格式输出，同时也可以用复制粘贴命令将绘制的图片文件直接放入文档。由于这款软件没有复杂的规则，命令简单易操作，并且在操作与运行并不要求具备较多的计算机知识，因此，它可以很容易地被教师运用在教学中，提高教学的效率和质量。本文以Diamond 3.0a版本为例，通过构建Cu与CaF2两类晶体的空间点阵模型，来说明Diamond软件在《结构化学》晶体结构部分教学过程中的辅助作用。

2.利用Diamond软件构建晶体空间点阵

用相当点的方法可以确定晶胞的空间点阵。在晶体结构中确定相当点的位置，所选择的相当点需要满足两个条件：a.所选点所在位置的种类和空间位置相同，如位于某种质点的中心，或某个特定几何构型的中心等；b.所选点的周围环境（三维空间）相同，如在该点的相同方位和距离上有相同的质点和几何构型。因此，我们在借助Diamond软件构筑和判断空间点阵类型及有关信息的时候，最关键的一点也就是能够凭借上面的条件找到合适的相当点的位置，并成功用软件体现出来。我们选择了两类晶体实例：Cu与CaF2，它们分别代表了两种晶体类型：金属晶体和离子晶体，用Diamond软件演示如何构筑它们的空间点阵。

（1）利用Diamond软件构建金属晶体Cu的空间点阵

晶体Cu的晶体结构是由质点Cu原子构成的。在其晶体结构中，Cu原子采用典型的立方紧密堆积方式在三维空间进行排布。每个Cu原子的周围由12个Cu原子紧密相邻，即每个Cu原子的配位数是12，其周围的配位环境是完全相同的。我们就此可以判断，质点Cu原子的位置完全符合相当点的两个选择标准，我们可以把晶体Cu的相当点坐落在所有的Cu原子的位置上。

利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体Cu的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点Cu原子都显示在软件的图片之中。因为晶体Cu的结构中只有一种质点，而相当点位置坐落在质点Cu原子的位置上，所以就不需要进行相当点之外其他质点的删减了。这样我们就直接得到了晶体Cu的空间格子的示意图（图1）。从图中我们可以很明显地看出晶体Cu的空间点阵属于立方F格子形式。

图1. 晶体Cu的空间点阵示意图

（2）利用Diamond软件构建离子晶体CaF2的空间点阵

首先，用Diamond软件绘制晶体CaF2的一个晶胞。菜单Build＼Fill＼Unit Cell，晶体单胞中的所有质点就出现了，然后继续菜单Build＼Connect Atoms，质点就通过化学键连接起来了。这样就通过Diamond软件的绘制得到了晶体CaF2结构中一个单胞的球棍结构图（图2（a））。图2（a）中，黑色球是F-，白色球是Ca2+，之间的连线表示化学键，细灰色线是晶胞的界限。

然后，我们就在图中提供的信息的帮助下，选择合适的相当点位置。观察确认过程具体如下：先选择阴离子F-的位置作为相当点坐落的位置，观察其位置和环境是否满足相当点的条件。第一，阴离子F-是同属一种质点类型，满足a条件；第二，虽然每个阴离子F-的周围都有四个阳离子Ca2+与之配位，都形成正四面体的配位多面体，但是所有的正四面体配位体在三维空间的摆置方式却是不完全相同的，摆置方式分成两种情况。如图2（a）中所示，配位四面体与四面体在三维空间的伸展方式是不同的。所以阴离子F-不满足b条件。如此可知晶体CaF2结构中，相当点的位置是不可以坐落在所有阴离子F-的位置，只能选择配位环境完全一致的阴离子F-坐落。于是我们继续勘察阳离子Ca2+的条件是否满足相当点的选择：第一，很明显阳离子Ca2+是同属一种质点类型，满足a条件；第二，每个阳离子Ca2+的周围都有八个阴离子F-与之配位，形成立方体的配位多面体，而且所有立方体配位多面在三维空间的摆置方式完全相同，所以满足b条件。如此可知CaF2结构中，相当点的位置可以坐落在Ca2+的位置。

利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体CaF2的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点都显示在软件的图片之中，下面需要进行质点的删减。因为我们选择的相当点位置坐落在Ca2+的位置上，所以所有的F-必须删掉。菜单View＼Table＼Create Atoms，软件的左面部分就会出现Table of Create Atoms，从Table of Create Atoms中选中所有的F-，点击删除。完成后，图片中剩余的质点就可以作为空间点阵中的点阵点，我们就得到了晶体CaF2的空间格子的示意图（图2（b））。从图中我们可以很明显地看出CaF2的空间点阵亦属于立方F格子形式。

3.结语

总而言之，Diamond软件是一款功能强大、命令简单直接、操作方便快捷的画图软件。在结构化学的晶体结构部分中，点阵是一个非常模糊晦涩的概念，这部分的教学过程中，如果教师合理适度地引入Diamond软件辅助教学，将结构进行直观、方便的图形演示，把复杂的问题简单化，把抽象的问题形象化，就可以加深学生对晶体学知识的理解和认识，增强教学效果。

参考文献：

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［3］潘道皑，赵成大，郑栽兴. 物质结构［M］.北京：高等教育出版社，1989.

晶体结构篇2

关键词：晶体硅太阳能电池；高效；电池结构

晶体硅太阳能电池要获得大面积推广，关键在于如何降低成本和提高转换效率。降低成本主要是降低原材料成本特别是硅片成本。设计高效的太阳能电池结构，不仅能提升太阳能电池的转换效率，也在一定程度上能降低成本。文章对几种高效晶体硅太阳能电池逐一作介绍。

1 PESC太阳能电池

钝化发射极太阳能电池（Passivated-Emitter Solar Cell，PESC）是第一个转换效率超过20%的晶体硅太阳能电池[1]。PESC太阳能电池效率的提升得益于微型槽技术，也就是选择性刻蚀暴露晶面的表面纹理技术。微型槽能够减少光线在电池表面的反射；垂直光线首先到达微型槽表面，经表面折射后以41°角进入硅片内部，使光生载流子更接近太阳能电池的发射结，因而提高了光生载流子的收集效率，还使得发射极横向电阻降低了3倍，降低发射结电阻可提高电池的填充因子。

PESC太阳能电池的主要特征是表面氧化层钝化技术。经磷扩散制得发射结后，在太阳能电池背面沉积上一层铝并使Al和硅形成合金制得Al背场，Al背场既可以起到吸杂的作用，又在电池背面建立起一个电场，阻止载流子向背面迁移，降低了背表面的复合。接着采用氧化工艺在表面生长一层二氧化硅，正面氧化层可大大降低载流子的表面复合速率，因此提高了太阳能电池的开路电压。PESC太阳能电池的金属电极先由剥离方法形成Ti-Pd接触，然后电镀Ag构成。这种接触有大的高宽比和小的接触面积，镀Ag也提高了电极的导电能力，因此PESC太阳能电池的填充因子可以做到大于83%，转换效率也达到了20.8%（AM1.5）。

2 PERL太阳能电池

钝化发射极、背面局部扩散（Passivated-Emitter and Rear-Locally diffused，PERL）太阳能电池是转换效率的保持者，其转换效率高达25%[3]。

PERL太阳能电池的特色设计是采用逆金字塔绒面结构，绒面上沉积MgF2与ZnS双层抗反射膜，该结构使太阳光在第一次到达金字塔的一侧时就有机会进入太阳能电池内部。反射的部分太阳光经另一个金字塔侧面反射又能有机会进入电池内部，从而增加太阳光进入太阳能电池内部的机会。太阳光进入太阳能电池后，在朝着太阳能电池背面行进的过程中大部分被吸收，而未被吸收的长波段的入射光在到达背面时会被反射重新回到太阳能电池中来，这是因为背面蒸镀了一层铝之后，能形成一个有效的反射系统。倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的陷光结构，可增加太阳光在电池内部的光学长度，提高电池的短路电流。

PERL太阳能电池利用热氧化层双面钝化发射极和背面，降低了表面态，减少了少数载流子的复合，降低反向饱和电流密度，改善了太阳能电池的光谱响应。使用BBr3和PBr3液态源进行分区扩散掺杂，栅线电极下进行浓磷扩散，减少电极接触电阻；受光面进行淡磷扩散，降低横向电阻功耗，改善短波响应。

3 埋栅太阳能电池

埋栅太阳能电池（Buried-Contact Solar Cell，BCSC）制作过程[4]是先去除损伤层和制绒，再在整个硅片表面进行浅扩散和氧化。制作过程无需经过除磷硅玻璃的步骤，而是利用激光将太阳能电池表面刻蚀出沟槽，这也是埋栅太阳能电池最具特色的设计，其沟槽深度不可太大，否则会影响到电池的开路电压。化学腐蚀的方法对沟槽进行了清洗后，进行第二次扩散，即实现在接触区域选择性的磷扩散，此次扩散浓度比第一次浓得多。接下来就是用化学镀将金属嵌入太阳能电池表面的一系列狭窄槽内。

埋栅太阳能电池电极位于电池内部，减少了电极的遮蔽面积，不仅增加了入射光的吸收，改善了开路电压，也改善了串联电阻效应，降低了电极的载流子复合速率，也使得填充因子增加，所以整体而言太阳电池效率提高了很多，达到了19.9%。

4 背面点接触太阳能电池

背面点接触（Interdigitated Back-contact）太阳能电池利用了点接触（Point-contact cell，PCC）及丝网印刷技术[5]。Sunpower公司采用n型区熔硅作为衬底材料，前表面无栅线，没有电极的遮挡，并通过金字塔结构和减反射膜来增强太阳光的吸收，提高了太阳能电池的陷光效应。电池的表面采用热氧化工艺生成二氧化硅钝化层，降低了表面复合，提高了电池的开路电压。背面电极与硅片之间通过二氧化硅钝化层中的接触孔实现了局部性的背面点接触，减少了金属电极与硅片的接触面积，进一步降低了载流子在电极表面的复合速率，提高了电池的开路电压，也使得电池效率最高达到了23%。后来为了降低成本，已逐步采用n型直拉单晶硅材料作为衬底材料，太阳能电池效率也可达到19%以上。

5 HIT太阳能电池

HIT太阳能电池采用异质结结构[6]，结构的特色是在非晶硅和晶体硅之间夹有一层本征非晶硅层。结构的实现是基于三洋公司在制备高质量低损伤非晶硅薄膜和非晶硅太阳能电池时采用的等离子体薄膜沉积技术。

制作流程是首先进行硅片的清洗，接着用PECVD法形成非晶硅薄膜层，表面一侧形成i型非晶硅层以及p型非晶硅层，背面形成i型非晶硅层以及n型非晶硅层，再在两面形成的非晶硅层上沉积透明导电膜和金属电极，完成整个电池片的制作。

晶体结构篇3

关键词：晶体振荡器；相位噪声；交叉耦合；RC高通滤波

中图分类号：TN432 文献标志码：A

A Low Noise Cross-coupled Integrated Quartz Crystal Oscillator

XIE Haiqing1， ZENG Chengwei1， ZENG Jianping2， TANG Junlong1，

JIA Xinliang1， PENG Yongda1， WANG Chao1

（1. School of Physics & Electronic Science， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114，China；

2. College of Physics and Microelectronics Science， Hunan University， Changsha 410082，China）

Abstract：By improving the circuit structure and adopting the CMOS cross-coupled structure to provide negative resistance， a 20 MHz integrated quartz crystal oscillator was proposed. In this oscillator， the common-mode feedback was adopted to achieve stable DC output， and the RC high filter circuit and the pre-rejection circuit were designed to reduce the phase noise. With NUVOTON 0.35 μm CMOS process， the circuit was designed and simulated by the Spectre in Cadence. Under the supply voltage of 3.3 V and the bias current of 400 μA， the results indicated that start-up time of the oscillator was about 1.5 ms， the peak value of the output waveform was 1.08 V， the DC output was about 801.6 mV， the frequency of output was 20 MHz， and the phase noise reaches -155 dBc/Hz@1 kHz and -164 dBc/Hz@10 kHz， respectively.

Key words：crystal oscillator； phase noise； cross-coupled； RC high pass filter

在全球定位系统、通信、导航、时间与频率计量等领域，晶体振荡器作为系统的基准参考频率源，一直是一个不可缺少的器件.随着信息技术的快速发展，对基准频率源的精确度、稳定度提出了越来越高的要求.相位噪声作为信号源的重要参数指标之一，对通信设备的性能有着重要意义[1].目前，石英晶体振荡器主要由分立元器件组成.常见的三点式石英晶体振荡器主要有以下3种：皮尔斯（Pierce）振荡器，科尔皮兹（Colpitts）振荡器和克拉普（Clapp）振荡器[2-4].杨骁等人[5]对三点式振荡器的起振条件和相位噪声进行了详细分析，提出了一种带增益控制环路的振荡电路，降低了起振时间，并提高振荡器的相位噪声性能.在晶体振荡电路中，振荡器的相位噪声是振荡器性能的关键参数.唐路等人[6]提出了一种PMOS差分结构降低相位噪声.Siwiec[7]提出了一N双反馈回路结构降低相位噪声.Wang等人[8-9]利用噪声模型指导低噪声振荡电路的设计.三点式振荡器虽然在结构、可靠性和噪声性能等方面具有优势，但是只能输出单端信号.差分电路结构在调节线性度、共模噪声抑制、环境噪声抑制以及电源噪声抑制等方面都有明显优势，在压控振荡器中应用广泛.本文基于差分对称输出的交叉耦合结构，并增加共模反馈模块和RC滤波模块，设计一种低相位噪声交叉耦合结构的集成石英晶体振荡器.

1 传统石英晶体振荡器电路分析

晶体谐振等效模型及传统的三点式电路如图1所示.图1（a）为石英晶体的等效模型，其中，Lq为寄生电感，其值大小表征石英晶体的振动质量；Rq为寄生电阻，其值大小表征石英晶体振动时的能量损耗；Cq为寄生电容，其值大小表征石英晶体谐振器的机械弹性；C0为静态电容.本文采用基频为20 MHz的石英晶体，其等效模型各参数为Lq=6.3 mH，Rq=50 Ω，Cq=10 fF，C0=5 pF.其品质因数Q为：

Q=1RqLqCq≈20 000 （1）

根据巴克豪森准则，一个振荡电路的阻抗之和必须小于等于0，才能起振.因此，在图1（b）所示的石英晶体振荡器振荡中，除晶体之外的等效负阻阻值必须等于晶体的串联电阻Rs.

在图1（b）中，Zs 表示晶体的串联支路的阻抗，Zc为其余电路阻抗之和，满足振荡的临界状态为：

2 低噪声交叉耦合结构振荡电路

本文设计的交叉耦合结构的石英晶体振荡器及其等效电路如图2所示.其主要由预抑制电路、CMOS交叉耦合电路、RC滤波电路、偏置电路和谐振网络等5部分组成.

由图2（a）可知，偏置电压经过预抑制电路后通过电流镜给交叉耦合振荡电路提供一个稳定的偏置电流Ib.石英晶体在稳定振荡时工作在感性区间，因此，本文将石英晶体等效为一个电感来代替传统的CMOS交叉耦合VCO结构中的电感.同时在保证电路对称的情况下，改进电路结构，只需接一个石英晶体.如图2（a）所示，输出端OSC1和OSC2分别接石英晶体的两端.在PMOS对和NMOS对的栅极与输出端之间加入RC滤波电路.石英晶体两端各接一个负载电容CL，而R1和R2给振荡电路提供静态工作点.尾电流源给振荡电路提供偏置电流，同时考虑到电流源也会给振荡电路带来噪声，以噪声系数相对较小的PMOS电流镜作为尾电流源，能有效隔离电源噪声，并提供稳定的基准电流.

2.1 CMOS交叉耦合结构

本文采用CMOS交叉耦合结构产生负阻补偿振荡电路振荡时的能量消耗，其工作在饱和区时的阻值为：

R=-2/geff （5）

式中：geff为交叉耦合振荡器的等效跨导.对于单个的交叉耦合对：

geff=gmn=gmp （6）

对于CMOS交叉耦合对：

geff=gmn+gmp （7）

由式（6）和式（7）可知，相对于单个的耦合对，CMOS交叉耦合对能提供更大的负阻，所需要的电流更小，因此降低了功耗.

R1和R2为电路提供静态工作点，静态工作电压为：

V=VDS1=Vth+Ib/μnCoxWLM1（8）

在振荡器工作时，NMOS对管M3，M4和PMOS对管M1，M2都是一个开启，另一个关断，全部偏置电流只流过其中一个MOS管，大小为Ib.从而，可计算出该电路的输出电压峰峰值VF为：

VF=IbZab （9）

式中：Zab为谐振网路的等效阻抗.若用Zxtal表示晶体等效阻抗，则Zab为：

Zab=1jωC1+R1R31jωC5+R5×2Zxtal （10）

2.2 RC滤波电路

振荡电路中的低频噪声可采用滤波电路来滤除掉.如图2（a）所示，在每个耦合管的栅极都加入一个RC高通滤波电路.在低频时，C1，R3和C2，R4分别引入90°相移，因此，对PMOS交叉耦合对引入90°相移.同理，C3，R5和C4，R6对NMOS交叉耦合对也引入90°相移.电路在低频时变成了负反馈，能很好地滤除低频噪声，而在工作频率（20 MHz）时，电路仍为正反馈，能正常工作.另外，加入RC滤波电路后，该振荡电路的交叉耦合管的等效跨导变为：

|g′eff|=11+1jRCωcgeff=II-jωrωcgeff=

1I+ωrωcgeff（11）

式中：ωr为RC滤波器的截止频率；ωc为振荡频率.

由式（11）可知，在加入滤波电路后，该电路的等

效跨导与截止频率成反比，因此高的截止频率虽能很好地滤除低于振荡频率的噪声，但会使振荡电路难以起振.经仿真折衷，取截止频率为10 MHz，R3= R4 =R5 =R6=5 kΩ，C1=C2=C3=C4=3 pF.

2.3 谐振网络

石英晶体的高Q值是保证晶体振荡器低相位噪声的根本条件.当谐振器接入振荡电路后，会引入附加损耗，使谐振器的有载Q值降低.图2（a）所示的振荡电路可等效为石英晶体带RC负载的谐振网络，如图2（b）所示.其中，输出阻抗Rp=2Rin（Rin为OSC1的等效输入电阻），Cp=CL/2（CL为负载电容）.将Rp和C0+Cp由并联改为串联后，等效电阻和等效电容分别为：

Rs=Rp1+ω2c（Co+Cp）2R2p（12）

Cs=1+ω2c（Co+Cp）2R2pω2c（Co+Cp）2R2p（13）

则有载品质因数Qe为：

Qe=ωcLq/（Rs+Rq） （14）

将式（12）代入式（14），可得有载Q值与负阻的关系为：

Qe=ωcLq+Lqω3c（Co+Cp）2R2pRp+Rq+Rqω2c（Co+Cp）2R2p

（15）

根据式（15）可知，电路的有载Qe值随输出阻抗增大而增大，因此可通过增大电路的输出阻抗Rp来提高Qe值.而CMOS交叉耦合结构的输出阻抗为：

Rp=ronrop1gmn+gmn（16）

由式（16），可以得出：

Rp∝1（W/L） （17）

由公式（15）和（17）可知，电路有载Qe值随MOS管的宽长比的增大而减小.但MOS管的宽长比减小会导致其跨导减小，不仅使提供的负阻较小，而且使电路难以起振.根据计算和仿真，本文取NMOS管的宽长比为（W/L）n=140/3，PMOS管的宽长比为（W/L）p=320/1.5.

通过式（12）也可看出，增加石英晶体的负载电容也可以增加电路的有载Q值，但负载电容过大会导致电路频率的偏移和难以起振，经仿真折衷，我们取负载电容值CL=30 pF.

2.4 预抑制电路

为了更一步降低电源噪声，抑制电源纹波，我们增加了预抑制电路.如图2（a）所示，A抑制电路由PMOS管M9，M10，M14，M15；NMOS管M11，M12，M13；电容C7和电阻R7组成.

在A抑制电路中，M10可以将VGS10钳位在阈值电压附近，M11，M12，M13，M14，M15，M9和M10构成反馈调节电路.当Vbias增大时，M9的过驱动电压由于反馈而减小，该反馈环路的直流开环增益很大，从而将偏置电压Vbias钳位到一个恒定的值，使得Vbias随电源电压变化非常小.C7和R7构成密勒补偿电路稳定该反馈环路，通过设置合适的元件参数可以极大地抑制尾电流源的噪声.

3 版图设计与仿真分析

基于 NUVOTON 0.35 μm CMOS工艺版图设计规则，设计版图如图3所示，版图面积为200 μm×120 μm.

电路图采用Cadence 软件中的Spectre模块完成仿真.版图在完成寄生参数的提取后采用Hspice完成后仿真，在电源电压3.3 V时，输出电压波形分别如图4和图5所示.图4所示该石英晶体振荡器的起振时间约为1.5 ms.图5（a）所示振荡器电路仿真的输出波形峰峰值约为1.08 V，输出直流电平约为801.6 mV，输出频率为19.95 MHz；图5（b）所示振荡器版图后仿真的输出波形峰峰值约为1.02 V，输出直流电平约为786 mV，输出频率为20.01 MHz，两者吻合很好.

该石英晶体振荡器相位噪声如图6所示.由图6可知，本文设计的低噪声交叉耦合结构晶体振荡器相位噪声分别可以达到-155 dBc/Hz@1 kHz，-164 dBc/Hz@10 kHz.

表1给出了本文设计的石英晶体振荡器的相位噪声与其他文献的对比.从表1中可以看出，该石英晶体振荡器由于采用CMOS交叉耦合结构，以及增加了RC滤波电路和预抑制电路，使该振荡器的相位噪声良好，尤其在低频处相位噪声有较大的改善.

4 结 论

本文基于NUVOTON 0.35 μm CMOS工艺，采用共模反馈和RC高通滤波模块，提高输出直流电平的稳定性和输出波形的对称性，并增加预抑制电路降低相位噪声，实现了一种具有差分输出的低相位噪声CMOS交叉耦合石英晶体振荡器.在电源电压为3.3 V，偏置电流为400 μA时，该振荡器的起振时间约为1.5 ms，输出19.95 MHz的稳定频率信号，两路输出信号波形具有良好的对称性，峰峰值约为1.08 V，输出直流电平约为801.6 mV.相位噪声分别可以达到-155 dBc/Hz@1 kHz，-164 dBc/Hz@10 kHz.

参考文献

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晶体结构篇4

[关键词] 华蟾素 晶状体上皮细胞 抗增殖 DNA结构 凋亡

华蟾素（Cinobufotalin）为纱蟾蜍科动物中华大蟾蜍（Bufobufo gargarizans Cantor）或黑眶蟾蜍（B.melano stictus Schneider）等的全皮提取制剂, 具有清热解毒，利水消肿，化瘀溃坚等作用，已列为部级中药保护品种并已广泛应用于临床[1]。本研究通过建立兔晶状体上皮细胞（Len epithelial cells, LECs）的体外培养体系，探讨不同浓度的华蟾素干预兔LECs生长的效应及对DNA结构的影响。

l 材料与方法

1.1 实验材料

华蟾素注射液（Cinobufacini Injection）为安徽金蟾生化股份有限公司生产（批号060228-1）；DMEM/F12培养基、胎牛血清、0.25％胰蛋白酶-0.02％EDTA ，均购自美国Gibco公司；DNA Marker、DNA Ladders凋亡检测试剂盒均购自碧云天生物技术公司。

CO2细胞培养箱（371型，美国），超净工作台（BDHC-1300ⅡA/B，苏州），全自动酶标读数仪（美国BioTek ELX808）,Kodak2000凝胶成像系统（美国柯达公司）。

1.2 实验方法

1.2.1兔LECs培养 无菌条件下，取健康新鲜新西兰白兔眼晶状体前囊膜，用含0.01%EDTA和0.25%胰蛋白酶的混合消化液消化后，收集细胞，放入置于37℃、5%CO2、95%空气、100%湿度的CO2培养箱中孵育培养，按1:2传代，取第3代细胞进行药物干预。

1.2.2实验分组 将对数生长期兔LECs分设不加药物的空白对照组和药物干预组，药物干预组加入华蟾素注射液，使终浓度为0.1mg•L-1、0.2 mg•L-1、0.3mg•L-1,加入药物后继续培养72小时。

1.3 观察指标及方法

1.3.1MTT比色法

将对数生长期兔LECs调整至5×104个／mL．按照上述的实验分组每组6个复孔，药物干预2h后MTT比色法计算细胞增殖抑制率。抑制率=（1-实验组吸光度值／对照组吸光度值）×100％。

1.3.2 DNA Ladders电泳

将细胞以5×105/孔接种于6孔板。经过如上述的实验分组及药物干预处理后，按试剂盒（碧云天生物技术公司）说明书操作。DNA抽提完毕将洗脱液中加入1/4体积的酚兰染色，2%琼脂糖凝胶电泳。电泳2h后，在紫外灯下观察并摄影。

1.4 统计学方法

实验数据采用SPSS 12．0软件进行统计学分析，以P

2 结果

2.1 MTT结果

空白对照组和药物干预组的吸光度值见表1，ANOVA分析显示各组吸光度值的组间差异F=215.58, P

组比较, P

2.2 华蟾素对兔LEC DNA结构的影响

正常兔LEC DNA仅在原点附近有一区带，药物干预组的兔LEC DNA均显示细胞凋亡的典型特征：DNA梯带谱，即接近180～200 bp整数倍的DNA条带，且随药物浓度的增高凋亡条带明显增强，见图1所示。

M1:Marker1; M2:Marker2; N:正常对照组; a：0.1 mg•L-1药物浓度组; b: 0.2 mg•L-1药物浓度组; c:0.3 mg•L-1药物浓度组。

图1 DNA电泳

3 讨论

后发性白内障（posterior capsule opacity,PCO）严重影响白内障手术复明的效果。有报道其发生率在术后5年，成人30%～43% ，儿童达100% [2]，其预防具有重要意义。

药物预防是目前PCO防治的重要途径之一。由于组织病理学已经证实白内障术后残留的LECs在囊膜上转分化、增生、移行，产生胶原，是发生后囊膜混浊的主要原因，因此能有效抑制晶状体上皮细胞增殖的药物能有效预防PCO的发生[3]。本研究结果浓度0.1mg•L-1~0.3mg•L-1的华蟾素能有效抑制晶状体上皮细胞增殖，且随药物浓度的升高抑制效果明显增强。

本研究的DNA电泳结果显示0.1mg•L-1~0.3mg•L-1的华蟾素作用晶状体上皮细胞72小时后出现特征性 DNA-1adder,提示华蟾素通过诱导晶状体上皮细胞凋亡的方式来抑制其增殖，MTT及DNA电泳结果提示0.1 mg•L-1～0.3 mg•L-1的华蟾素能有效抑制LECs增殖、诱导LECs凋亡，可能成为预防后发性白内障的药物之一。

参考文献：

[1] 国家药典委员会.中华人民共和国药典(一部) [M].北京:化学工业出版社,2000：附录26.

[2] Sundelin K,Sjostrand J.Posterior capsule opacification 5 years after extracapsular cataract extraction[J].J Cataract Refract Surg,1999,25(2):246-250.

晶体结构篇5

【关键词】问题教学法；高中化学；晶体结构与性质；应用策略

中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2017）09-0064-02

问题教学法的主要形式，就是以课堂为教学的主轴，借助相关的教学材料，通过良好的组织形式，在课堂上展开别具生面的教学活动。在问题教学法的应用中，有效的组织形式是提高教学质量的关键。同时，关于“晶体结构与性质”的教学内容，在高中化学的学习中也占有重要的地位，对于这方面的教学，老师不能有丝毫的马虎，一方面要结合教材来为学生设定相关的问题，另一方面则要全面考量学生的基本情况，做出合理的引导，进一步提高教学效率。为了更好地帮助老师实践问题教学方法的内容，本文通过对设问策略和实际的教学途径展开探讨，希望能为老师以后的教学提供一些参考价值。

一、问题教学法在高中化学课堂中的设问策略

1. 设问角度要新颖

对于一门教学科目而言， 学习兴趣始终是学生最大的学习动力。所以，老师在进行问题创设的时候，要从学生的兴趣点上进行问题的切入。关于问题的设计，还要将学生的学习情况和实际的社会生活相联系，对于一些热点、关注焦点、兴奋点等来进行合理的把握，让学生在思维上具备一定的动力，这样才能和老师在课堂上形成良好的互动，既能有感而发，又能有话可说。而对于那些答案较为浅显的问题，老师也可以对问题作出适当的变形和延伸，正确做到浅中求新，这样才利于学生学习兴趣的激发。

2. 设问难度要适中

在进行设问的过程中，老师还要注意保护学生的积极性和自尊心，这就需要老师对于设问的难度有所掌握了，既要结合学生的实际学习情况，同时还要对问题进行详细的甄别，让学生借助回答能够有所提升的同时，还不至于影响学习的积极性。例如，在了解“晶胞中粒子数的计算方法”的内容时，可能学生对于那一系列概念并不能进行详细的背诵，那么老师不妨在黑板上绘制出几个相关的数量计算习题来，让学生进行实际计算，并且在这个过程中用自己的话来对计算方法进行概括，这样也能加深学生的学习印象。

3. 设问层次要清晰

在运用问题教学法的课堂上，老师对于提问的方法，要具备一定的层次性，不能将设计出的问题内容一下子展示在学生面前，这样一方面可能会影响到学生回答问题的积极性，另一方面也不适合老师教学策略的深入，清晰的提问层次可以帮助学生在已有的知识基础上进行渗透，也能够对不同学习成绩的学生进行兼顾，保障每一名学生都能在课堂上有所收获。当然，把握问题教学的层次性时，老师要立足于教材，在内容的关键点、疑难点上多设置一些问题，帮助学生循序渐进地了解问题的深度，围绕教学重点，逐项进行突破。

4. 设问计划要明确

在对教学任务进行安排的时候，对于学生的回答内容，老师要在事先进行一定的预想，在这个基础上，当学生回答正确时，老师能够进行下一步的引入，当学生回答错误时，老师也可以利用问题链帮助学生明白自己究竟错在了哪里。例如，在对几种典型晶体的性质进行比较时，老师可以先对这几项物质存在的化学键进行比较，同时在学生回答的过程中，老师再顺势将物质类比的内容引入进来，帮助学生在回答的基础上进行深入，如果学生的回答出现错误的话，那么老师不妨从“构成晶体的微粒”方面入手，展开进一步的指引。具有明确的提问计划，可以帮助老师将课程的开展变得有条不紊。

二、问题教学法在高中化学课堂的教学途径

1. 结合教材来创设问题

教材是老师展开教学的保障，同时还是学生进行学习的基础，所以在高中化学课堂上进行问题创设的时候，老师要把握住教材上的关键点，体现出学生自主性和持续性的学习特点，从教材中对问题进行深度挖掘。在学习“晶体结构与性质”的内容时，老师可以先帮助学生对“离子键的形成”“晶格能的应用”以及“原子晶体的特征”等方面的内容进行探讨，同时，老师可以让学生对“金刚石、二氧化硅等原子晶体的结构与性质关系”展开探究，深化学习内容，同时结合相关问题，帮助学生用金属键的理论来对一些金属的性质进行解释。同时，在实施问题教学法对化学知识进行教授的时候，老师要弱化自身的主导地位，对于学生在问题教中出现的一些情况，要进行及时的引导和帮助。问题教学的思想，并不是完全放任学生进行自主学习，老师要利用教材内容，进行合理规划，完善学生的学习过程。

2. 利用电教来创设问题

在化学内容的学习中，老师一方面要注重理论知识的传授，另一方面还要对学生的实际认知能力进行培养，这就需要老师在对一些知识进行讲授的时候，借助一些电教手段，这一点，在问题教学法中同佑行А5缃淌侄慰梢园镏学生对于那些更为微观的细节进行观察，让学生在被提问的过程中建立更为形象的认识。例如，在了解“原子晶体”的内容时，老师不妨利用投影技术和互联网内容，为学生展示一些较为有名的钻石图片，像《泰坦尼克号》中的“海洋之心”，并借助相关的资料，让学生对钻石的一些特性、用途进行了解。之后，老师可以针对学习过程展开详细的提问，像“为什么金刚石的熔点那么高，并且具有相当大的硬度？”针对这个问题，老师可以再放映一张金刚石的结构图，帮助学生从结构的方面进行回答，同时老师还可以将学生的回答收集到电教资料中，便于学生在后期进行全面的掌握。

3. 联系生活来创设问题

化学是一门来源于生活的学科，老师在教学中，不能只是将理论知识孤立地讲述出来，老师不妨利用一些生活化的内容来进行问题的创设，帮助学生将实践能力和创新意识结合到一处，利用问题教学法来帮助学生深入掌握相关的知识内容。日常生活中，化学现象无处不在，老师要利用问题引入，帮助学生对身边的知识进行全面的了解，这样学生的学习能够摆脱一定的局限性，加深理解程度。例如，老师在教学中，不妨拿一些生活中的实际内容来进行举例，像“食盐晶体”“雪花晶体”“食糖晶体”，以及“单质硫”等方面的内容来进行辅助讲解。同时，还可以列举出一些大家常见的内容，像“玻璃砖”“雪花”“食盐”等，来让学生判断它们是属于晶体还是非晶体，并且利用提问的方法，让学生对晶体和非晶体的性质差异进行对比，从而借助生活实例展开探究，加深自己的学习印象。

三、结语

总而言之，在高中化学课堂上，利用问题教学法可以帮助学生对相关的知识点深入学习，全面掌握。素质教育的深入，在课堂上凸显出了学生的重要性。利用问题导学，一方面可以尊重学生的主体学习意识，另一方面还可以深化老师的教学思想，为学生提供更为多元化的课堂环境。对于“晶体结构和性质”的教学内容而言，问题教学法能够帮助学生更为全面地了解理论要点。同时，将其与实际内容相结合的方法，能够将一些微观的学习内容呈现在学生面前，进一步提高学生的学习质量，完善高效课堂的建设。

参考文献：

[1] 林瑜.问题教学法在高中化学教学中的应用与反思――以苏教版《物质结构与性质》“原子晶体”教学为例[J].福建基础教育研究，2016，（11）：78-80.

[2] 张晓霞.问题教学法在高中化学教学中的策略分析[J].新课程（教研），2011，（6）：7.

[3] 顾兆俊.化学问题巧设计――问题教学法在高中化学教学中的应用[J].新课程（上），2011，（6）：109.

晶体结构篇6

【关键词】CO2激光；太赫兹；差频；周期性晶体

太赫兹波（Terahertz ，THz）一般是指电磁波的波长从0.03mm到3mm即频率为0.1THz到10THz的范围内，是目前热门的研究领域，其频率是位于微波的频率与红外波的频率之间。根据Manley-Rowe的关系，随着输入激光的波长越长，获得的转换效率的理论最大值就会越高。如果我们利用激光波长在10微米左右的可调谐偏振的CO2激光进行差频，获得的太赫兹辐射的能量将可能提高。并且CO2激光的波长具有1000多条支线，波长从9微米到11微米，对应产生的太赫兹波长的数目很多，波长范围也很大。通常利用相位匹配技术和角度调谐技术来实现非线性光学差频，从而获得太赫兹波辐射源。目前，最常见的太赫兹辐射频率调谐方法是通过改变输入激光的传播方向和转动非线性晶体的角度来获得，该方法有其简单方便的优点。但是该种调谐方法有很明显的缺点，比如利用双折射效应实现相位匹配时，不能够有效的利用非线性晶体的最大非线性系数，导致产生的太赫兹辐射的转换效率不理想；还有为了获得短波长范围波段内的太赫兹波就需要增大两束泵浦激光的相位匹配角，这样三波相互作用的有效长度将大大的减小，不能够有效地利用非线性晶体的通光范围。

利用共线的准相位匹配技术就能够很好地解决以上两束激光相位匹配时出现的各种问题。准相位匹配技术能够很好地利用非线性晶体的最大有效长度和非线性晶体最大非线性系数，这样可以大大提高差频时产生太赫兹波辐射源的能量和转换效率。所以我们设计扇形周期性反转结构的各向同性晶体，利用两个波长输出可调谐CO2激光在该晶体中进行光学差频产生可调谐太赫兹波方案，该方案是的一种方便简单的方案。

近些年来，设计出来的一些周期性结构的反转晶体在光学领域的研究中得到越来越广泛的应用。周期性结构反转晶体可以根据不同方式分为很多种类型，比如可以按照在反转晶体周期的方向不同、反转晶体周期的形状不同和反转晶体周期的数量不同等各个方面的制作出多种类型周期性反转晶体。

按照非线性晶体周期的方向不同进行分类，可以分为水平平行的晶体结构周期、竖直平行的晶体结构周期和倾斜平行的晶体结构周期等类型。按照非线性晶体周期的形状不同分类，可以分为矩形形状的周期性晶体、扇形形状的周期性晶体、圆形形状的周期性晶体和波导形形状的周期性晶体等。按照非线性晶体的周期数量不同进行分类，可以分为单周期型结构反转晶体、多周期型结构反转晶体、混合周期型结构反转晶体和准周期结构型反转晶体等。

如果只有一个固定长度的反转结构，其通光方向的周期长度固定，我们称之为单周期结构。在各种光学混频中，如温度调节的混频中，单周期结构反转晶体应用广泛。在通光的方向的垂直方向并列极化了多个周期不同的长度的非线性晶体称为多周期型结构反转晶体。通过多个周期的周期结构晶体在准相位匹配混频过程中，输入激光是通过垂直晶面方向进行水平横向移动多周期反转晶体的位置来实现相位匹配，从而获得更大范围的波长调谐。利用温度调谐技术，再结合多周期结构反转晶体，能够获得大范围和连续的波长调谐。

混合周期结构反转晶体是指在晶体的通光方向上出现多个周期，类似于将多个周期的晶体与串联的形式粘接起来，反转晶体的厚度结构比较复杂。由于混合周期结构的反转晶体对于不同波长的激光不能够完全准相位匹配，所以相比与单周期反转晶体效率要低。准周期结构晶体的反转周期按照所需呈一定的规律排列，其排列规律是经过分析特殊设计出来的，该非线性晶体可以同时满足多个准相位匹配条件，结构较为复杂。利用一个准周期结构反转晶体能够直接实现多种波长的混频过程。

图1 扇形结构的周期反转的各向同性晶体结构示意图

本设计中利用周期性结构的扇形周期反转的各向同性晶体，比如GaAs晶体和GaP晶体。扇形周期结构的反转晶体是指该晶体的周期结构的畴壁是根据不同波长激光相位匹配的要求用扇形去排列，如图1所示。而不是像传统的单周期晶体的周期结构那样畴壁是垂直于晶体的侧面。利用这样类型的扇形周期结构晶体，只需要通过简单的平移晶体的输入面就可以去改变周期性反转晶体的周期长度，这样来实现不同波长的准相位匹配，就可以实现波长大范围的连续调谐，并不需要像单周期反转晶体那样去调节周期结构晶体温度。相比于单周期晶体的温度调谐的设计，该设计的调谐速度和操作容易程度得到了很大的提高。

结论：

本设计提出通过平行移动来变换非线性晶体扇形结构的周期长度，在可调谐的两个波长输出的CO2激光中差频产生太赫兹辐射方案，该方案在周期性反转晶体中共线差频可以产生多波段的太赫兹。该方案不仅可以克服现行技术的很多不足之处，还可以产生转换效率高的太赫兹波辐射。两束泵浦激光差频产生的太赫兹波辐射在医用物理诊断、安全部门检查、环境问题监测、药物制剂检测等各个领域显示出了非常广阔的应用前景。

【参考文献】

[1]Rao Zhi-Ming， He Zhi-Fang， Du Jian-Qiang， “Efficient Terahertz Surface-emitted Difference Frequency Generation in Periodically-inverted GaAs Crystals，”[J] Advanced Materials Research，2011：301-303，334-337.

晶体结构篇7

氮化硅是一种室温和高温力学性能优异,且具有良好的抗热震、抗氧化、耐腐蚀等性能的高温结构陶瓷,是燃气轮机部件的理想候选材料[1].这些优异的性能是和其所具有的所谓双峰模式显微结构密切相关,即细小的基体晶粒和粗大的异常晶粒相互交错堆积而成的结构[2].对于液相烧结的氮化硅陶瓷,影响其显微结构和晶粒形貌演化的因素很多.控制烧结条件和优化烧结助剂一直是人们调控氮化硅陶瓷双峰结构的主要方法.近年来,通过预先添加β-Si3N4籽晶来控制氮化硅显微结构是一种更简单和更高效的方法,受到越来越多的关注[3-4].本工作参考Y2O3-Al2O3相图选择四个成分点,分别考查籽晶添加对氮化硅陶瓷显微结构演化和力学性能的影响,并探讨烧结助剂的不同配比对晶粒形貌的影响.

1实验过程

1.1原始粉料选用日本UBE公司生产的型号为SN-E10的商业Si3N4粉末,其α相含量＞95%,平均粒度0.5μm左右.烧结助剂Y2O3(上海跃龙有色金属有限公司,平均粒径5μm左右)和Al2O3(上海吴淞化肥厂,平均粒径0.6μm左右)均为市售,其纯度均≥99.9wt%.β-Si3N4籽晶为实验室自制,其平均长度约3μm,平均长径比约为10,如图1所示.1.2制备工艺本实验采用Y2O3-Al2O3复合烧结助剂体系,选取Y2O3-Al2O3相图[5]中四个不同的配比成分点(见图2)作为本实验的考察组分(wt%):3.5Y2O3-7Al2O3(S1);5Y2O3-5.5Al2O3(S2);6Y2O3-4.5Al2O3(S3);7Y2O3-3.5Al2O3(S4).试样分两批,一批不添加β-Si3N4籽晶,以N为标记符号;另一批添加3wt%的籽晶,以Y为标记符号.将氮化硅粉和烧结助剂按预定的配比称量好后倒入塑料磨罐中,以氮化硅球为球磨介质,无水乙醇为球磨助剂球磨混合24h后烘干过筛.之后称取一定量的混合粉体在30MPa压力下干压成试条,并经200MPa冷等静压处理.然后将坯体放入石墨模具中,采用埋粉烧结,粉床组分为一定配比的Si3N4和BN混合粉体.在0.9MPa的N2气氛保护下1800℃保温2h,得到致密烧结体,经过切割、打磨制成3mm×4mm×36mm的试样.1.3性能表征试样密度采用阿基米德排水法测量.用三点弯曲法在万能材料试验机(长春科新试验仪器有限公司,型号WDW-300)上测量试样室温和高温(1200℃)抗弯强度,跨距为30mm,加载速率为0.5mm/min,每个数据点所测试的试样个数不少于3个.用压痕法测定断裂韧性和硬度,仪器为TUKON-2100B型全自动显微维氏硬度计,测试压力为10kg,保压时间15s.用日本理学电机公司的D/MAX型X射线衍射仪对烧结体物相进行分析.用日本JEOL公司的JSM-5690型扫描电子显微镜进行显微结构观察,观察之前试样的抛光面需在400℃熔融NaOH中腐蚀2min,并超声清洗处理.使用ImageProPlus6.0图像分析软件对各样品SEM照片中晶粒的长径比进行统计分析.

2结果与讨论

2.1添加籽晶对氮化硅相变及致密化的影响图3是未添加和添加3wt%β-Si3N4籽晶烧结体的XRD图谱,从图中可以看出,烧结体以β-Si3N4为主,没有检测到α-Si3N4相,说明在1800℃保温2h能使α-Si3N4全部转化为β-Si3N4,籽晶添加不影响烧结体最终的相组成.另外,由于烧结助剂配比(Y2O3:Al2O3)不同,本实验中还检测到了少量YAG相(Y3Al5O12)和YAP相(YAlO3).图4显示了添加籽晶对样品烧结致密化过程的影响,从图中可以看出,各烧结体的相对密度都达到了97%以上,可以认为基本上实现了材料的致密化,籽晶添加的样品其相对密度更高,说明籽晶添加对氮化硅陶瓷的烧结过程产生了一定的影响.在氮化硅烧结过程中αβ相转变受溶解–扩散–沉淀析出机理控制[6],而温度高于1500℃这种溶解–沉淀析出过程就开始发生[7-8].早期研究[6,9]认为,相变过程和致密化过程并没有直接联系,而Yang等[8]研究发现,致密化比相转变的开始温度更低,且致密化只有在相转变开始后才会快速进行,同时,致密化过程强烈依赖于烧结助剂含量,而相转变则几乎不受其影响.Pablos等[4,10-11]研究发现,添加籽晶会导致烧结速率和相对密度的降低,因为即使球磨混料过程可以有效降低籽晶尺寸,它们依然会比烧结助剂和α-Si3N4粉体尺寸大很多,因此在烧结过程中会影响颗粒重排和物质传质过程,降低烧结速率和密度.然而根据Yang等的结论,在液相量充足的条件下(本实验样品烧结过程中产生的液相量达17.5wt%,见表1),适量的籽晶添加对颗粒重排和传质过程的影响有限,但却有效降低了β相在籽晶表面沉淀析出并继续生长的激活能,从而促进了αβ相转变过程[12-13],进而致密化过程在相转变开始后快速进行,这可能就是本实验中添加籽晶的样品其相对密度更高的原因.

2.2添加籽晶对氮化硅力学性能的影响图5是添加籽晶对样品室温和高温(1200℃)强度的影响.从图中可以看出,籽晶添加后,样品S1Y室温强度略有降低,样品S2Y和S4Y变化不大,但在样品S3Y室温强度由816MPa增加到了984MPa,提高了约20%.同时,籽晶添加也提高了氮化硅陶瓷的高温强度,使得样品S3Y的1200℃抗弯强度由534MPa增加到了618MPa,提高了约16%.此外还可以看出,高温强度随着Al2O3含量的降低呈现上升趋势,说明过多的Al2O3对氮化硅陶瓷的高温性能会产生不利影响.图6是添加籽晶对氮化硅陶瓷断裂韧性和显微硬度的影响,由图可知,添加籽晶后,氮化硅陶瓷断裂韧性有所提高,样品S3Y的最大,由4.8MPa•m1/2增加到了5.2MPa•m1/2,提高了约8%.另外,未添加籽晶时,显微硬度随着Al2O3含量的降低而降低,而添加籽晶后,显微硬度在S3成分点出现最大值14.8GPa.氮化硅陶瓷的力学性能取决于其显微结构,尤其是β-Si3N4晶粒的形貌和尺寸.根据裂纹的桥接和偏转韧化模型[14-15],当氮化硅显微结构中高长径比宽直径的粗大晶粒的数量增加时,其力学性能会有所提高.由图7可知,样品S1Y/S1N的粗大晶粒数量相对不足,所以其强度和韧性偏低,样品S3Y/S3N的大晶粒数量增多和尺寸明显增大,因此具有较高的强度和韧性,但是过量的粗大柱状晶粒往往会产生许多气孔、位错、原生裂纹等缺陷,这些缺陷会成为材料断裂源,使材料强度降低[2,16],这可能就是S4Y成分点晶粒形貌发育更完好而室温强度反而不高的原因.当然,力学性能实际上还应该综合考虑晶间相(尤其是晶间玻璃相)的性质、晶粒和晶间相的界面强度以及由于热胀系数失配引起的晶粒和晶间相的界面应力等因素[17],这些因素对高温力学性能有着重要的影响.样品S1Y/S1N成分点在添加籽晶后出现室温强度和硬度略有降低的现象可能就是由于此成分点晶粒和晶间相之间的界面结合强度不高,这样未添加籽晶时,晶粒相对细小,晶界曲折,不利于裂纹的扩展,而添加籽晶后,粗大的晶粒和弱化的界面强度提供了裂纹快速扩展的通道,从而降低了强度和硬度.

2.3添加籽晶对氮化硅显微结构的影响各个样品经抛光腐蚀后的SEM照片见图7,从图中可以看出,各个烧结体的显微结构均由发育良好、粒径不同的长柱状β-Si3N4晶粒相互交错堆积而成,且随着Al2O3含量的降低,晶粒的发育趋于完整并有一些晶粒粗大化现象,籽晶添加后,这种粗大化现象更加明显.图7中各样品SEM照片右上角的小图是从各照片中选取200个代表性晶粒测量柱状晶的长径比形成的统计结果.从中可以看出,添加籽晶的样品与没有添加的相比,其柱状晶长径比的峰型由窄而高向宽而低发展,说明晶粒长径比的分布范围扩大,晶粒间几何尺寸差异性明显增大,显微结构趋于不均匀,即所谓的双峰模式显微结构得到增强.氮化硅烧结体中晶粒形貌发育的影响因素很多,包括烧结助剂和烧结条件.另外,添加籽晶的烧结体还必须考虑原始粉体中籽晶的添加量和粒径分布对其的影响.本实验中烧结条件无差异,因此,影响晶粒形貌发育的因素主要是烧结助剂成分和籽晶的添加.烧结助剂成分对晶粒生长的影响主要是通过影响烧结过程中液相的粘度而实现的[18-19].Saito等[20]系统地研究了化学组分对Y2O3-Al2O3-SiO2熔体和Y-Al-Si-O-N熔体粘度的影响,其结果表明,在SiO2/Al2O3为定值的条件下,Y2O3-Al2O3-SiO2熔体的粘度会随着Y2O3含量的升高而线性降低.本实验中,液相的名义成分和含量通过对Y2O3-Al2O3-SiO2烧结助剂体系进行估算.其中,SiO2含量是假定Si3N4粉体中氧含量(包括杂质含量)为2.1wt%,且全部形成SiO2从而得出的估算值,这样,本实验中形成的液体玻璃相成分见表1.另外,对Saito等的实验结果进行外推处理,由此本实验的S1和S4成分点的粘度关系见图8,图中实线为Saito等的实验结果,虚线为线性外推结果.由图8可以看出,S4成分点的粘度比S1成分点的粘度值低,而液相的粘度直接影响物质的扩散过程.液相粘度与物质扩散系数之间的关系可以用Stokes-Einstein方程表示.其中,η为液相粘度,r为物质的等效流体动力学半径,D为扩散系数,κ为波尔兹曼常数,T为热力学温度.由方程(1)可知,液相粘度降低,则物质扩散系数增大,增大的扩散系数会促进晶粒生长速率的提高.因此,S4成分点的晶粒生长速率要比S1的高,即S4成分点的晶粒形貌发育情况要比S1成分点的好,这一点可以从图7中得到验证.需要说明的是,液相的化学组成在烧结过程中可能会改变,进而使得液相粘度会出现一定的偏差.在烧结过程中,当低熔点液相产生后,α-Si3N4会逐渐溶解到液相中使得液相中N元素浓度上升.同时,由于N元素在Y2O3-Al2O3-SiO2熔体中的溶解度会随着Y2O3含量的升高而增加,而由此形成的Y-Al-Si-O-N玻璃态熔体的粘度会随着N元素含量的增加而增大,而N元素在液相中的饱和浓度取决于液相组成,Saito等报道的N元素在Y2O3-Al2O3-SiO2熔体中的溶解度是7mol%~9mol%[20],因此,实际上S1和S4成分点间的粘度差异在烧结过程中的不同阶段、不同局部区域可能有一个动态的变化.对于籽晶在氮化硅陶瓷显微结构发展过程中的作用,一般认为,籽晶作为晶核促进了新晶粒在其上的继续生长,从而促进了显微结构的演化,籽晶的添加量对显微结构的演化具有重要影响.随着籽晶添加量的不断增加,双峰显微结构向单峰显微结构发展[21],Dressler等[22]认为,添加过多的籽晶对晶粒生长会产生一定的空间阻力,减弱显微结构的不均匀性.因此,本实验仅添加3wt%的籽晶,从图7还可以看出,添加籽晶的氮化硅陶瓷相对于没有添加的表现出了一定的晶粒粗化现象,并且晶粒长径比分布也出现了宽化现象,说明籽晶的添加在一定程度上增强了双峰结构的发展.但是,要制备具有显著双峰结构的氮化硅陶瓷,实际上要综合考虑烧结温度、烧结助剂种类及含量、烧结气氛压力等多种因素的影响,添加籽晶只是一个必要的因素,却不失为一种简单高效且具有成本优势的方法.

3结论

晶体结构篇8

1．1理论分析二维光子晶体中光的传播可以用平面波展开法计算，基本原理是用Maxwell方程组求解。假设所研究的光子晶体为各向同性、无色散且为非磁性介质，则有B=μ0H及D=ε0εE。由Maxwell方程组得二维光子晶体中电场和磁场的波动方程如下:由于电磁波满足布洛赫定理且二维光子晶体又具有周期性，所以可简化为两个独立的本征方程:分别对以上两个本征方程求解，就可以得到光子晶体TE、TM模式下的能带结构。1．2具有大带隙二维光子晶体结构的设计我们采用平面波展开法对二维光子晶体的能带进行计算模拟，对Ge基正方晶格的二维光子晶体结构进行优化，分别考虑在空气背景中填充的Ge柱的介质柱结构和在Ge背景中周期性排列的空气孔结构两种结构，其中Ge材料的ε为16．03，空气的ε为1．00。二维正方晶格光子晶体的结构如图1所示。能带结构模拟中考虑了填充比r/a对带隙宽度的影响，εa是圆柱型材料的介电常数，εb是背景材料的介电常数。

2结果与讨论

2．1二维正方晶格介质柱结构带隙特性分析对于正方晶格为介质柱结构的光子晶体，选取Ge(εa=16．03)为介质材料。图2所示为TE模式和TM模式的能带结构，对应的填充比r/a=0．2。在TE模式的带隙结构中，最大禁带宽度ΔωTE-max=0．155(ωa/2πc);在TM模式的带隙结构中，最大禁带宽度ΔωTM-max=0．101(ωa/2πc)。完全带隙宽度很小。为增加能带结构的禁带宽度，我们研究了带隙宽度随r/a的变化关系，如图3所示。可以看出:(1)在TE与TM模式下均存在带隙，并且TE模式带隙占优势。(2)出现了3条完全带隙，且每条带隙宽度均随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。在r/a=0．28处出现了最大完全禁带宽度Δωmax=0．064(ωa/2πc)，对应的带隙中心频率f=0．432。(3)带隙的中心频率随着r/a的增大慢慢向低频方向移动。图4为TE、TM模式正方晶格介质柱型光子晶体带隙宽度随填充比r/a的变化曲线。可以看到:在TE模式下，带隙宽度随r/a的增大呈先增大后减小的趋势，在r/a=0．15处出现峰值，最大带隙宽度ΔωTE-max可以达到0．182(ωa/2πc);在TM模式下，带隙宽度随r/a的增大同样呈先增大后减小的趋势，在r/a=0．22处出现峰值，最大带隙宽度ΔωTM-max可以达到0．102(ωa/2πc)。2．2二维正方晶格空气孔结构带隙特性分析对于正方晶格为空气孔结构的光子晶体，选取Ge(εb=16．03)为背景材料。图5所示为TE模式和TM模式的能带结构，对应的填充比r/a=0．2。可以看出:在TE模式下不存在禁带，在TM模式的带隙结构中的最大禁带宽度只有0．06(ωa/2πc)，不存在完全带隙。图6为正方晶格空气孔型光子晶体带隙随填充比r/a的变化，可以看到:(1)在TE与TM模式下均存在带隙，并且TM模式带隙占优势。(2)出现了3条完全带隙且每条带隙宽度均随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。在r/a=0．48处出现最大完全禁带宽度，Δωmax=0．051(ωa/2πc)，对应的带隙中心频率f=0．784。(3)带隙的中心频率随着r/a的增大慢慢向高频方向移动。图7为TE、TM模式正方晶格空气孔型光子晶体带隙宽度随填充比r/a的变化曲线，可以看到:在TE模式下，带隙宽度随r/a的增大呈增大的趋势，在r/a=0．5处的最大带隙宽度ΔωTE-max可以达到0．141(ωa/2πc);在TM模式下，带隙宽度随r/a的增大同样呈增大的趋势，在r/a=0．5处的最大带隙宽度ΔωTM-max可以达到0．146(ωa/2πc)。

3结论

选取金属Ge为研究材料，重点讨论了二维正方晶格光子晶体介质柱型与空气柱型结构条件下的带隙结构。在介质柱型正方晶格光子晶体中，TE模式下，r/a=0．15处对应的带隙宽度最大;TM模式下，r/a=0．22处对应的带隙宽度最大。在空气柱型正方晶格光子晶体中，TE与TM模式都是在r/a=0．50处对应的带隙宽度最大。不论是在介质柱结构还是空气孔结构中，TE、TM模式的带隙总是随着r/a的增大呈现先增大后减小的趋势，且完全带隙宽度也是总是随着r/a的增大呈现出先增大后减小的变化趋势。在介质柱结构中，在r/a=0．28处出现最大完全禁带宽度Δωmax=0．064(ωa/2πc)，中心频率f=0．432;在空气孔结构中，在r/a=0．48处出现最大完全禁带宽度Δωmax=0．051(ωa/2πc)，中心频率f=0．784。本文的研究结果为光子晶体更深入的研究提供了较好的依据。