簡(jiǎn)介

固體化學(xué)（solid chemistry）研究固體物質(zhì)的制備、組成、結構和性質(zhì)的化學(xué)分支學(xué)科。固體化學(xué)的研究始于20世紀20年代，到了60年代，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對固體材料的需求更加迫切，同時(shí)也為固體材料的研究提供了必要的實(shí)驗手段，固體化學(xué)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新階段。

作用

固體化學(xué)和固體物理、材料工程學(xué)等學(xué)科互相交叉滲透、互相補充配合，形成了現代固體科學(xué)和技術(shù)。固體化學(xué)著(zhù)重研究實(shí)際固體物質(zhì)的化學(xué)反應、合成方法、晶體生長(cháng)、化學(xué)組成和結構，特別是固體中的缺陷及其對物質(zhì)的物理及化學(xué)性質(zhì)的影響，探索固體物質(zhì)作為材料實(shí)際應用的可能性。

主要內容

固體化學(xué)的內容包括以下3個(gè)方面：

由等同的原子或原子集團，按照一定的點(diǎn)陣排列，構成規整的三維周期性的序列，就形成了完善的晶體。這種理想的完善的晶體具有理論模型的意義，但化學(xué)組成和結構偏離理想的、不完善的晶體，往往也具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。固體中的缺陷決定著(zhù)物質(zhì)的化學(xué)反應活性和物理性質(zhì)，使它們成為具有特殊技術(shù)性能的材料。缺陷主要是指固體中的點(diǎn)缺陷，包括點(diǎn)陣空位或雜質(zhì)原子、間隙原子、錯位原子和變價(jià)原子等。不同類(lèi)型的缺陷賦予晶體以特定的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。晶體中各類(lèi)點(diǎn)缺陷和空穴與電子處于一類(lèi)化學(xué)平衡中，這些缺陷可能電離、復合、互相締合，缺陷的平衡也受溫度、組分濃度或分壓、電中性平衡、同離子效應等因素的影響。

任何固體當處于一定溫度時(shí)，某些原子的振動(dòng)能可能瞬間增大到可以克服其勢壘，離開(kāi)其平衡位置而擠入間隙，形成一對空位和間隙原子對(夫倫克耳缺陷)；或者一對正、負離子同時(shí)離開(kāi)其平衡位置而遷移到晶體表面上，在原來(lái)的位置形成一對正、負離子空位(肖特基缺陷)。當將微量的雜質(zhì)元素摻入固體中時(shí)，可能形成雜質(zhì)取代缺陷，例如硫化鋅中摻進(jìn)約

(上角’表示缺陷電荷是－1，·表示電荷是+2）。

晶體中點(diǎn)缺陷的存在，破壞了點(diǎn)陣結構，使得缺陷周?chē)碾娮幽芗壊煌谡８裎辉又車(chē)哪芗?，因而在禁帶中造成各種局域能級。有的局域能級位于價(jià)帶頂的上邊，可吸引價(jià)帶中的電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴。有的局域能級位于導帶底的下邊，可給出電子預導帶。因此不同類(lèi)型的缺陷賦予晶體以特定的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。

當固體中的雜質(zhì)原子和空位分布不均勻時(shí)，它們會(huì )沿著(zhù)晶格點(diǎn)陣流動(dòng)，最后達到分布均勻，這就是固體中物質(zhì)的擴散。擴散的推動(dòng)力是固體中組分的濃度梯度、化學(xué)勢或電化學(xué)勢梯度、溫差、電勢場(chǎng)等。通常從宏觀(guān)和微觀(guān)兩個(gè)方面來(lái)認識固相中的擴散。一方面，對固體中物質(zhì)流動(dòng)和濃度變化進(jìn)行實(shí)驗觀(guān)測和理論分析，得出擴散元素濃度隨擴散時(shí)間和距離變化的關(guān)系，以討論固相中各種物理和化學(xué)過(guò)程。另一方面，對擴散微觀(guān)機理進(jìn)行研究，把擴散現象與晶體中缺陷運動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，建立各種擴散機理的模型。

在固相內和固相之間的化學(xué)反應中，物質(zhì)、電荷和能量的遷移是通過(guò)晶格振動(dòng)、缺陷運動(dòng)和價(jià)態(tài)變化進(jìn)行的。原子或離子的擴散是固相化學(xué)反應的關(guān)鍵步驟。由于固相反應類(lèi)型較多、情況復雜，目前還沒(méi)有完全認識，也缺少統一的理論。

兩種固態(tài)反應物相作用，生成一種固態(tài)產(chǎn)物，它把反應物隔離開(kāi)來(lái)。一種反應物中的組分不斷地穿過(guò)產(chǎn)物層，向另一反應物中擴散，固相反應速率受擴散的制約，固相反應中反應物的形態(tài)和結構，例如物質(zhì)的粒度、孔隙度、接觸面積等，對于反應速率有很大的影響。將反應物磨細并混合均勻，或者預先壓制成團，能夠增大反應物互相接觸的面積，使擴散容易進(jìn)行。當物質(zhì)處于分解或相變過(guò)程時(shí)，或者當物質(zhì)晶體粉碎時(shí)，都會(huì )具有較大的反應活性，因此工業(yè)上采用回轉窯焙燒生產(chǎn)硅酸鹽水泥，入窯前須先粉碎，以強化反應過(guò)程。

固相中的電化學(xué)反應具有重要的科學(xué)和技術(shù)意義。通過(guò)電導率或電動(dòng)勢的測量，可以了解固相內缺陷的性質(zhì)和擴散的機理。利用一些固體電解質(zhì)的電子擴散導電現象，可以制作出各種電化學(xué)傳感器及化學(xué)電池。例如具有層狀結構的硫化鈦

其充放電反應可以表示如下：

保持基質(zhì)晶體結構基本不變，而在晶體上面進(jìn)行局域規整反應或者在表面上進(jìn)行外延接續生長(cháng)反應，是集成電路制作中經(jīng)常應用的固相化學(xué)反應。它是在基質(zhì)晶體上某個(gè)指定區域和特定的晶面上，用一種氣相或液相反應物通過(guò)化學(xué)氣相淀積或擴散反應，與晶體發(fā)生作用，形成p-n結、絕緣層、導電膜或者發(fā)生定向刻蝕，最后在一個(gè)很小的硅晶體上，形成包含有數以百萬(wàn)計電子元件的集成電路。