Solid State Chemistry and its Applications: Student Edition（固態化學及其應用）

引用

West, A. R. (2014). Solid State Chemistry and its Applications: Student Edition (2nd ed.). Wiley.

章節概要

學生版共592頁、十章，其後是延伸閱讀、三個簡短的附錄與索引。Wiley稱其為作者早先的Basic Solid State Chemistry的全面重寫與擴充，全彩印刷，每一節都從基本原理的平易介紹開始，再逐步進入較深的層次。

第1章：Crystal Structures and Crystal Chemistry

篇幅最長的開篇章（約80頁）。先談晶胞、晶系、對稱性、布拉維晶格、米勒指數與面間距公式，再轉入晶體結構的描述：立方與六方最密堆積、晶胞投影與原子座標、可用最密堆積描述的材料（金屬、合金、離子結構）、由填滿空間的多面體構成的結構，以及重要結構類型的概覽。

第2章：Crystal Defects, Non-Stoichiometry and Solid Solutions

涵蓋完整晶體與不完整晶體、點缺陷、固溶體、延伸缺陷，以及與固體力學性質相關的差排。

第3章：Bonding in Solids

先概述離子鍵、共價鍵、金屬鍵、凡得瓦力與氫鍵，接著分別討論離子鍵、共價鍵，以及包含能帶理論的金屬鍵，最後以「能帶還是化學鍵」的評論收尾。Wiley強調本版新增共價鍵一節，並更充分地討論金屬鍵。

第4章：Synthesis, Processing and Fabrication Methods

依製備路線組織：固態反應、低溫（「chimie douce」）方法、氣相方法、高壓方法與晶體生長。Wiley把微波合成、組合合成、機械合成、原子層沉積與噴霧熱解列為新增主題。

第5章：Crystallography and Diffraction Techniques

關於固體表徵的一章，以X光繞射為核心，並設有電子繞射與中子繞射兩節。

第6章：Other Techniques: Microscopy, Spectroscopy, Thermal Analysis

把表徵擴展到繞射之外：光學與電子顯微術、光譜技術與熱分析，最後提出鑑定、分析與表徵「未知」固體的策略。

第7章：Phase Diagrams and their Interpretation

介紹相律與凝聚相律，再談單組分與雙組分凝聚系統，並附有繪製二元相圖的提示。

第8章：Electrical Properties

性質部分篇幅最大的一章。概述電學材料，涵蓋金屬導電、超導、半導體與離子導電（一個較長的小節），隨後是介電材料、鐵電體、焦電體與壓電體及其應用。

第9章：Magnetic Properties

討論磁性的物理性質、磁性材料及其結構與性質、連結結構與性能的應用，以及近期發展。

第10章：Optical Properties: Luminescence and Lasers

從可見光與光源談起，接著是發光與螢光粉（包括位形座標模型與反史托克斯螢光粉）、受激發射與雷射，最後是光偵測器、光纖與太陽能電池。

附錄

延伸閱讀之後，附錄涉及晶面間距與晶胞體積、晶體化學中的幾何考量，以及如何辨識最密堆積的eutactic結構。

核心概念

第1–3章：結構、缺陷與化學鍵

• 晶胞與對稱性：描述任何晶體結構的重複單元與對稱操作。
• 最密堆積：立方與六方最密堆積排列，用作描述許多金屬、合金與離子固體的架構。
• 點缺陷與固溶體：偏離完美有序的情形，以及固溶體中組成如何變化。
• 能帶理論：金屬鍵的電子結構圖像，及其與定域化學鍵的比較。

第4–7章：製備與表徵固體

• 固態反應與低溫路線：製備無機材料的兩類對照方法。
• X光、電子與中子繞射：測定晶體結構的主要途徑。
• 相律與二元相圖：組成與溫度如何決定存在的相。

第8–10章：性質

• 超導、半導體與離子導電：電學性質一章所討論的三類不同的電學行為。
• 鐵電體、焦電體與壓電體：對電場、熱與應力作出反應的介電材料。
• 發光與雷射：螢光粉的發射與受激發射原理。

評析

優點

• 由結構通向功能。 十章從結構出發，經缺陷、化學鍵、合成與表徵，再到電學、磁學與光學性質，用開篇建立的結構詞彙來解釋性質。
• 合成與表徵講得扎實。 第4章依製備路線組織，第5、6章合起來涵蓋繞射、顯微術、光譜與熱分析，並以表徵未知固體的策略收尾。
• 視覺與數位化支援。 全彩印刷；Wiley指出，藉由CrystalMaker軟體可以三維檢視並旋轉100多種晶體結構，習題解答與補充講義可線上取得。
• 較新的主題。 出版社把半導體、巨磁阻與超巨磁阻、多鐵性、LED、光纖、太陽能電池、雷射、石墨烯與準晶列入擴充或新增的內容。

局限

• 起步較重。 第1章約80頁，在觸及功能化學之前，先塞進對稱性、晶格與一長串結構類型的概覽；沒有晶體學基礎的讀者需要控制節奏。
• 化學鍵排在結構之後。 第3章在缺陷一章之後，因此前兩章依靠的是先前課程中的成鍵知識，而非本書自己的論述。
• 不是高分子或軟物質教材。 目錄集中於無機結晶固體，高分子與有機材料需要參考其他書。

在課程中的定位

在材料與高分子化學課程中，West是談無機固體的書：結構、缺陷、合成、表徵，以及由此而來的電學、磁學與光學性質。Allcock的Introduction to Materials Chemistry從化學家的視角涵蓋高分子、陶瓷、金屬與半導體，可作為West之前或同時閱讀的較寬泛入門。

Carraher的Introduction to Polymer Chemistry與Young和Lovell的Introduction to Polymers負責West未涉及的高分子部分；Young和Lovell圍繞合成、表徵、形態與性能來組織。Crystal Structure Refinement是由繞射資料測定並精修晶體結構的實用指南，對將做結構精修的讀者而言，比West的繞射一章更深入。

如何使用本書

本書面向學習固態化學的大學部學生與剛開始研究的人員。由於開篇就是晶體結構，普通化學與第一門無機化學課程是合適的準備。

實用的閱讀方案：

• 核心： 依序讀第1至3章；第1章宜借助CrystalMaker模型或實體模型花時間消化。
• 方法： 第4至6章可與合成及表徵的實驗課並行閱讀。
• 相圖： 若課程把相平衡獨立講授，第7章可作為獨立單元閱讀。
• 性質： 第8至10章可依課程需要選讀電學、磁學或光學內容；第8章最長。

每讀完一章，可用線上的習題解答檢查理解。