晶向、晶面與晶體幾何

晶向(crystallographic direction)

想像你站在一顆晶體裡面,有人要你沿著某一列原子指出方向。你不能只說「往上」或「往左」,因為晶體有它自己內建的座標軸——也就是單位晶胞的三條稜邊,稱為 a、b、c。所謂晶向,就是在這個內建座標系裡畫出的一支箭頭,我們用寫在方括號裡的三個整數 [uvw] 來命名它。這就像報一個羅盤方位,只是羅盤換成了晶體本身的晶胞,而不是你所在的房間。

要讀出指數 [uvw],你從晶胞的一個角(原點)畫出箭頭,看它沿三條稜邊各走了多遠(以 a、b、c 為單位),再把這三個數等比例縮成保持相同比值的最小整數。沿 a 走一步、沿 b 走一步、沿 c 不動的箭頭是 [110];指向晶胞對角遠端、沿每條稜邊各走一步的箭頭是 [111]。若箭頭沿某軸反向,指數為負,寫成上面加一橫(本文以負號表示,故沿 a 反向為 [-100])。因為方向本質上只是比值,[110]、[220]、[330] 都是同一條線——我們一律化為最簡整數。

方括號不是裝飾;括號的樣式正好告訴讀者你指的是什麼。方括號 [uvw] 是一個特定方向,角括號 <uvw> 是一整族對稱等效的方向,圓括號 (hkl) 是一個晶面,花括號 {hkl} 是一族晶面。初學者常踩的陷阱:在立方晶體裡,方向 [hkl] 恰好垂直(正對)晶面 (hkl),讓人覺得兩者可以互換;但這只是立方系的巧合,凡是稜邊不互相垂直的非立方晶系都不成立。

在立方晶胞中,從一角指向對面對角的箭頭沿 a 走一步、沿 b 走一步、沿 c 不動——其指數為 [110],即面對角線。指向對角遠端的箭頭是 [111],即體對角線。化為最簡整數後,分數座標 (1/2, 1/2, 1) 這一點落在方向 [112] 上,而非 [1/2 1/2 1]。

晶向的命名,是把它沿三條稜邊的分量縮成最小整數,寫在方括號內。

「[uvw] 垂直於 (uvw)」這條規則只在立方晶體成立。在非立方晶系中,同指數的方向與晶面一般並不垂直,因為軸並非彼此正交。

又称
[uvw]lattice direction晶體方向晶向指數