단결정
공간 격자는 단위격자를 차례대로 더함으로써 형성된다. 각각의 방향으로 더할 수 있는 단위격자 수의 한계가 있을까? 그 대답은 아니오이다. 공간 격자는 그 크기가 한 단위격자가 될 수도 있고 수백만 개의 단위격자를 포함할 수도 있다. 이론적 의미에서는 한계가 없다는 것이다.
단위격자의 반복에 의해 형성된, 거시적으로 관찰이 가능한 물질 덩어리를 생산하는 것이 가능하다. 그러한 시편을 단결정이라 한다. 이러한 경우에 공간 격자의 한계는 그 결정의 외부 크기가 된다. 이것은 형석 결정과 같이 자연적으로 발생하는 광물에서 전형적으로 관찰할 수 있다. 이러한 결정은 팔면체 형태로 배열되는 많은 단위격자로 구성되어 있다. 이 배열은 계단면과 같다고 하더라도, 단위격자가 그들 실제 크기로 관찰될 때는 외부 표면은 실제 결정에서와 같이 부드럽게 나타난다. 단결정은 실험실에서 느리게 성장시키는 방법에 의해 생산될 수 있으며 집에서도 아주 간단한 방법으로 만들 수 있다. 단결정은 선택한 성장 과정과 재료에 따라 외부 대칭에 의해서 혹은 외부 대칭 없이 성장할 수 있다.
이결정, 삼결정, 그리고 다결정
천천히 냉각되는 액체, 용융 물질을 생각해 보자. 어떤 온도에서 응고가 시작된다. 작은 고체 결정 입자가 액체내의 어떤 한 부분에서 생성되기 시작한다. 이것을 핵이라고 일컫는다. 그리고 이러한 과정을 핵생성이라고 부른다. 재료가 점점 핵으로 잠식될수록, 그것은 더 큰 크기의 단결정으로 성장한다.
융체 내에 핵이 하나 이상 존재하면 단결정은 각각의 핵으로 성장한다. 성장 과정이 계속될수록, 이러한 단결정은 성장하고 서로서로 접근한다. 성장하는 두 개의 단결정이 부딪치면, 계속 성장하면서 이결정을 형성한다. 각각의 핵은 단결정으로 성장하게 된다. 그리고 서로 접촉하며 이결정으로 함께 성장한다. 성장하는 단결정이 이결정에 충돌할수록 단결정은 삼결정으로 되고 결국에는 다결정이 생성되게 된다. 다결정 재료에서 인접한 서로 다른 배향의 삼차원 결정 사이의 교차점에서 발생하는 이차원 표면을 결정립계라고 부른다. 결정립계는 결정결함의 영역이다. 거기서 격자 배향이 한 결정립의 배향으로부터 다른 결정립의 배향으로 바뀌게 된다. 우리는 결정립계의 원자적 성질을 설명하기 위해 자연에서 발견된 여러 가지 결정결함을 자세하게 검토해 볼 필요가 있다.
결정 결함
결정립계의 형성은 실제 재료에서 나타나는 결정결함의 여러 가지 형태 중의 하나일 뿐이다. 결함 또는 불완전함이라는 것은 물질 구조의 복합적인 부분으로 간주하여야 하며, 그들의 기하학적 형상에 따라 분류될 수 있다. 그것들은 영차원의 점결함, 일차원의 선결함, 이차원의 면결함, 그리고 삼차원의 체적결함이다.
점결함
점결함의 여러 형태는 삼차원적 표현을 사용하지 않고 결정면에 표현될 수 있다. 이러한 격자점은 치환형 격자점이라고 불린다. 만약 공격자점이 이 면에 존재한다면, 치환형 격자점 중의 하나로부터 잃어버려진 원자가 있을 것이다. 그 공격자점은 원자가 차지하고 있어야 할 영역이다. 원래 공격자점의 위치를 차지하고 있는 원자는 결정의 외부 표면으로 이동할 수도 있다. 이러한 형태의 결함, 즉, 치환형 원자가 표면으로 제거된 공격자점을 Shottky 결함이라고 부른다.
만약, 통상적으로 치환형 격자점에 위치해 있는 원자가, 격자 중 치환형 위치가 아닌 곳에서 발견되어서 생기는 점결함을 침입형(interstitial)이라고 부른다. 잉여의 원자는 보통의 격자점 사이의 침입형 위치를 차지하게 된다. 이러한 점결함을 형성하는 원자는, 치환형 격자점을 차지하는 원자들과 같은 원소의 원자들이다. 공격자점을 형성하는 다른 방법은 격자점에서 원자를 제거하는 것 그리고 이런 원자를 침입형 격자점으로 이동하는 것이다. 이러한 방법은 두 개의 점결함을 형성하는 것을 포함하고 있다. 공격자점과 침입형 원자이다. 침입형 원자는 공격자점에 바로 인접해 있을 필요는 없다. 이렇게 형성된 결함을 Frenkel 결함이라 부르고, Schottky 결함이 한 개의 점결함을 포함한다면 Frenkel 결함은 두 개의 점결함을 포함한다는 점에서 서로 구분된다.