在自然界的平衡環(huán)境中，大多數(shù)晶體的形成及其生長(zhǎng)和變化都需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史。但是在實(shí)驗(yàn)室條件下，晶體形成和生長(zhǎng)的時(shí)間尺度就可以大大縮短。這固然是人工條件下改變了晶體的生長(zhǎng)環(huán)境，但也和晶體本身的原因不無(wú)關(guān)系。所以，認(rèn)識(shí)和研究晶體的形成過(guò)程以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的一些現(xiàn)象，是晶體學(xué)的一個(gè)基本內(nèi)容。 
晶體形成的過(guò)程就是物質(zhì)從其它相轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶相的過(guò)程。也就是原來(lái)的非晶物質(zhì)在一定的物理化學(xué)條件下(溫度、壓力和組分濃度等)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶物質(zhì)的過(guò)程。晶體形成的方式主要有:

01 由氣體結(jié)晶

       一種氣體處于它的過(guò)飽和蒸汽壓或過(guò)冷卻溫度條件下，直接由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。生活中最典型的例子是冰花，冬季玻璃窗上的冰花就是由空氣中的水蒸氣直接結(jié)晶的結(jié)果。  

02 由液體(溶液或熔融體)中結(jié)晶

       如海水因水分蒸發(fā)，溶液達(dá)到過(guò)飽和而結(jié)晶析出石鹽。地殼內(nèi)部的巖漿熔體在冷卻過(guò)程中形成長(zhǎng)石、石英等晶體。   

03 由固相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w

       這種相變亦可有兩種方式：
       （1）在同一溫度、壓力條件下，某物質(zhì)的非晶質(zhì)體向晶質(zhì)體轉(zhuǎn)化。因?yàn)榕c結(jié)晶相比，非晶質(zhì)體具有較大的自由能，所以它可以自發(fā)地向自由能較小的晶質(zhì)體轉(zhuǎn)變。如石墨制品有非晶質(zhì)的焦炭，瀝青等經(jīng)過(guò)高溫作用形成石墨晶體。
       （2）由一種結(jié)晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)晶相。這種相變，即通常所謂的同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。例如人造金剛石，通常是由石墨在高溫和極大的壓力下轉(zhuǎn)變而成的。 

       下面先從液相的結(jié)晶過(guò)程來(lái)了解一下晶體的形成，在理想條件下，當(dāng)熔體過(guò)冷或溶液達(dá)到過(guò)飽和，生長(zhǎng)的第一步是相應(yīng)組分的質(zhì)點(diǎn)按格子構(gòu)造首先聚合成僅含幾個(gè)或幾十個(gè)“分子”的極為微小的微晶，它們便成為結(jié)晶過(guò)程晶體生長(zhǎng)發(fā)育的中心，稱之晶核或晶芽。一般來(lái)說(shuō)，如果熔體溫度下降或溶液的濃度增大進(jìn)行的很快，則產(chǎn)生的晶核（芽）數(shù)目就多，反之晶核（芽）的數(shù)目就少。晶核或晶芽形成后，緊接著就是溶液或熔體中的質(zhì)點(diǎn)按格子構(gòu)造不斷堆積到晶核（芽）上去，這就是晶體長(zhǎng)大過(guò)程。在理想條件下，質(zhì)點(diǎn)的堆積會(huì)按一定的順序進(jìn)行，因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)堆積到晶核（芽）上時(shí)，在不同的位置所受的引力是各不相同的，所以質(zhì)點(diǎn)將優(yōu)先堆積到引力最強(qiáng)的位置上去，以便釋放盡可能多的能量，使晶體的內(nèi)能達(dá)到最小。因而，晶體的理想生長(zhǎng)過(guò)程是：在晶核（芽）的基礎(chǔ)上先長(zhǎng)滿一層面網(wǎng)，再生長(zhǎng)相鄰的一層，逐層平行地向外推移。生長(zhǎng)一旦停止，其最外層的面網(wǎng)便成為實(shí)際晶面，相鄰面網(wǎng)相交的行列成為實(shí)際的晶棱，這樣便構(gòu)成一個(gè)由晶面所包圍占有一定空間的封閉幾何多面體。這就是晶體的自限性。
       但在實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中，由于生長(zhǎng)時(shí)的外界環(huán)境總是或多或少的偏離理想條件，面網(wǎng)在生長(zhǎng)時(shí)就不可能?chē)?yán)格地逐層平行向外推移，而往往是按格子構(gòu)造聚合而成的質(zhì)點(diǎn)基團(tuán)成團(tuán)的粘附到晶核（芽）上去，值得注意的是，這些質(zhì)點(diǎn)基團(tuán)和晶核（芽）之間，質(zhì)點(diǎn)基團(tuán)與質(zhì)點(diǎn)基團(tuán)之間，并不是按照格子構(gòu)造規(guī)律嚴(yán)格地互相平行的，經(jīng)常存在著很微小的角度偏差，有時(shí)甚至造成晶體結(jié)構(gòu)上的某些缺陷。除此之外，就是隨著晶體的長(zhǎng)大，溶質(zhì)供應(yīng)的不均勻性會(huì)逐漸明顯，相對(duì)來(lái)說(shuō)，角頂處接受溶質(zhì)的機(jī)會(huì)最多，晶棱附近次之，晶面中心則最小，因而質(zhì)點(diǎn)將優(yōu)先在角頂和晶棱附近堆積。
       而對(duì)于由一種晶體轉(zhuǎn)化成另一種晶體的機(jī)理，我們以石墨轉(zhuǎn)化成金剛石為例，人造金剛石生長(zhǎng)機(jī)理由于在高溫高壓下檢測(cè)困難的限制，我們不能直觀的了解其變化過(guò)程，所以其機(jī)理都是由研究者根據(jù)晶體的一般規(guī)律推理出來(lái)的，并且有很多種說(shuō)法，其中最主要的理論模型包括兩類：一類是不破鍵觀點(diǎn)（無(wú)擴(kuò)散，直接轉(zhuǎn)變觀點(diǎn)），包括固相轉(zhuǎn)化說(shuō)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化說(shuō)；另一類是破鍵觀點(diǎn)（溶解、擴(kuò)散觀點(diǎn)），包括溶劑說(shuō)、催化劑說(shuō)、溶劑一催化劑說(shuō)等。
直接轉(zhuǎn)變觀點(diǎn)認(rèn)為，不需要經(jīng)過(guò)碳原子拆散過(guò)程，石墨鍵不發(fā)生斷裂，而由石墨的層片狀結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)變成金剛石的結(jié)構(gòu)。這樣的轉(zhuǎn)變可以認(rèn)為是固一固轉(zhuǎn)變，在結(jié)晶化學(xué)中稱為位移性轉(zhuǎn)變。
       破鍵觀點(diǎn)認(rèn)為，石墨化學(xué)鍵先經(jīng)破裂，然后重建為金剛石鍵，經(jīng)過(guò)了一個(gè)由碳原子鍵打開(kāi)到重新組合成新鍵的過(guò)程。這在結(jié)晶化學(xué)中稱為重建性轉(zhuǎn)變。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變往往需要提供較多的能量。在這一過(guò)程中，包含碳原子的溶解、擴(kuò)散和再結(jié)晶等幾個(gè)步驟，一般可以認(rèn)為是固一液一固轉(zhuǎn)變，遵循上面講的從液相中結(jié)晶的一般規(guī)律。例如晶體隨時(shí)間延長(zhǎng)而長(zhǎng)大，表面有生長(zhǎng)臺(tái)階、生長(zhǎng)螺旋。
       金剛石的形成理論眾多，都可以解釋一部分實(shí)際現(xiàn)象，但都具有局限性，這里每一種理論的原理就不一一贅述。
       現(xiàn)就目前比較熱門(mén)的大顆粒金剛石的合成機(jī)理從溶劑說(shuō)的機(jī)理加以解釋：
       觸媒金屬在轉(zhuǎn)變過(guò)程中起溶劑作用，石墨在高壓下以原子方式溶解直至飽和，然后從過(guò)飽和溶液中以金剛石的形式析出。因?yàn)樵诟邷馗邏汉铣蓷l件下，溶液對(duì)金剛石過(guò)飽和而對(duì)石墨是不飽和的，由此造成了所謂連續(xù)溶液，使得石墨不斷溶解，而金剛石不斷結(jié)晶析出。
       金剛石結(jié)晶的動(dòng)力是溶液中金剛石的過(guò)飽和度，結(jié)晶形態(tài)和晶體的形成與長(zhǎng)大，都與過(guò)飽和度直接相關(guān)。過(guò)飽和度大小取決于在具體P、T條件下石墨與金剛石溶解度之差，造成過(guò)飽和的原因是石墨與金剛石在熱力學(xué)上的勢(shì)差——化學(xué)位之差。在一定溫度范圍內(nèi)金剛石比石墨穩(wěn)定，因而石墨較容易溶解，即石墨溶解度比金剛石大。這一理論的有力證據(jù)是人造金剛石表面的形態(tài)和缺陷，比如在金剛石的（ 111）面發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)臺(tái)階和螺旋線。