2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体的结构.pptx

晶体的结构晶体的结构第一章晶体的结构第一章晶体的结构主要内容：晶体的空间点阵、倒格子空间、晶主要内容：晶体的空间点阵、倒格子空间、晶体的对称性、晶体结构的基本类型以及晶体的体的对称性、晶体结构的基本类型以及晶体的X X射线衍射。射线衍射。固体物理学是材料科学的基础。固体物理学是材料科学的基础。固体物理学是学习半导体物理学、半导体器件固体物理学是学习半导体物理学、半导体器件物理的先导课程，也是进入物理的先导课程，也是进入固体电子学与微电固体电子学与微电子学子学、光电子学光电子学领域的必备基础。领域的必备基础。学习中必须注意的问题学习中必须注意的问题.保证学好第一章：只有把基本的保证学好第一章：只有把基本的晶体结构搞清楚，才能深入探讨固体物晶体结构搞清楚，才能深入探讨固体物理的其它重要内容。理的其它重要内容。.不必惧怕课程中的数学推导。不必惧怕课程中的数学推导。能能够用简单的公式表达物理内涵是非常幸够用简单的公式表达物理内涵是非常幸运的运的。在实际问题中我们就很难用一个。在实际问题中我们就很难用一个简单的公式给出答案了。简单的公式给出答案了。1.11.1晶体的特征晶体的特征一长程有序一长程有序用用x x射线衍射、电子显微镜射线衍射、电子显微镜等可以研究晶体内原子的排列，等可以研究晶体内原子的排列，发现：晶体是由原子在三维空发现：晶体是由原子在三维空间规则的周期性排列所构成的。间规则的周期性排列所构成的。晶体内部所呈现的原子的晶体内部所呈现的原子的有序排列称为长程有序有序排列称为长程有序。stacking mismatch boundariesSMBs!准单色准单色的平行的平行x射线束射线束探测器探测器单晶体单晶体：晶体内部的原子是有序排列的。如：晶体内部的原子是有序排列的。如SiSi，GaAsGaAs单晶。单晶。多晶体多晶体：是由许多小晶粒（晶体）构成的，小晶粒：是由许多小晶粒（晶体）构成的，小晶粒内部是长程有序的，而各个小晶粒之间是没有确定内部是长程有序的，而各个小晶粒之间是没有确定取向的。如冰，金属。取向的。如冰，金属。随着温度的变化，晶体的长程有序可以被破坏，随着温度的变化，晶体的长程有序可以被破坏，晶晶体具有确定的熔点。体具有确定的熔点。没有特别说明，以后指的都是没有特别说明，以后指的都是单晶体单晶体。二解理性二解理性晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。相应的晶面称为相应的晶面称为解理面解理面。单晶体的表面大都为解理面。可以利用晶体的单晶体的表面大都为解理面。可以利用晶体的解理性对晶体进行分割。解理性对晶体进行分割。三晶面角守恒三晶面角守恒尽管同一种晶体的外形可以不同（如岩盐尽管同一种晶体的外形可以不同（如岩盐（NaCINaCI）晶体可以是立方体或八面体，也可以是立）晶体可以是立方体或八面体，也可以是立方同八面的混合体），但相应晶面间的夹角保持不方同八面的混合体），但相应晶面间的夹角保持不变。如水晶变。如水晶(SiO(SiO2 2)的两个的两个M M 面之间的夹角始终为面之间的夹角始终为6060。晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面角守恒定律：属于同一品种的晶体，两个对应晶面之间的夹角恒定不变。晶面之间的夹角恒定不变。-是由原子的有序排列所决定的。是由原子的有序排列所决定的。四各向异性四各向异性晶体的物理性质（如弹性常数、压电常数、介电常晶体的物理性质（如弹性常数、压电常数、介电常数等）在不同方向上存在差异，此即为晶体的各向异数等）在不同方向上存在差异，此即为晶体的各向异性。各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性。性。各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性。带轴：晶面常常排列成带状，晶面间的交线称为晶带轴：晶面常常排列成带状，晶面间的交线称为晶棱，晶棱的共同方向称为带轴。棱，晶棱的共同方向称为带轴。下一步的问题：下一步的问题：如何描述晶体结构？如何描述晶体结构？1.2 空间点阵空间点阵晶体结构的数学描述布喇菲空间点阵学说晶体结构的数学描述布喇菲空间点阵学说晶体是由大量原子（或离子）（晶体是由大量原子（或离子）（1023/cm3）组成成的。晶体的种的。晶体的种类很多，而且构成各种晶体的原子的种很多，而且构成各种晶体的原子的种类也可以有很大的不同，如硅也可以有很大的不同，如硅单晶，晶，BaTiO3晶体。因晶体。因此，从原子此，从原子层面上看，面上看，实际晶体的晶体的结构可能是非常复构可能是非常复杂的。如何描述？的。如何描述？关于晶体几何关于晶体几何结构构问题，早在，早在19世世纪，布喇菲，布喇菲就提出了就提出了“空空间点点阵学学说”，后来又，后来又发展了空展了空间群理群理论，形成了晶体几何的完，形成了晶体几何的完备理理论。布喇菲空布喇菲空间点点阵学学说：晶体内部晶体内部结构是由一些构是由一些相同的点子在空相同的点子在空间作周期性无限分布所构成的系作周期性无限分布所构成的系统。点子的点子的总体称体称为点点阵。一、空一、空间点点阵学学说中所称的中所称的“点子点子”代表着代表着结构中构中相同的相同的“位置位置”，称，称为结点点。A.当晶体是由一种原子构成的，当晶体是由一种原子构成的，结点可以是原子点可以是原子本身的位置，也可以是原子周本身的位置，也可以是原子周围的某一点，一般用的某一点，一般用原子本身的位置。原子本身的位置。B.当晶体是由多种原子构成的，多种原子构成一当晶体是由多种原子构成的，多种原子构成一个基本个基本结构构单元称元称为基元基元，此，此时结点可以是基元的点可以是基元的重心，也可以是基元中的任一位置，如某一原子的重心，也可以是基元中的任一位置，如某一原子的位置。位置。