晶体基本概念ppt课件.ppt

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1、1.单晶单晶 与多晶与多晶？ 2. 晶体与非晶体晶体与非晶体 ？3. 晶体与准晶体晶体与准晶体 ？下列材料在微观结构上有何区别下列材料在微观结构上有何区别？第一章第一章 晶体的基本概念晶体的基本概念要解决的问题：要解决的问题： 如何描述晶体的本质特征如何描述晶体的本质特征周期性？周期性？晶体与材料晶体与材料 晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料晶体可以有单晶体和多晶体，其构成的材料分别为单晶材料和多晶材料。单晶材料有人造半导分别为单晶材料和多晶材料。单晶材料有人造半导体材料单晶硅和锗，金刚石、红宝石等，多晶材料体材料单晶硅和锗，金刚石、红宝石等，多晶材料包括金属及陶瓷等。晶体固有的性质对材料

2、的性质包括金属及陶瓷等。晶体固有的性质对材料的性质具有重要的决定作用。具有重要的决定作用。辰砂黄铁矿辉锑矿铝土矿软锰矿萤石主要内容主要内容1.1 空间点阵空间点阵1.2 空间点阵几何元素表示法空间点阵几何元素表示法点、线、面指数和原子坐标点、线、面指数和原子坐标1.3 晶带晶带 ( (晶面与晶向的关系晶面与晶向的关系) )1.1 空间点阵空间点阵1.1.1 1.1.1 晶体与非晶体宏观性质上的区别晶体与非晶体宏观性质上的区别1.1.2 1.1.2 晶体的定义晶体的定义1.1.3 1.1.3 等同点等同点-等同点系等同点系1.1.4 1.1.4 空间点阵空间点阵1.1.5 1.1.5 结构基元结

3、构基元1.1.6 1.1.6 晶体结构晶体结构= =点阵点阵+ +基元基元1.1.7 1.1.7 晶体点阵的实验证明晶体点阵的实验证明1.1.8 1.1.8 空间点阵中的几何要素空间点阵中的几何要素1. 1. 晶体晶体晶体及其基本性质晶体及其基本性质 古代，无论中外都把具有规则多面体形态古代，无论中外都把具有规则多面体形态的水晶称为晶体。后来扩展为用晶体称呼的水晶称为晶体。后来扩展为用晶体称呼那些天然就具有规则多面体形态的固体那些天然就具有规则多面体形态的固体, ,如如食盐、水晶，方解石、黄铁矿、绿柱石等。食盐、水晶，方解石、黄铁矿、绿柱石等。 晶体：是内部质点在三维空间呈周期性晶体：是内部质

4、点在三维空间呈周期性重复排列的固体。或者说晶体是具有格子重复排列的固体。或者说晶体是具有格子构造的固体。具有长程取向有序和长程周构造的固体。具有长程取向有序和长程周期性平移有序。期性平移有序。 1.1 1.1 空间点阵空间点阵1.1.11.1.1晶体与非晶体宏观性质上的区别晶体与非晶体宏观性质上的区别自限性自限性: 自发形成封闭几何多面体外形自发形成封闭几何多面体外形. 均一性均一性: 异向性异向性: 对称性对称性: 最小内能和最大稳定性最小内能和最大稳定性: 晶体有确定的熔点晶体有确定的熔点 微观结构不同微观结构不同？自限性自限性 自限性是指晶体在适当条件下可以自发地形成几何多面自限性是指晶

5、体在适当条件下可以自发地形成几何多面体的性质。由图中可以看出晶体为平的晶面所包围，晶面相交体的性质。由图中可以看出晶体为平的晶面所包围，晶面相交成直的晶棱，晶棱会聚成尖的角顶。成直的晶棱，晶棱会聚成尖的角顶。 图图1-1-1 晶面、晶棱、角顶与晶面、晶棱、角顶与 图图1-1-2 蓝晶石晶体的硬度蓝晶石晶体的硬度 面网、行列、阵点的关系面网、行列、阵点的关系 示意图示意图 A A- B B方向硬度不同方向硬度不同 均一性均一性 因为晶体是具有点阵构造的固体，在因为晶体是具有点阵构造的固体，在同一晶体的各个不同部分，质点的分布同一晶体的各个不同部分，质点的分布是一样的，所以晶体的各个部分的物理是一

6、样的，所以晶体的各个部分的物理性质与化学性质也是相同的，这就是晶性质与化学性质也是相同的，这就是晶体的均一性。体的均一性。 异向性异向性 晶体结构中不同方向上的质点种类和排晶体结构中不同方向上的质点种类和排列方式不同，导致晶体的各种物理和化学性质列方式不同，导致晶体的各种物理和化学性质随方向不同而异，这就是晶体的异向性。随方向不同而异，这就是晶体的异向性。例如：蓝晶石的硬度，石墨的导电性等随方向例如：蓝晶石的硬度，石墨的导电性等随方向的差异很大。的差异很大。 对称性对称性 晶体具异向性，但这并不排斥在某些特晶体具异向性，但这并不排斥在某些特定的方向上具有定的方向上具有“相同的性质相同的性质”。

7、在晶体的外。在晶体的外形上，也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出形上，也常有相等的晶面、晶棱和角顶重复出现。现。 最小内能最小内能 在相同的热力学条件下，在相同的热力学条件下，晶体与同种物质的非晶质体相比较，晶体与同种物质的非晶质体相比较，其内能最小。其内能最小。稳定性稳定性 晶体具有最小内能，因而结晶态是晶体具有最小内能，因而结晶态是一个相对稳定的状态。一个相对稳定的状态。这种稳定性可由质点的运动状态来说明：这种稳定性可由质点的运动状态来说明： 非晶体非晶体 与晶体相对应的是非晶体。其特点是内部与晶体相对应的是非晶体。其特点是内部结构不具有周期性结构不具有周期性( (格子构造格子构造) )。如

8、玻璃、琥珀、。如玻璃、琥珀、松香、树脂、沥青、大部分塑料等。松香、树脂、沥青、大部分塑料等。 内部质点内部质点不作规则排列，不具格子构造的物质，称为非不作规则排列，不具格子构造的物质，称为非晶质或非晶体。它的物理性质在各个方向上是晶质或非晶体。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫相同的，叫“各向同性各向同性”。它没有固定的熔点。它没有固定的熔点。所以有人把非晶体叫做所以有人把非晶体叫做“过冷液体过冷液体”或或“流动流动性很小的液体性很小的液体”。 准晶体准晶体 准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有长程取向有序的结构，然而不具有晶体晶具有长程取向

9、有序的结构，然而不具有晶体所应有的长程周期性平移有序，它具有特殊的所应有的长程周期性平移有序，它具有特殊的长程长程准准周期性平移有序，因而可以具有晶体所周期性平移有序，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性，例如不允许的宏观对称性，例如5、8、12次对称性。次对称性。 准晶体的发现，是准晶体的发现，是20世纪世纪80年代晶体学研究中年代晶体学研究中的一次突破。的一次突破。 2 Non dense, random packing Dense, regular packingDense, regular-packed structures tend to have lower energy.ENER

10、GY AND PACKING1.1.2 1.1.2 晶体的定义晶体的定义 晶体晶体是内部质点在三维空间是内部质点在三维空间作周期性重复排列的固体。作周期性重复排列的固体。1.1.3 等同点等同点-等同点系等同点系 晶体结构中几何环境和物质环境皆相同的点称为等同点, 由等同点组成的点系称为等同点系.在同一晶体中可以找出无穷多套等同点系，它们具有相同的周期重复规律.Na+C l-阵点 金刚石中同是碳原子由于其几何环境不同而金刚石中同是碳原子由于其几何环境不同而产生的两类等同点产生的两类等同点. . 同一晶体中各套等同点系的重复规律是相同一晶体中各套等同点系的重复规律是相同的同的, ,抽出任一套等同

11、点系抽出任一套等同点系, ,都可代表该晶体中都可代表该晶体中各套质点的重复规律各套质点的重复规律. . 同一晶体中各套等同点系的重复规律是相同的,抽出任一套等同点系,都可代表该晶体中各套质点的重复规律作人为抽象的工作作人为抽象的工作: 等同点等同点 阵点阵点等同点系等同点系 点阵点阵( (有物质内容有物质内容) () (几何点的阵列几何点的阵列) )1.1.4 1.1.4 空间点阵空间点阵 点在空间周期性规则排列且其中每个点有完全相同的环境，这种几何图形称为空间点阵。 空间点阵表明了晶体内部质点在三维空间作周期性重复排列这一根本的性质，因此，晶体又可定义为：晶体是具有空间点阵构造的固体。1.1

12、.5 1.1.5 结构基元结构基元与晶体空间点阵中的阵点对应与晶体空间点阵中的阵点对应的物理实体的物理实体( (离子、原子或离子、原子或分子）称为结构基元。分子）称为结构基元。同一晶体中所有基元的化学组同一晶体中所有基元的化学组成、空间结构均相同。成、空间结构均相同。1.1.6 1.1.6 晶体结构晶体结构 = = 点阵点阵 + + 基元基元LATTICE = An infinite array of points in space, in which each point has identical surroundings to all others.CRYSTAL STRUCTURE =

13、 The periodic arrangement of atoms in the crystal.It can be described by associating with each lattice point a group of atoms called the MOTIF (BASIS)2D LATTICESe.g. the hexagonal pattern of a single layer of GRAPHITE 石墨原子面石墨原子面石墨的石墨的2D点阵点阵Counting Lattice Points/Atoms in 2D LatticesUnit cell is Pri

14、mitive (1 lattice point) but contains TWO atoms in the Motif Atoms at the corner of the 2D unit cell contribute only 1/4 to unit cell count Atoms at the edge of the 2D unit cell contribute only 1/2 to unit cell count Atoms within the 2D unit cell contribute 1 (i.e. uniquely) to that unit cell 1.1.7

15、1.1.7 晶体点阵的实验证明晶体点阵的实验证明金的AFM 照片DNA的衍射 照片LB膜热解法制备的膜热解法制备的SiC薄膜的劳厄像薄膜的劳厄像4H-SiC4H-SiC单晶纳米线单晶纳米线 - - 宁吉强硕士宁吉强硕士17nm x 1.5m碳化还原法碳化还原法，4004H-SiC纳米线电子衍射图/Convert 2.10 for MS Windows 3.1x Scan no. = 1 Lambda1,lambda2 = 1.540 Observed Profile 2-Theta, deg Counts X10E 1 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 X10E

16、5 .0 1.0 2.0 3.0 2-Theta, deg x 10Counts x 105powderChemical crystallography powder analysis阵点：空间点阵中的几何点阵点：空间点阵中的几何点1.1.8 1.1.8 空间点阵中的几何要素空间点阵中的几何要素 阵点矢量：阵点矢量：r = ua + vb + wc (1)当当a、b、c为基矢量，为基矢量，u 、v 、w为整数。为整数。 阵点指数阵点指数： u v w 点阵列点阵列： 分布在同一直线上的阵点分布在同一直线上的阵点构成一个点阵列构成一个点阵列, ,空间点阵中任意两个阵空间点阵中任意两个阵点联结起来

17、就是一条行列的方向。点联结起来就是一条行列的方向。 行列中相邻结点间的距离称为该行行列中相邻结点间的距离称为该行列的结点间距列的结点间距, ,例如下图中的例如下图中的a.a. 点阵面点阵面：分布在同一平面上的阵点构成一个点阵面分布在同一平面上的阵点构成一个点阵面网。空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就网。空间格子中不在同一行列上的任意三个结点就可以决定一个面网的方向，或者说任意两个相交的可以决定一个面网的方向，或者说任意两个相交的行列就可决定一个面网。行列就可决定一个面网。面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。面网上单位面积内结点的密度称为面网密度。对于一个单位平行六面体，以交于一对于一

18、个单位平行六面体，以交于一点、不在一个平面上的三个棱作为三点、不在一个平面上的三个棱作为三个坐标轴，棱长个坐标轴，棱长a a、b b、c c为坐标刻度，为坐标刻度，彼此的夹角为彼此的夹角为、。即可表示。即可表示出它的形状。出它的形状。a a、b b、c c及及、合称为点阵（格子）参数，合称为点阵（格子）参数，对于实际晶体则称之为晶胞参对于实际晶体则称之为晶胞参数。数。 点阵单胞点阵单胞(阵胞阵胞)：空间点阵的重复单元空间点阵的重复单元( (平行六面体平行六面体) )。对于一个单位平行六面体，对于一个单位平行六面体，以交于一点、不在一个以交于一点、不在一个平面上的三个棱作为三个坐标轴，平面上的三

19、个棱作为三个坐标轴，棱长棱长a a、b b、c c为坐标刻度，为坐标刻度，彼此的夹角为彼此的夹角为、。即可表示出它的形状。即可表示出它的形状。a a、b b、c c及及、称为点阵参数，称为点阵参数，对于实际晶体则称之为晶胞参数。对于实际晶体则称之为晶胞参数。分成初基单胞和非初基单胞。分成初基单胞和非初基单胞。5 结构单胞结构单胞( (晶胞晶胞): ): 晶体结构的重复单元晶体结构的重复单元（与阵胞几何形状相同）（与阵胞几何形状相同） 晶胞阵胞结构基元晶胞阵胞结构基元阵胞与晶胞阵胞与晶胞(CsCl)阵胞与晶胞阵胞与晶胞 (NaCl(NaCl) )a= b = c =0.5628nm，=906 6

20、 点阵参数点阵参数( (晶胞参数晶胞参数) ) a a、b b、c c，(bc)(bc)、(ac)(ac)、(ab)(ab)练习 1, 2, 3, 4 Fish 双面心 Cu3Au Cu2O 1.2 空间点阵几何元素表示法空间点阵几何元素表示法点、线、面指数和原子坐标点、线、面指数和原子坐标 先建立坐标系：以阵胞轴矢为坐标轴，以先建立坐标系：以阵胞轴矢为坐标轴，以轴矢长为单位，坐标系可以平移，但不能轴矢长为单位，坐标系可以平移，但不能转动。转动。 采用右手系采用右手系。（1）阵点指数阵点指数 m1m2m3 R m= m1a+m2b+m3c原子分数坐标原子分数坐标: x, y, z(2) 线指数

21、（方向指数）线指数（方向指数） u v w 取过原点的点阵直线上任一点的坐标取过原点的点阵直线上任一点的坐标之连比之连比(互质整数化互质整数化). 例例: P.11 Fig.1.17 (3) (3) 晶面指数晶面指数 (h k l)(h k l) 英国学者米勒尔创立的米氏符号：英国学者米勒尔创立的米氏符号：取不过原点的平面在三个坐标轴上的截取不过原点的平面在三个坐标轴上的截距之倒数的连比距之倒数的连比(互质整数化互质整数化).例例: P.11 Fig.1.17晶面指数举例晶面指数举例 例如，有一单斜晶系晶体的例如，有一单斜晶系晶体的晶面晶面ABC在在X、Y、Z轴上的截距轴上的截距分别为分别为3

22、a、2b、6c（如图）。其（如图）。其晶面指数求解过程为：晶面指数求解过程为：X、Y、Z三晶轴的单位分别为三晶轴的单位分别为a、b、c，其截距其截距: 3、2、6，其倒数比：其倒数比： 231，其晶面指数其晶面指数: （ 2 3 1 ）。）。(1/3 1/2 1/2) =(233)x = 3y = 2z = 21.3 晶带晶带 (晶面与晶向的关系晶面与晶向的关系) (1) (1) 定义定义: : 所有平行或相交于同一直线的晶面构成一所有平行或相交于同一直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的个晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面。晶面称为晶带面。 例例: (112)、（

23、、（113）、（）、（111）、（）、（001）都）都平行于平行于AB 110, 它们都属于它们都属于 110晶带晶带.(2) (2) 晶带定律晶带定律“每一个晶面至少每一个晶面至少同时属于两个晶带同时属于两个晶带.”(3) (3) 晶带方程晶带方程 h u + k v + l w =0例例: 111 晶带的晶面指数必须满足晶带的晶面指数必须满足 h+k+l = 0,110晶带的晶面指数必须满足晶带的晶面指数必须满足 h+k = 0 证明证明: 法法1:见书见书 p.13 法法2: 利用倒易点阵性质利用倒易点阵性质(4) (4) 晶带计算晶带计算 由两个不平行晶面求晶带由两个不平行晶面求晶带,

24、 由两个不平行晶带求晶面由两个不平行晶带求晶面, 已知两个晶面在一个晶带已知两个晶面在一个晶带, 求该晶求该晶带的其它晶面带的其它晶面晶带定律的应用（晶带定律的应用（1）晶面1 (h1 k1 l1)晶面2 (h2 k2 l2)晶带轴 (u v w)111111222222:kllhhku v wkllhhk111222uvwhklhkl晶带定律的应用（晶带定律的应用（2）晶向1 (u1 v1 w1)晶向2 (u2 v2 w2)晶面 (h k l)111111222222:vwwuuvh k lvwwuuv111222hkluvwuvw晶带定律的应用（晶带定律的应用（3）晶轴1 (u1 v1 w

25、1)晶轴2 (u2 v2 w2)晶轴3 (u3 v3 w3)若则三个晶轴同在一个晶面上0333222111wvuwvuwvu晶带定律的应用（晶带定律的应用（4）晶面1 (h1 k1 l1)晶面2 (h2 k2 l2)晶面3 (h3 k3 l3)若则三个晶面同属一个晶带1112223330hklhklhkl本章小结本章小结 周期性周期性(平移对称性平移对称性)的几何描述的几何描述 - 空间点阵空间点阵. 晶体就是内部质点排列存在空间点阵规律的固晶体就是内部质点排列存在空间点阵规律的固体体.作业作业 7, 9, 10, 11, 12, 14, 15, 16. 下次课带铅笔、直尺、白纸，作实习一。下次课带铅笔、直尺、白纸，作实习一。 郭班长等郭班长等3人于人于 9月月16日日1:30 到到 材料楼南材料楼南303 拿模型到拿模型到5103。Thank you!Question?如何描述晶体的本质特征如何描述晶体的本质特征周期性？自然界中还有何周期性？自然界中还有何现象具有周期性？现象具有周期性？