第1章原子结构和晶体结构PPT讲稿.ppt

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1、第1章原子结构和晶体结构1第1页，共139页，编辑于2022年，星期一ObjectivesofChapter1oThegoalofthischapteristodescribetheunderlyingphysicalconceptsrelatedtothestructureofmatter.oToexaminetherelationshipsbetweenstructureofatoms-bonds-propertiesofengineeringmaterials.oLearnaboutdifferentlevelsofstructurei.e.atomicstructure,nanostr

2、ucture,microstructure,andmacrostructure.oTolearnclassificationofmaterialsbasedonatomic/ionicarrangementsoTodescribethearrangementsincrystallinesolidsbasedonlattice,basis,andcrystalstructure2第2页，共139页，编辑于2022年，星期一ChapterOutlineo1.1原子的结构o1.2原子和离子排列o1.3晶体结构的表示方法o1.4纯金属的晶体结构o1.5晶胞中的点、晶向和晶面o1.6间隙o1.7离子晶体

3、结构和共价晶体结构3第3页，共139页，编辑于2022年，星期一oNanotechnologyoMicro-electro-mechanical(MEMS)systems-AirbagsensorsoNanostructuresFigure 2.1TheStructureofMaterials:TechnologicalRelevance4第4页，共139页，编辑于2022年，星期一o材料的成分（成分（composition）和结构（结构（structure）对于材料的性能具有重要的影响。o微观结构微观结构是尺寸范围在10到1000nm的材料结构。微观结构一般包含材料的平均晶粒尺寸、晶粒尺寸分

4、布、晶粒取向和与缺陷有关的特征。o宏观结构宏观结构是宏观水平在1000nm材料结构。宏观结构主要包括气孔率，表面喷涂，内部和外部宏观裂纹等内容。o原子结构原子结构包括构成材料整体的所有的原子和原子排列。在材料整体的内部存在着纳纳米米、微观和宏观结构。o根据原子排列原子排列的特点，可以区分材料是非晶体还是晶体。非晶体中原子或离子具有短程有序，长程无序的排列。晶体中原子或离子具有短程和长程均有序的排列。TheStructureofMaterials:TechnologicalRelevance5第5页，共139页，编辑于2022年，星期一LevelofStructureExampleofTechn

5、ologies原子结构10-10m金刚石刀具刃口涂层原子排列：长程有序PZT锆钛酸铅-点燃气体10-10-10-9m，有序化范围：几cm大晶体原子排列：长程有序非晶硅-光纤通讯工业10-10-10-9m表1-1结构层面6第6页，共139页，编辑于2022年，星期一LevelofStructureExampleofTechnologies纳米结构纳米氧化铁-铁磁流体10-9-10-7m1-100nm）微观结构金属和合金的机械性能10-8-10-6m（10-1000nm）宏观结构汽车防腐蚀涂层10-4m（1000nm）Table1.1(Continued)7第7页，共139页，编辑于2022年，星

6、期一Section1.1.2TheStructureoftheAtomoTheatomicnumberofanelementisequaltothenumberofelectronsorprotonsineachatom.oTheatomicmassofanelementisequaltotheaveragenumberofprotonsandneutronsintheatom.oTheAvogadronumberofanelementisthenumberofatomsormoleculesinamole.oTheatomicmassunitofanelementisthemassofana

7、tomexpressedas1/12themassofacarbonatom.8第8页，共139页，编辑于2022年，星期一1.1.2原子结构原子结构原子由原子核及分布在核周围的电子所组成。原子核内有中子和带正电的质子。所以，原子是由原子中心带正电的原子核和核外绕核高速旋转的带负电的电子所构成。每个电子和原子核内的质子带的电荷均为1.601019库仑（C）。由于在原子中电子和质子的数目相同。所以，整个原子呈电中性。元素的原子序数（原子序数（atomic number）等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应。所有元素按照原子序数由小到大排列在元素周期表中。铁原子含有2

8、6个电子和26个质子，原子序数为26。原子质量主要在原子核内。每个质子和中子的质量是1.671024g，但是电子的质量仅为9.111028g。原子量（原子量（atomic mass）M等于原子中质子和中子的质量的平均值，也就是原子的阿佛加德罗常数（阿佛加德罗常数（avogadro number）NA。NA=6.021023原子/摩尔是每摩尔的原子和分子数。因此，原子量的单位是。一种质量单位是原子质量单位（原子质量单位（atomic mass unit-amu），它等于碳最多的同位素碳12的原子质量的十二分之一。例如，1摩尔铁原子含有个原子，原子量为55.847g或者55.847amu。9第9页

9、，共139页，编辑于2022年，星期一计算100g银中的原子数例题1-1解答：银中的原子数=5.58 1023例题1-1银中的原子数的计算10第10页，共139页，编辑于2022年，星期一oIII-Vsemiconductorisasemiconductorthatisbasedongroup3Aand5Belements(e.g.GaAs).oII-VIsemiconductorisasemiconductorthatisbasedongroup2Band6Belements(e.g.CdSe).oTransitionelementsaretheelementswhoseelectronic

10、configurationsaresuchthattheirinner“d”and“f”levelsbegintofillup.oElectropositiveelementisanelementwhoseatomswanttoparticipateinchemicalinteractionsbydonatingelectronsandarethereforehighlyreactive.1.1.3ThePeriodicTable元素周期表元素周期表11第11页，共139页，编辑于2022年，星期一元素周期表是按照元素的电子结构构建成的。周期表上水平各排称为周期周期，它对应于相应的壳层和主量子

11、数。周期表上竖的各列称为族族，它对应于相应的外壳层电子数和最常见的化合价。同一族元素具有相同的外壳层电子数。工程上主要应用的材料：o高聚物（塑料）(主要是4A族中的碳)o陶瓷（主要是从1族到5A族多种元素的结合，例如O、C和N）o金属材料（主要是1、2族和过渡族元素）o当前热门的半导体一般在4A族，例如硅（Si），金刚石（C），硒（Ge），而硒化镉（CdSe）是2B族的镉（Cd）和6A族的硒（Se）元素的结合的，被称为半导体半导体(semiconductors)。同样砷化镓（GaAs）被称为半导半导体体，因为砷是3A族，镓是5A族。过渡族元素过渡族元素(transition element)钛

12、(Ti)、钒(V)、铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等元素对磁性材料和光学材料非常重要，因为它们都具有多种化合价。1.1.3ThePeriodicTable元素周期表元素周期表12第12页，共139页，编辑于2022年，星期一o碳（金刚石型）的熔点最高，碳元素下面的元素的熔点一般会降低，例如硅（Si）（1410），硒（Ge）（937），锡(Sn)(232),铅（Pb）（327）。注意铅的熔点比锡高。所以元素周期表可以告诉我们性能变化的趋势而不是准确变化。o元素周期表还可以看到其他性能的变化。4A族元素的金刚石（C）是一种能带隙很宽的材料，是电的不良导体。在4A族中熔点最高，内部原子结合力大。

13、金刚石（C）下面的元素，能带隙逐渐降低，Si和Ge的能带隙分别为1.11和0.67eV。锡的一种形态为半导体性质，另一种形态为金属性质。在1A族里，锂元素电负性很高。电负性是用来衡量原子吸引电子能力的参数。电负性越强，吸引电子的能力越强，数值越大。自上而下，电负性数据逐渐减小。o元素周期表可以帮助我们预计元素和化合物的性能变化和更合理地设计设计材料。所以元素周期表对科学家和工程师都非常有用。1.1.3元素周期表元素周期表ThePeriodicTable13第13页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure (a)and(b)Periodic Table of Elements14第14

14、页，共139页，编辑于2022年，星期一oMetallicbond,Covalentbond,Ionicbond,vanderWaalsbondarethedifferenttypesofbonds.oDuctilityreferstotheabilityofmaterialstobestretchedorbentwithoutbreakingoVanderWaalsinteractions:Londonforces,Debyeinteraction,KeesominteractionoGlasstemperatureisatemperatureabovewhichmanypolymersan

15、dinorganicglassesnolongerbehaveasbrittlematerialsoIntermetalliccompoundisacompoundsuchasAl3Vformedbytwoormoremetallicatoms1.1.4原子结合键15第15页，共139页，编辑于2022年，星期一o使不同的原子、离子或分子相互结合在一起的作用力称为结合键结合键。o一次键：包括金属键、共价键、离子键，结合力较强。o二次键：包括范德瓦耳斯键和氢键，结合力较弱。1.金属键（metallicbond）2.金属键金属键:使正离子和电子气之间通过强烈的静电吸引力结合在一起的结合力。o金属键

16、没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合力，因而金属具有良好的塑性。o金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解（称固溶）能力也是金属的重要特性。o一般来讲，金属的熔点比较高。对可见光的反射能力比较强，许多金属容易产生腐蚀和氧化。o许多纯金属具有良好的导热性，可用于热交换器上。o金属导电性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。1.1.4原子结合键16第16页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 1-2 金属键金属键17第17页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 金属导电性金属导电性When v

17、oltage is applied to a metal,the electrons in the electron sea can easily move and carry a current18第18页，共139页，编辑于2022年，星期一2.共价键（covalentbond）o价电子数为4或5个的A、VA族元素，相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用共用电子对来达到稳定的电子结构。这种由共用电子对所产生的结合键叫做共价键共价键。o金刚石是共价键结合的典型，碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原子组成四个公用电子时，达到八个电子的稳定结构。此时各个电子对

18、之间静电排斥，因而它们在空间以最大的角度互相分开，互成109.50，于是形成一个正四面体，碳原子分别处于四面体中心及四个顶角位置，正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。1.1.4原子结合键19第19页，共139页，编辑于2022年，星期一o共价键结合强度高，因此共价晶体具有极高的强度和硬度。例如金刚石(C)，碳化硅(SiC)，氮化硅(Si3N4)和氮化硼(BN)都是共价键晶体。金刚石是世界上最坚硬的物质之一。o具有极高的熔点，很适合高温结构应用。o因为共价键具有方向性，不允许改变原子间的相对位置，

19、所以共价键结合的材料的塑性和韧性很低。o许多共价晶体的导电性不高（例如硅，金刚石和很多陶瓷），是因为共价电子被固定在原子间的结合当中，不容易移动产生电流。对于硅等一些材料，可以通过掺杂少量的元素，可以得到目前最热门的半导体材料。o导电聚合物也是一种可以转变成半导体的转变物。它对于挠性电子元件十分重要，因此很多科学家和工程师十分关注导电聚合物的研究。1.1.4原子结合键20第20页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 1-3 共价键共价键Covalent bonding requires that electrons be shared between atoms in such

20、a way that each atom has its outer sp orbital filled.In silicon,with a valence of four,four covalent bonds must be formed21第21页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure Covalent bonds are directional.In silicon,a tetrahedral structure is formed,with angles of 109.5 required between each covalent bonda)b)图图1-3 金刚石的共

21、价结合及其方向性金刚石的共价结合及其方向性22第22页，共139页，编辑于2022年，星期一例题1-2SiO2中氧和硅原子是怎样结合的?假定二氧化硅（SiO2）是100的共价键，说明二氧化硅（SiO2）中氧和硅原子是怎样结合的。Example1-2解答硅的外层有四个价电子，它与相邻的四个氧原子分别共用一个价电子，因此，对于每个硅原子一共有8个电子，然而，氧的外层有6个价电子，它与两个硅原子共用2个价电子，一共也有8个电子。图1-4说明了可能的一种晶体结构。和硅相似，也形成了一个四面体结构。23第23页，共139页，编辑于2022年，星期一图图1-4 二氧化硅（二氧化硅（SiO2）中的硅氧共价四

22、面体结构）中的硅氧共价四面体结构The tetrahedral structure of silica(Si02),which contains covalent bonds between silicon and oxygen atoms(for Example 2-6)24第24页，共139页，编辑于2022年，星期一3.离子键（ionicbond）o正电性元素原子失去外层价电子变成带正电荷的正离子（正离子（cation），负电性元素原子获得电子变成带负电荷的负离子（负离子（anion），两者之间靠静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。o在周期表中，最右边的惰性气体一族，外层电子填满除外，其

23、它元素的外层皆有未填满壳层。在周期表右方，外层大多只差一或两个电子即可填满，因此很容易得到电子(具有较高的电子亲和力)，形成负离子。例如第VIIA族的F-，Cl-，Br-，第VIA族的O-2，S-2。在周期表的左方，外层多出一或两个电子，很容易失去(具有较低的游离能)，形成正离子。例如第IA族的Li+，Na+，K+，第IIA族的Be+2，Mg+2，Ca+2。因此周期表右方的元素很容易得到周期表左方的元素的电子，形成一对正负离子(当然价电子必须吻合)。正负离子靠近时，产生互相吸引的库伦作用力，形成离子键。例如氯化钠离子晶体，就是一个最典型的例子。1.1.4原子结合键25第25页，共139页，编辑

24、于2022年，星期一o在半导体材料与陶瓷材料中，有许多重要的材料都属于离子键结合。例如广泛应用在光电元件的III-V族(GaAs)与II-VI族(CdS)化合物半导体，是共价键倾向离子键。广泛应用在介电，压电，磁性，以及超导体的陶瓷材料，大部份都是离子晶体。如CsCl，ZnS，BaTiO3，Fe3O4.等。由于离子键的结合力很大，所以离子晶体的硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数较小，但脆性大；由于离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体；在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地束缚在离子的外围，可见光的能量一般不足以使其外层电子激发，因而不吸收可见光，所以典

25、型的离子晶体往往是无色透明的。1.1.4原子结合键26第26页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 2.18 氯化钠离子键的形成氯化钠离子键的形成An ionic bond is created between two unlike atoms with different electronegativities.When sodium donates its valence electron to chlorine,each becomes an ion;attraction occurs,and the ionic bond is formed27第27页，共139页，编辑于

26、2022年，星期一Figure 2.19 When voltage is applied to an ionic material,entire ions must move to cause a current to flow.Ion movement is slow and the electrical conductivity is poor(for Example 2-8)28第28页，共139页，编辑于2022年，星期一4.二次键o一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。在另一些情况下，原子或分子本身已具有稳定的电子结构，如惰性

27、气体及CH4,CO2,H2或H2O等分子，分子内部靠共价键结合使单个分子的电子结构十分稳定，分子内部具有很强的内聚力。然而，众多的气体分子仍然可凝聚成液体或固体，显然它们的结合键本质不同于一次键，不是依靠电子的转移或共享，而是借原子之间的偶极吸引力结合而成，这就是二次键。1.1.4原子结合键29第29页，共139页，编辑于2022年，星期一1）范德瓦耳斯键（vanderWaalsbond）o原子中的电子分布于原子核周围，并处于不断地运动状态，所以从统计的角度，电子的分布具有球形对称性，并不具有偶极矩（图1-6a)。然而，实际上由于各种原因导致原子的负电荷中心与正电荷（原子核）中心并不一定重叠，

28、这种分布产生一个偶极矩（图1-6b)，此外，一些极性分子的正负电性位置不一致，也有类似的偶极矩。当原子或分子互相靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子内电子的分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。众多原子（或分子）的结合情况如图1-6c所示。这种不带电荷粒子之间的偶极吸引力称为范德瓦耳斯键（分子范德瓦耳斯键（分子键）键），它远低于上述三种一次键。然而它仍是材料结合键的重要组成部分，依靠它大部分气体才能聚合为液态甚至固态，当然它们的稳定性极差，例如：若将液氮倒在地面上，室温下的热扰动就足以破坏这一键力，使之转化为气体。另外，工程

29、材料中的塑料、石腊等也是依靠它将大分子链结合为固体。通过分子键结合的材料的特点是：熔点低、硬度低，有良好的绝缘性。1.1.4原子结合键30第30页，共139页，编辑于2022年，星期一2）氢键（hydrogenbond）o氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子（或分子、原子团）的偶极吸引力结合起来的，只是氢键中氢原子起了关键作用。氢键可以表达为：XHY。氢与X原子（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相同或不同。o水或冰是典型的氢键结合，它们的分子H2O具有稳定的电子结构，但由于氢原子单个电子的特点使H2O分子具有明显的极性，因此氢与另一个水分子中

30、的氧原子相互吸引，这一氢原子在相邻水分子的氧原子之间起了桥梁的作用。o氢键的结合力较范德瓦耳斯键为强。在带有COOH、OH、NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，依靠它将长链分子结合起来。氢键在一些生物分子如DNA中也起重要的作用。1.1.4原子结合键31第31页，共139页，编辑于2022年，星期一5.混合键o在多数材料中，原子间的结合键是二种以上的混合键。例如，铁就是金属键和共价键的混合键结合的，所以铁原子不会像理想情况排列那么紧密。o二种以上金属间形成的化合物也可能是金属键和离子键的混合键结合的。它们不具有金属特有的塑性，往往很脆。元素间电负性差别越大，离子键的比例也越大。锂的电负性是

31、1.0，铝的的电负性是1.5，AlLi应该是金属键和离子键的混合键。另一方面，铝和钒的电负性都是1.5，Al3V应该主要是金属键结合的。o许多由金属和非金属元素组成的陶瓷和半导体化合物是共价键和离子键的混合键。元素间电负性差别越大，离子键的比例也越大。共价键的比例可以根据下面的公式计算：共价键的比例exp（-0.25E2）1）这里E是电负性差1.1.4原子结合键32第32页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 2.20 Illustration of London forces,a type of a van der Waals force,between atoms33第33页

32、，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 2.21 The Keesom interactions are formed as a result of polarization of molecules or groups of atoms.In water,electrons in the oxygen tend to concentrate away from the hydrogen.The resulting charge difference permits the molecule to be weakly bonded to other water molecules3

33、4第34页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure 2.22 (a)In polyvinyl chloride(PVC),the chlorine atoms attached to the polymer chain have a negative charge and the hydrogen atoms are positively charged.The chains are weakly bonded by van der Waals bonds.This additional bonding makes PVC stiffer,(b)When a force is app

34、lied to the polymer,the van der Waals bonds are broken and the chains slide past one another35第35页，共139页，编辑于2022年，星期一实际上二氧化硅（SiO2）是共价键和离子键的混合键。其中共价键占的比例是多少？例题1-3解答：硅的的电负性是1.8，氧的电负性是3.5共价键的比例=exp-0.25(3.5-1.8)2=exp(-0.72)=0.486虽然二氧化硅中共价键的比例约占一半，但是共价键的方向性在实际的SiO2结构中仍然起着重要作用。Silicahasmanyapplications.S

35、ilicaisusedformakingglassesandopticalfibers.Weaddnano-sizedparticlesofsilicatotirestoenhancethestiffnessoftherubber.High-puritysilicon(Si)crystalsaremadebyreducingsilicatosilicon.例题1-3DetermineifSilicaisIonicallyorCovalentlyBonded36第36页，共139页，编辑于2022年，星期一oInteratomicspacingistheequilibriumspacingbet

36、weenthecentersoftwoatoms.oBindingenergyistheenergyrequiredtoseparatetwoatomsfromtheirequilibriumspacingtoaninfinitedistanceapart.oModulusofelasticityistheslopeofthestress-straincurveintheelasticregion(E).oYieldstrengthisthelevelofstressabovewhichamaterialbeginstoshowpermanentdeformation.oCoefficient

37、ofthermalexpansion(CTE)istheamountbywhichamaterialchangesitsdimensionswhenthetemperaturechanges.Section1.1.5结合能和原子间距37第37页，共139页，编辑于2022年，星期一o由排斥力和吸引力的平衡产生的原子的平衡距离称为原子间距原子间距。例如，在金属键中，电子和离子核间的排斥力受到离子间的吸引力的平衡作用。原子间距对应于双原子作用模型中结合能最低的位置，此时，排斥力和吸引力的合力作用力作用力为0（图1-8）。固体金属材料中的原子间距近似等于原子直径。而对于离子键结合的材料，原子间距等于

38、两个不同离子半径的和。o图1-8中最小的能量就是结合能结合能，即产生或者破坏结合需要的能量。因此，结合能高的材料其强度和熔点也很高。由于离子间电负性差异比较大，离子键结合的材料具有很高的结合能(表1-2)。由于原子的电负性是相同的的，金属的结合能比较低。1.1.5结合能和原子间距38第38页，共139页，编辑于2022年，星期一o材料的弹性模量和作用力距离曲线的斜率有关。材料的结合能越大，熔点越高，这个斜率就越大，原子间距变化的力越大，材料的弹性模量越高。弹性模量对组织不敏感。如果两个化学成分基本相同但晶粒尺寸不同的金属试样，它们的弹性模量基本相同。而它们的屈服强度差别很大。说明屈服强度对显微

39、组织敏感。弹性模量和原子间的结合强度有关，因此弹性模量主要取决于组成材料的原子。o材料的热膨胀系数也和结合能和原子间作用力距离曲线有关。热膨胀系数，要让原子从平衡位置上移动开来，需要提供给材料一个能量。原子结合力高的材料原子的内能越大，原子偏离的距离较小，其线热膨胀系数较低。o膨胀很小的材料对于经受反复急热和急冷的元件和工件非常重要。堇青石陶瓷、超低膨胀玻璃和其它玻璃陶瓷具有极低的热膨胀系数。对于基板上的薄膜和喷涂，不仅要考虑其热膨胀系数的数值，还要考虑它们之间的热膨胀系数的差异。热膨胀系数的差异大则会产生应力，会产生薄膜或喷涂层的分层和扭曲或变形。1.1.5结合能和原子间距39第39页，共1

40、39页，编辑于2022年，星期一图图1-8 双原子作用模型双原子作用模型Atoms or ions are separated by and equilibrium spacing that corresponds to the minimum inter-atomic energy for a pair of atoms or ions(or when zero force is acting to repel or attract the atoms or ions)40第40页，共139页，编辑于2022年，星期一键型键型结结合合能能（kcal/mol）离子键150-370共价键125-

41、300金属键25-200范德瓦耳斯键100nm的长度范围内原子呈现特定的排列。o这些材料中的原子或离子在三维空间形成有规则的、重复的格子状的排列。我们把这些材料称为晶体材料晶体材料。o如果一个晶体材料仅由一个大的晶体组成，我们称其为单晶材料单晶材料(single crystalline material)。单晶材料在许多电子和光学领域应用广泛。例如，计算机芯片是由一块大尺寸（可以大到直径300mm）的单晶硅制造的。Section1.2原子和离子排列原子和离子排列第46页，共139页，编辑于2022年，星期一o许多有用的电子光学器件是由铌酸锂（LiNbO3）单晶制造的。可以把单晶做成薄膜用于很多

42、电子和其它方面。有些涡轮叶片也可以用镍基超合金单晶来制作。o多晶体(polycrystalline material)是由很多空间位向不同的小的晶体组成。这些小的晶体就是晶粒(grains)。多晶体材料就像是由一些极小的单晶拼接成的一样。极小的单晶的边界，晶体排列不规则，被称为晶界(grains boundaries)。单晶材料的性能取决于化学成分和晶体的特定取向（称为晶体学方向）。晶体材料中的长程有序可以用X射线(x-ray diffraction)或电子衍射(electron diffraction)技术来研究。o液晶（liquid crystals-LCs）是一种有着特定排列的高分子材料

43、。液晶高分子材料就像一种液体状的非晶态材料。然而当外界的电场或者温度变化时，这些高分子材料中的分子就会在小范围内排列成晶体，因此命名为液晶。这些材料在液晶显示技术方面具有许多商业应用价值。Section1.2原子和离子排列原子和离子排列第47页，共139页，编辑于2022年，星期一图图1-9 材料的原子排列材料的原子排列(a)无序无序排列排列(b，c)短程有序短程有序(d)长长程有序程有序(a)Inert monoatomic gases have no regular ordering of atoms:(b,c)Some materials,including water vapor,ni

44、trogen gas,amorphous silicon and silicate glass have short-range order.(d)Metals,alloys,many ceramics and some polymers have regular ordering of atoms/ions that extends through the material.第48页，共139页，编辑于2022年，星期一图图1-10 硅酸盐玻璃中的硅酸盐玻璃中的Si-O四四面体面体第49页，共139页，编辑于2022年，星期一图图1-11 聚乙烯中的聚乙烯中的C-H键的四面体键的四面体.第5

45、0页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure (a)Photograph of a silicon single crystal.(b)Micrograph of a polycrystalline stainless steel showing grains and grain boundaries第51页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure Liquid crystal display.These materials are amorphous in one state and undergo localized crystallization in respons

46、e to an external electric field and are widely used in liquid crystal displays.第52页，共139页，编辑于2022年，星期一oShort-rangeorder-Theregularandpredictablearrangementoftheatomsoverashortdistance-usuallyoneortwoatomspacings.oLong-rangeorder(LRO)-Aregularrepetitivearrangementofatomsinasolidwhichextendsoveraveryl

47、argedistance.oBose-Einsteincondensate(BEC)-Anewlyexperimentallyverifiedstateofamatterinwhichagroupofatomsoccupythesamequantumgroundstate.Short-RangeOrderversusLong-RangeOrder第53页，共139页，编辑于2022年，星期一Figure Classification of materials based on the type of atomic order.第54页，共139页，编辑于2022年，星期一oLattice-Ac

48、ollectionofpointsthatdividespaceintosmallerequallysizedsegments.oBasis-Agroupofatomsassociatedwithalatticepoint.oUnitcell-Asubdivisionofthelatticethatstillretainstheoverallcharacteristicsoftheentirelattice.oAtomicradius-Theapparentradiusofanatom,typicallycalculatedfromthedimensionsoftheunitcell,usin

49、gclose-packeddirections(dependsuponcoordinationnumber).oPackingfactor-Thefractionofspaceinaunitcelloccupiedbyatoms.Section1.3晶体结构的表示方法晶体结构的表示方法点阵、晶胞和晶体结构点阵、晶胞和晶体结构第55页，共139页，编辑于2022年，星期一o代表晶体中原子、原子团或分子分布规律（周期性）的几何点的集合称为空间点阵。其中的几何点一般叫做结点（或阵点lattice）。每个结点周围的环境都是相同的。o用假想的直线将这些结点连接起来，所构成的几何框架称为晶格。晶格的最小重

50、复单元（平行六面体）称为晶胞（unit cell）。o一般规定在选取晶胞时，应满足下列条件：要能充分反映整个空间点阵的对称性；在满足的基础上，晶胞要具有尽可能多的直角；在满足、的基础上，所选取的晶胞体积要最小。o简单晶胞即只在平行六面体的八个角顶上有阵点，而每个角顶上的阵点又分属于八个简单晶胞，故每个简单晶胞中只含有一个阵点。o复合晶胞除在平行六面体的八个角顶上有阵点外，在其体心、面心或底心等位置上也有阵点，因此每个复合晶胞中含有一个以上的阵点。1.3.1点阵、晶胞和晶体结构点阵、晶胞和晶体结构第56页，共139页，编辑于2022年，星期一a c b a c b 图图1-12 晶格、晶胞和晶格