射线晶体学基础精.ppt

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1、射线晶体学基础第1页，本讲稿共39页教材和参考教材和参考书书:1李李树树棠，晶体棠，晶体X射射线线衍射学基衍射学基础础，北京：冶，北京：冶金工金工业业出版社，出版社，1990.2黄黄胜胜涛主涛主编编，固体，固体X射射线线学（一），北京：学（一），北京：高等教育出版社，高等教育出版社，1985.3王英王英华华，X光衍射技光衍射技术术基基础础，北京：原子能出版，北京：原子能出版社，社，1987.4B.D.Cullity,S.R.Stock,ElementsofX-rayDiffraction,UpperSaddleRiver,NJ:PrenticeHall,2001.第2页，本讲稿共39页授授课课

2、内容内容:几何晶体学概述几何晶体学概述X射射线线的的产产生和性生和性质质X射射线线衍射的几何理衍射的几何理论论X射射线线衍射衍射强强度的运度的运动动学理学理论论X射射线线衍射技衍射技术应术应用概述用概述第3页，本讲稿共39页X射线（伦琴射线）：射线（伦琴射线）：1895年年11月，德国物理学家，月，德国物理学家，伦琴教授（伦琴教授（W.C.Rntgen)绪 论第4页，本讲稿共39页材材料料：人人们们最最关关心心的的是是什什么么？性性能能：与与哪哪些些因因素素有有关关？结结构构：有有哪哪些些检检测测分分析析技技术术？第5页，本讲稿共39页|物质的性质、材料的性能决定于物质的性质、材料的性能决定于

3、它们的组成和微观结构。它们的组成和微观结构。|如果你有一双如果你有一双X射线的眼睛，就射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！楚明明白白！|X射线衍射将会有助于你探究为射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时何成份相同的材料，其性能有时会差异极大会差异极大.|X射线衍射将会有助于你找到获射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。得预想性能的途径。第6页，本讲稿共39页与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 第7页，本讲稿共39页第第一一章章 几几何何晶晶体体学学概概述述|晶体特性晶

4、体特性|晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵|倒易点阵倒易点阵第8页，本讲稿共39页|均均匀匀性：性：晶体内部各个部分的宏晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。观性质是相同的。|各向异性：各向异性：晶体中不同的方向上具晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。有不同的物理性质。|固定熔点：固定熔点：晶体具有周期性结构，晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。熔化时，各部分需要同样的温度。|规则外形：规则外形：理想环境中生长的晶体理想环境中生长的晶体应为凸多边形。应为凸多边形。|对对称称性：性：晶体的理想外形和晶体晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。内部结构都具有特定的对称性。1

5、.晶体具有如下性质：晶体具有如下性质：第9页，本讲稿共39页刚玉刚玉(AI2O3)邻苯二甲酸氢邻苯二甲酸氢锗酸铋锗酸铋电气石电气石第10页，本讲稿共39页2.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵-A（术语回顾）（术语回顾）晶体晶体(Crystal)Itissolid.Thearrangementofatomsinthecrystalisperiodic.点阵（点阵（Lattice）Aninfinitearrayofpointsinspace,inwhicheachpointhasidenticalsurroundingstoallothers.晶体结构（晶体结构（CrystalStructur

6、e）ItcanbedescribedbyassociatingeachlatticepointwithagroupofatomscalledtheBASIS单位晶胞（单位晶胞（UnitCell）Thesmallestcomponentofthecrystal,whichwhenstackedtogetherwithpuretranslationalrepetitionreproducesthewholecrystal晶胞参数晶胞参数UnitCellParameters a,bandcaretheunitcelledgelengths.,andaretheangles(betweenbandc,

7、betweencanda,betweenaandb.)第11页，本讲稿共39页2.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵-B等同点与结点等同点与结点(阵点阵点)结构基元：原子、分子或其集团结构基元：原子、分子或其集团晶体结构空间点阵结构基元晶体结构空间点阵结构基元第12页，本讲稿共39页crystal structure=lattice+basisCrystal structure of sodium chloride(NaCl)basis:第13页，本讲稿共39页The14possibleBRAVAISLATTICESnotethatspheresinthispicturerepresentl

8、atticepoints,notatoms!2.晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵-C第14页，本讲稿共39页7crystalClassesCrystal systemUnit cell shapeEssential symmetrySpace latticesCubic a a=b b=c c a a=b b=g=90g=90Four threefold axesP I F Tetragonala a=b bc c a a=b b=g=90g=90One fourfold axisP IOrthorhombic a ab bc c a a=b b=g=90g=90Three twofold

9、 axes or mirror planeP I F A(B or C)Hexagonala=ba=bc c a=g=90 a=g=90 b=120b=120One threefold axisPTrigonala=ba=bc c a=g=90 a=g=90 b=120b=120One threefold axisPa a=b b=c c a a=b b=g g9090One threefold axisRMonoclinica ab bc c a=b=90 a=b=90 g g9090One twofold axis or mirror planeP CTriclinica ab bc c

10、a ab bg g9090noneP第15页，本讲稿共39页2.晶体结构与空间点阵-D 点阵类型阵点的坐标表示阵点的坐标表示以任意顶点为以任意顶点为坐标原点坐标原点，以与，以与原点相交的三个棱边为原点相交的三个棱边为坐标轴坐标轴，分别用点阵周期（分别用点阵周期（a、b、c）为）为度量度量单位单位u四种点阵类型简单体心面心底心简单点阵的阵点坐标为简单点阵的阵点坐标为000第16页，本讲稿共39页底心点阵，底心点阵，C除八个顶点上有阵点外，两除八个顶点上有阵点外，两个相对的面心上有阵点，面个相对的面心上有阵点，面心上的阵点为两个相邻的平心上的阵点为两个相邻的平行六面体所共有。因此，每行六面体所共有

11、。因此，每个阵胞占有两个阵点。阵点个阵胞占有两个阵点。阵点坐标为坐标为000，1/21/20第17页，本讲稿共39页体心点阵，体心点阵，I除除8个顶点外，体心个顶点外，体心上还有一个阵点，因上还有一个阵点，因此，每个阵胞含有两此，每个阵胞含有两个阵点，个阵点，000，1/21/21/2第18页，本讲稿共39页面心点阵。面心点阵。F除除8个顶点外，每个顶点外，每个面心上有一个个面心上有一个阵点，每个阵胞阵点，每个阵胞上有上有4个阵点，其个阵点，其坐标分别为坐标分别为000，1/21/20，1/201/2，01/21/2第19页，本讲稿共39页晶向指数和密勒指数晶向指数和密勒指数晶向晶向uvw,等

12、同晶向等同晶向晶面晶面(hkl),等同晶面等同晶面hkl第20页，本讲稿共39页已知平面上三点坐已知平面上三点坐标标(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),则该则该平面的面指数平面的面指数(hkl)为为:第21页，本讲稿共39页点阵的对称点阵的对称点群、空间群点群、空间群（本科略）（本科略）3232种点群种点群230230种空间群种空间群第22页，本讲稿共39页3.倒易点阵倒易点阵（reciprocal lattice）倒易点倒易点阵阵是在晶体点是在晶体点阵阵的基的基础础上按一定上按一定对对应应关系建立起来的空关系建立起来的空间间几何几何图图形，是晶体形，是晶体点点阵

13、阵的另一种表达形式。的另一种表达形式。第23页，本讲稿共39页正点阵基矢量：正点阵基矢量：倒易点阵基矢量：倒易点阵基矢量：为正点阵原胞体积为正点阵原胞体积可以验证：可以验证：第24页，本讲稿共39页倒易矢量（倒格矢）：倒易矢量（倒格矢）：正格矢（平移矢量）：正格矢（平移矢量）：有关倒易点阵的全面和正确理解：有关倒易点阵的全面和正确理解：1）正格子与倒格子互为倒易关系；正格子与倒格子互为倒易关系；2）倒易点阵保留了正空间点阵的全部对称性；倒易点阵保留了正空间点阵的全部对称性；3）可以用正点阵参数表示倒易点阵阵胞参数，或可以用正点阵参数表示倒易点阵阵胞参数，或反之；反之；4）倒易点阵不依赖于正点阵

14、基矢量的选择；倒易点阵不依赖于正点阵基矢量的选择；5）倒易点阵在几何晶体学中的广泛用途；倒易点阵在几何晶体学中的广泛用途；第25页，本讲稿共39页6）倒易矢量的性质倒易矢量的性质：(1)(2)7）面心立方点阵的倒易点阵是体心立方点阵，体面心立方点阵的倒易点阵是体心立方点阵，体心立方点阵的倒易点阵是面心立方点阵；心立方点阵的倒易点阵是面心立方点阵；物理含义物理含义何在？何在？8）正空间的周期函数可以按倒易矢量进行傅里正空间的周期函数可以按倒易矢量进行傅里叶展开：叶展开：正空间与倒空间之间的变换是傅里叶变换正空间与倒空间之间的变换是傅里叶变换实空间的三维晶面族实空间的三维晶面族倒空间的零维倒易阵点

15、倒空间的零维倒易阵点第26页，本讲稿共39页9）倒易空间是一种傅里叶变换空间，还可以看作）倒易空间是一种傅里叶变换空间，还可以看作是衍射振幅（或强度）空间。是衍射振幅（或强度）空间。晶体对晶体对X射线的衍射是一种傅里叶变换，把正空间射线的衍射是一种傅里叶变换，把正空间的电子密度变换为倒易空间的衍射强度的电子密度变换为倒易空间的衍射强度。电子衍射和中子衍射也是如此。电子衍射和中子衍射也是如此。阿贝成像理论阿贝成像理论第27页，本讲稿共39页用倒易矢量推导晶面间距和晶用倒易矢量推导晶面间距和晶面夹角的计算公式面夹角的计算公式晶面间距计算公式晶面间距计算公式晶面夹角计算公式晶面夹角计算公式第28页，

16、本讲稿共39页晶面间距计算公式：晶面间距计算公式：已知已知r*=Ha*+Kb*+Lc*，则，则：立方晶系：立方晶系：其它晶系的面间距公式在参考书中均能查其它晶系的面间距公式在参考书中均能查到。到。正方晶系正方晶系(课后自行证明课后自行证明)：第29页，本讲稿共39页晶面夹角计算公式晶面夹角计算公式已知已知r1*=H1a*+K1b*+L1c*r2*=H2a*+K2b*+L2c*则立方晶系的（则立方晶系的（H1K1L1）与（）与（H2K2L2）之间的夹角之间的夹角为：为：第30页，本讲稿共39页倒易点阵与正点阵的指数变换倒易点阵与正点阵的指数变换设有一个晶向，倒易点阵中用设有一个晶向，倒易点阵中用

17、HKL*表表示，正点阵中用示，正点阵中用uvw表示，则有公式：表示，则有公式：ua*a*a*b*a*c*Hvb*a*b*b*b*c*Kwc*a*c*b*c*c*L即即晶晶面面指指数数(HKL)已已知知时时，可可用用上上式式求求该晶面的法向指数该晶面的法向指数uvw第31页，本讲稿共39页同样有同样有:HaaabacuKbabbbcvLcacbccw即即当当晶晶向向指指数数uvw已已知知时时，可可用用上上式式求求与该晶向垂直的晶面指数（与该晶向垂直的晶面指数（HKL）第32页，本讲稿共39页3.2晶带晶带什么是晶带什么是晶带晶带定律晶带定律晶带定律的应用晶带定律的应用第33页，本讲稿共39页晶带

18、的定义晶带的定义在晶体结构或空间点阵中，与某一取向平在晶体结构或空间点阵中，与某一取向平行的所有晶面均属于同一个晶带。行的所有晶面均属于同一个晶带。同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线称为晶带轴。中通过坐标原点的那条直线称为晶带轴。晶带轴的晶向指数即为该晶带的晶带轴指晶带轴的晶向指数即为该晶带的晶带轴指数数uvw,并以此命名该晶带。并以此命名该晶带。第34页，本讲稿共39页晶带定律晶带定律根据晶带的定义，同一晶带中所有晶面的根据晶带的定义，同一晶带中所有晶面的法线都与晶带轴垂直。我们可以将晶带轴用正法线都与晶带轴垂直。我们可以将晶带轴

19、用正点阵矢量点阵矢量r=ua+vb+wc表达，晶面法向用倒易矢表达，晶面法向用倒易矢量量r*=Ha*+Kb*+Lc*表达。由于表达。由于r*与与r垂直，所垂直，所以：以：由此可得：由此可得：Hu+Kv+Lw=0这也就是说，凡是属于这也就是说，凡是属于uvw晶带的晶面，晶带的晶面，它们的晶面指数（它们的晶面指数（HKL）都必须符合上式的条）都必须符合上式的条件。我们把这个关系式叫作晶带定律件。我们把这个关系式叫作晶带定律。第35页，本讲稿共39页晶带定律的应用晶带定律的应用晶带定理有非常广泛的应用。晶带定理有非常广泛的应用。1)可以判断空间两个晶向或两个晶面是否相可以判断空间两个晶向或两个晶面是

20、否相互垂直；互垂直；2)可以判断某一晶向是否在某一晶面上（或可以判断某一晶向是否在某一晶面上（或平行于该晶面）；平行于该晶面）；3)若已知晶带轴，可以判断哪些晶面属于该若已知晶带轴，可以判断哪些晶面属于该晶带；晶带；4)若已知两个晶带面为（若已知两个晶带面为（h1k1l1)和和(h2k2l2),则可用晶带定律求出晶带轴；则可用晶带定律求出晶带轴；第36页，本讲稿共39页5)已知两个不平行的晶向，可以求出过这两个晶已知两个不平行的晶向，可以求出过这两个晶向的晶面；向的晶面；6)已知一个晶面及其面上的任一晶向，可求出已知一个晶面及其面上的任一晶向，可求出在该面上与该晶向垂直的另一晶向；在该面上与该

21、晶向垂直的另一晶向；7)已知一晶面及其在面上的任一晶向，可求出过该已知一晶面及其在面上的任一晶向，可求出过该晶向且垂直于该晶面的另一晶面。晶向且垂直于该晶面的另一晶面。8)利用晶带定律构造倒易点阵平面利用晶带定律构造倒易点阵平面倒易点阵平面上的任一倒易点阵对应的晶面属倒易点阵平面上的任一倒易点阵对应的晶面属于同一晶带于同一晶带uvw第37页，本讲稿共39页1-1 The lattice constant of material with hexagonal system is a=2.5,draw the 0-th reciprocal plane(0001)0*and specify the

22、 length unit.1-2 By means of reciprocal lattice,show that(hkl)is perpendicular to hkl in the cubic system.Note that this is not the case for other system.1-3 Do the following planes all belong to the same zone:?If so,what is the zone axis?Give the indices of any other plane belonging to this zone.,E

23、xercise第38页，本讲稿共39页1-4 The primitive translation vectors of the hexagonal space lattice may be taken as:1)Show that the volume of primitive cell is 2)Show that the primitive translation vectors of the reciprocal lattice are:so that the lattice is its own reciprocal,but with the a rotation of axes.3)Describe and plot the first Brillouin zone of the hexagonal space lattice.第39页，本讲稿共39页