材料科学基础2-1晶体学基础.ppt

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1、晶体学晶体学晶体生成学晶体生成学(Crystallogeny)几何结晶学几何结晶学(Geometrical Crystallography)晶体结构学晶体结构学(Crystallogy)晶体化学晶体化学(Crystallochemistry)晶体物理学晶体物理学(Crystallophysics)经典晶体学经典晶体学近代晶体学近代晶体学晶体学晶体学晶体晶体、非晶体非晶体、液晶液晶、准晶准晶的概念及其基本特征的概念及其基本特征晶体学（晶体学（Crystallography)：以晶体为研究对象的自然科学。：以晶体为研究对象的自然科学。一、晶体学分类及晶体的概念和特征一、晶体学分类及晶体的概念和特征

2、1晶体结构晶体结构 指晶体中的原子、离子或分子的具体指晶体中的原子、离子或分子的具体排列。它们能组成各种类型的排列，即不排列。它们能组成各种类型的排列，即不同的原子即使排列相同仍属不同的晶体结同的原子即使排列相同仍属不同的晶体结构，相同原子的不同排列方式晶体结构是构，相同原子的不同排列方式晶体结构是不同的，因此，存在的晶体结构可能是无不同的，因此，存在的晶体结构可能是无限多种的。限多种的。二、晶体结构与空间点阵二、晶体结构与空间点阵下页下页后退后退2空间点阵空间点阵 由几何点在三维空间作周期性的规则由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。为了便于研究晶排列所形成的三维阵列。为了便

3、于研究晶中原子在空间分布的几何规律，先不去考中原子在空间分布的几何规律，先不去考虑具体的原子或分子，而把它们抽象为一虑具体的原子或分子，而把它们抽象为一个几何点，称为结点或阵点个几何点，称为结点或阵点 。并不是晶。并不是晶体中的每一个质点都必定与空间点阵体中的每一个质点都必定与空间点阵 注意注意下页下页后退后退3空间点阵的基本特征空间点阵的基本特征 每一个阵点的周围空间均具有等同每一个阵点的周围空间均具有等同的环境。等同环境的环境。等同环境当我们对每一个当我们对每一个阵点从相同方向观察时，均呈现完全同阵点从相同方向观察时，均呈现完全同样的景象，如果把连接任意两个近邻阵样的景象，如果把连接任意两

4、个近邻阵点的矢量起点放到第三个阵点上来，则点的矢量起点放到第三个阵点上来，则此矢量的终点必落在第四个阵点上。此矢量的终点必落在第四个阵点上。下页下页后退后退4 将阵点用一系列相互平行的直线将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，即为连接起来形成空间格架，即为晶格晶格。构成晶格的最基本单元称为构成晶格的最基本单元称为晶胞晶胞(简单简单晶胞和复杂晶胞晶胞和复杂晶胞)。选择晶胞应满足一。选择晶胞应满足一定的原则：定的原则：(1)要能充分反应整个空间点阵的要能充分反应整个空间点阵的对阵性对阵性.三、三、晶晶 胞胞下页下页后退后退5(2)在满足在满足(1)的基础上，晶胞要具的基础上，晶胞要具有

5、尽可能多的直角有尽可能多的直角.(3)在满足在满足(1)(2)的基础上的基础上.所选所选取的晶胞体积最小取的晶胞体积最小.6晶胞的选取是综合考虑了以下三点：晶胞的选取是综合考虑了以下三点：（1）晶胞中相等的边和直角最多。）晶胞中相等的边和直角最多。（2）体积尽可能小。）体积尽可能小。（3）最能反映该点阵的对称特征。）最能反映该点阵的对称特征。注：注：在所有实际晶体物质中，原子和分子在在所有实际晶体物质中，原子和分子在空间中作规则排列的。其排列方式都可以被空间中作规则排列的。其排列方式都可以被归于某种布拉归于某种布拉7菲空间点阵类型。只是把阵点换成一定菲空间点阵类型。只是把阵点换成一定的原子或分

6、子或原子团。对纯金属而言，的原子或分子或原子团。对纯金属而言，最为简单，金属的原子（或正离子）中最为简单，金属的原子（或正离子）中心占据着阵点的位置，对于化合物则比心占据着阵点的位置，对于化合物则比较复杂。因此晶体结构与空间点阵的联较复杂。因此晶体结构与空间点阵的联系，但又是两个不同的概念。系，但又是两个不同的概念。8晶胞的表示方法：晶胞的表示方法：晶胞的形状由晶胞的形状由 、决定，晶胞的大小由决定，晶胞的大小由a,b,c决定决定:从原点到某一阵点的矢量从原点到某一阵点的矢量:表示阵点表示阵点A的坐标的坐标 :三个点阵矢量三个点阵矢量(基矢基矢):晶轴晶轴xyz下页下页后退后退oAOA=ruv

7、w=ua+vb+wcruvwa,b,c,不同晶体的晶胞，其大小和不同晶体的晶胞，其大小和形状可能不同。形状可能不同。图图2-3 晶胞晶轴和点阵失量晶胞晶轴和点阵失量9四、晶系和布拉菲点阵四、晶系和布拉菲点阵 后退后退下页下页精精彩彩动动画画10返回返回11（1）在反应对称性的前提下，有且仅有）在反应对称性的前提下，有且仅有14种空间点阵种空间点阵（2）空间点阵与晶体结构的区别在于空间点阵各阵点的周）空间点阵与晶体结构的区别在于空间点阵各阵点的周 围环境相同围环境相同（3）不同晶体结构可属同一点阵，而相似的晶体结构又可）不同晶体结构可属同一点阵，而相似的晶体结构又可 能属于不同的空间点阵能属于不

8、同的空间点阵（4）晶系的分类只考虑晶胞的形状与大小，而空间点阵的）晶系的分类只考虑晶胞的形状与大小，而空间点阵的 分类考虑晶胞的形状与大小，以及阵点的具体排列分类考虑晶胞的形状与大小，以及阵点的具体排列下页下页后退后退总结总结12五、晶向及晶面指数五、晶向及晶面指数 晶向晶向连接晶体中任意原子列的直线方向连接晶体中任意原子列的直线方向 晶面晶面晶体中原子组成的平面。晶体中原子组成的平面。晶向指数确定的步骤晶向指数确定的步骤 1.建立坐标系，令坐标原点在待标晶向上建立坐标系，令坐标原点在待标晶向上 2.找出该晶向上除原点以外的任意一点的找出该晶向上除原点以外的任意一点的 坐标坐标 3.将将 化成

9、互质整数化成互质整数 .要求要求 4.将三数置于中括号内，就得到晶向指数将三数置于中括号内，就得到晶向指数下页下页后退后退13确定晶向指数时，坐标原点不一定非选确定晶向指数时，坐标原点不一定非选在晶向上，若原点不在待标晶向上，那在晶向上，若原点不在待标晶向上，那就需要找出该晶向上就需要找出该晶向上 两点的坐标两点的坐标 ,然后将三个数化成互质整数然后将三个数化成互质整数 ，并使之满足：并使之满足：=下页下页后退后退14晶向指数晶向指数注意注意（1）一个晶向指数）一个晶向指数 代表着相互平行、方向一致代表着相互平行、方向一致 的所有晶向的所有晶向（2）晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶

10、）晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶 向称为晶向族，用向称为晶向族，用 表示。表示。（3）如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示）如果不是立方晶系，改变晶向指数的顺序所表示 的晶向可能不是等同的。例如：的晶向可能不是等同的。例如：下页下页后退后退15晶面指数的确定步骤：晶面指数的确定步骤：晶面指数是表示晶体中晶面指数是表示晶体中点阵平面的指数点阵平面的指数，由晶面与三个坐标轴的截距值所决定。由晶面与三个坐标轴的截距值所决定。（1）建坐标）建坐标 图图2-6所示，以晶胞的某所示，以晶胞的某一阵点为原点，以过原点的晶轴为坐标一阵点为原点，以过原点的晶轴为坐标轴，以点阵常数轴，以点阵常

11、数a、b、c为三个坐标轴的为三个坐标轴的长度单位，建立坐标系。应注意坐标原长度单位，建立坐标系。应注意坐标原点的选取应便于确定截距，且不应选在点的选取应便于确定截距，且不应选在待定晶面上。待定晶面上。下页下页后退后退16（2）求截距）求截距 求出待定晶面在三个坐标轴求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。若该晶面与某坐标轴平行，则截上的截距。若该晶面与某坐标轴平行，则截距为距为。（3）取倒数）取倒数 取三个截距值的倒数。取三个截距值的倒数。（4）化整并加圆括号）化整并加圆括号 将上述三个截距的将上述三个截距的倒数化为最小整数倒数化为最小整数h、k、l，并加圆括号，并加圆括号，即得待定晶面的晶面指数（

12、即得待定晶面的晶面指数（hkl）。如）。如果晶面在坐标轴上的截距为负值，则将果晶面在坐标轴上的截距为负值，则将下页下页后退后退17负号标注在相应指数的上方。负号标注在相应指数的上方。注：注：对于晶面指数需作如下说明：对于晶面指数需作如下说明：晶晶面指数（面指数（hkl）不是一个晶面，而是代表）不是一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面；着一组相互平行的晶面；平行晶面的平行晶面的晶面指数相同，或数字相同而正负号相晶面指数相同，或数字相同而正负号相反，如（反，如（hkl）与（）与（hkl）；晶体中具晶体中具有等同条件而只是空间位向不同的各组有等同条件而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用晶面称

13、为晶面族，用hkl表示。表示。18O c1caa1b1b（463）图2-6 晶面指数的确定Oa1=1/2a Ob1=1/2b Oc1=1/2c下页下页后退后退19在确定密勒指数时，还需规定几点：在确定密勒指数时，还需规定几点：（1）该晶面不能通过原点，因为这时）该晶面不能通过原点，因为这时截距为零，其倒数是无意义的，这时应截距为零，其倒数是无意义的，这时应选择与该晶面平行但不过原点的面来确选择与该晶面平行但不过原点的面来确定晶面指数或把坐标原点移到该面之外；定晶面指数或把坐标原点移到该面之外；（2）当晶面与某晶轴平行时，规定其）当晶面与某晶轴平行时，规定其截距为截距为，则截距的倒数为零；，则截

14、距的倒数为零；20(3)当晶面与坐标轴的负方向相交时，当晶面与坐标轴的负方向相交时，截距为负，该指数的负号最后标在截距为负，该指数的负号最后标在数字的上方。数字的上方。（4）由于任一晶面平移一个位置后）由于任一晶面平移一个位置后仍然是等同的晶面，因此指数相同仍然是等同的晶面，因此指数相同而符号相反的晶面指数是可以通用而符号相反的晶面指数是可以通用的。的。下页下页后退后退21晶面指数晶面指数（1）不是指一个晶面，而是代表着一不是指一个晶面，而是代表着一组相互平行的晶面组相互平行的晶面（2）晶体中具有）晶体中具有等同条件等同条件而只是空间位向不而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族用同的各组晶面称

15、为晶面族用 表示，例如表示，例如：共共12个等价面个等价面 共共24个等价面个等价面说明说明后退后退下页下页22（3）确定是否同族晶面）确定是否同族晶面,不能只看晶面不能只看晶面指数的数字是否相同指数的数字是否相同,还要看还要看晶面的面间晶面的面间距和原子密度距和原子密度是否相等是否相等.如果它们不相等如果它们不相等,尽管晶面指数的数字相等尽管晶面指数的数字相等,也不是性质相也不是性质相同的等同晶面同的等同晶面,而不属于同族晶面。而不属于同族晶面。说说 明明晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数(1)参考坐标系通常都是右手坐标系参考坐标系通常都是右手坐标系,坐坐标系可以平移，但不能转动标系可以平

16、移，但不能转动,否则在不否则在不后退后退下页下页下页下页23能转动，否则在不同坐标系下定能转动，否则在不同坐标系下定出的指数就无法相互比较。出的指数就无法相互比较。(2)晶面指数和晶向指数可为正晶面指数和晶向指数可为正数，也可为负数，但负号应在数数，也可为负数，但负号应在数字上方字上方(3)若各指数同乘以异于零的数若各指数同乘以异于零的数n，则晶面位，则晶面位 下页下页后退后退24向不变，晶向则或是同向（向不变，晶向则或是同向（n0）或是反向或是反向(n0),但是，晶面间距和但是，晶面间距和晶向长度都会改变晶向长度都会改变,除非除非n=1。(4)对立方晶系而言，同指数的晶对立方晶系而言，同指数

17、的晶面和晶面和晶 向互相垂直，即向互相垂直，即(hkl)uvw ,h=u k=v l=w 后退后退下页下页25六方晶系的晶向和晶面指数六方晶系的晶向和晶面指数晶向标定晶向标定指数看特征，正负看走向指数看特征，正负看走向后退后退下页下页六方晶系的晶面指数（六方晶系的晶面指数（a）和晶向指数（）和晶向指数（b）26六晶面间距六晶面间距 晶面间距晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的垂直距离。是指相邻两个平行晶面之间的垂直距离。正方晶系正方晶系四方晶系四方晶系立方晶系立方晶系六方晶系六方晶系下页下页后退后退以上公式用于复杂晶胞时，应视情况而对晶面间距加以修正，如在体以上公式用于复杂晶胞时，应视情况而对晶

18、面间距加以修正，如在体心立方和面心立方中，心立方和面心立方中，d001不是不是a而是而是a/2，在面心立方中，在面心立方中d110不是不是2a/2而是而是2a/4。27七晶带七晶带 晶带晶带相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合，相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合，此直线叫晶带轴，晶带中的晶面称为共带面。此直线叫晶带轴，晶带中的晶面称为共带面。对于晶带轴对于晶带轴 与该晶带中任一晶面与该晶带中任一晶面 之间存在之间存在 下列关系：下列关系：已知两不平行晶面已知两不平行晶面 ,由由其决定的晶其决定的晶 带轴带轴 为：为：已知两不平行晶向已知两不平行晶向 ，则由其决定，则由其决定 的晶面指

19、数的晶面指数 由下式求得：由下式求得：下页下页后退后退28例题：在一个面心立方晶胞中画出例题：在一个面心立方晶胞中画出012和和123晶向。晶向。xzyP1012P2123O1O2图图2-8 012和和123晶向的确定晶向的确定29例题：在一个面心立方晶胞中画出例题：在一个面心立方晶胞中画出(012)和和(123)晶面。晶面。xyz(123)(012)z3z3X3 x4y4y3O4z4O3图图2-9 (012)和和(123)晶面的确定晶面的确定 30在实际晶体中，立方晶系最为普遍，因在实际晶体中，立方晶系最为普遍，因此晶带定理有非常广泛的应用。此晶带定理有非常广泛的应用。（1）可以判断空间两个

20、晶相和两个晶面）可以判断空间两个晶相和两个晶面是否垂直；是否垂直；（2）可以判断某一晶相是否在某一晶面）可以判断某一晶相是否在某一晶面上（或平行于该晶面）；上（或平行于该晶面）；（3）若已知晶带轴，可以判断哪些晶面）若已知晶带轴，可以判断哪些晶面属于该晶带；属于该晶带；（4）若已知两个晶带面为（）若已知两个晶带面为（h1k1l1）31和（和（hkl），则可用晶带定理求出晶带轴；），则可用晶带定理求出晶带轴；5）已知两个不平行的晶向，可求出过这两）已知两个不平行的晶向，可求出过这两个晶相的晶面；个晶相的晶面；（6）已知一晶面和晶面上的任一晶向，可）已知一晶面和晶面上的任一晶向，可求出该面上与该晶

21、向垂直的另一晶向；求出该面上与该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，）已知一晶面及其在面上的任一晶向，可求出该晶向且垂直于该晶面的另一晶面。可求出该晶向且垂直于该晶面的另一晶面。后退后退下页下页32两晶面（两晶面（h1k1l1）与（）与（h2k2l2）：）：两晶向两晶向u1v1w1与与u2v2w2：晶面（晶面（hkl）与晶向）与晶向uvw：八晶面与晶向之间的夹角八晶面与晶向之间的夹角 下页下页后退后退33研究天然及人工晶体的发研究天然及人工晶体的发生，成长和变化的过程与生，成长和变化的过程与机理，以及控制和影响它机理，以及控制和影响它们的因素们的因素 研究晶体外表研究晶体

22、外表几何多面体的几何多面体的形状以及期间形状以及期间的规律性的规律性 研究晶体内部结构中研究晶体内部结构中质点排布的规律性，质点排布的规律性，以及晶体结构的不完以及晶体结构的不完善性善性 研究晶体的化学组成研究晶体的化学组成与晶体结构及晶体的与晶体结构及晶体的物理、化学性质间关物理、化学性质间关系的规律性系的规律性 研究晶体的研究晶体的各项物理性各项物理性质及其产生质及其产生的机理的机理 返回返回34 1912年德国劳厄（年德国劳厄（Max.von Laue）用）用X射射线作年英国布拉格父子线作年英国布拉格父子和和W.L.Bragg)和俄国和俄国吴里夫推导出了吴里夫推导出了X射线衍射的最基本公

23、式，射线衍射的最基本公式，即布拉格公式，极大地推即布拉格公式，极大地推 动了晶体结构的分动了晶体结构的分析工作。析工作。1913光源，用晶体作光栅，进行照射实验，光源，用晶体作光栅，进行照射实验，进而发现了进而发现了X射线在射线在 晶体中的衍射现象。晶体中的衍射现象。返回返回近代晶体学近代晶体学3520年代以后人们收集射线图谱，测量各种年代以后人们收集射线图谱，测量各种有代表性无机物和结构简单的有机物的晶体有代表性无机物和结构简单的有机物的晶体结构，结构，60年代人们已能测定蛋白质大分子的年代人们已能测定蛋白质大分子的晶体结构，现代测量工具及计算机使晶体结晶体结构，现代测量工具及计算机使晶体结

24、构分析的精度和速度都大大提高构分析的精度和速度都大大提高。1669年丹麦斯泰诺（年丹麦斯泰诺（Nicolaus Steno）发现晶体面角守恒定律。发现晶体面角守恒定律。1801年法国赫羽依（年法国赫羽依（Rene Just Hauy）发现晶体学基本定律发现晶体学基本定律,即有理指数定律。即有理指数定律。返回返回36经典晶体学经典晶体学 1809年沃拉斯通（年沃拉斯通（William Hyde Wollaston）设计出反射测角仪）设计出反射测角仪,使测量精使测量精度得到提高从而开始了大量测量晶体外形度得到提高从而开始了大量测量晶体外形以推断内部结构的工作。以推断内部结构的工作。18051809

25、年德国韦斯（年德国韦斯（Christian Samuel Weiss）总结出晶体对称定律。）总结出晶体对称定律。18181839年韦斯和英国米勒（年韦斯和英国米勒（William Hallowes Miller）确定了沿用至今的晶面）确定了沿用至今的晶面符号符号.返回返回37 1830年德国黑萨尔（年德国黑萨尔（L.F.Ch.Hessel）推）推导出了经典晶体学导出了经典晶体学,描述晶体外形对称性的描述晶体外形对称性的32种点群。种点群。18851890年首先是德国费德罗夫年首先是德国费德罗夫,然后然后是德国熊夫利斯（是德国熊夫利斯（Arthuris.Moritz Schoflies）推导出了

26、描述晶体结构对称性德）推导出了描述晶体结构对称性德230种空间群。到了种空间群。到了19世纪的末期晶体结构世纪的末期晶体结构的点阵理论已基本成熟，为后来的晶的点阵理论已基本成熟，为后来的晶 体结构体结构分析奠定了理论基础。分析奠定了理论基础。返回返回38晶体晶体:结构基元（原子，分子，离子等）具有三结构基元（原子，分子，离子等）具有三维维 长程有序排列的一切固体物质。长程有序排列的一切固体物质。晶体的基本特征：晶体的基本特征：晶体的不完整性（存在各种晶体缺陷）晶体的不完整性（存在各种晶体缺陷）晶体存在的普遍性晶体存在的普遍性 晶体的基本共性晶体的基本共性(均匀性、各向异性、自限均匀性、各向异性

27、、自限 晶体的转化晶体的转化 晶态的稳定性晶态的稳定性下页下页性、对称性、具有固定熔点性、对称性、具有固定熔点)后退后退39 晶体的转化、晶体的转化、晶态的稳定性晶态的稳定性晶体材料：晶体材料：半导体晶体、磁性单晶薄膜、半导体晶体、磁性单晶薄膜、光学晶体光学晶体X射线、单色器用晶体、激光晶射线、单色器用晶体、激光晶体、光电晶体、硬制晶体、绝缘晶体。体、光电晶体、硬制晶体、绝缘晶体。非晶体：非晶体：一个结构基元在较小范围内与其一个结构基元在较小范围内与其邻近的结构基元间保持着有序的排列，而邻近的结构基元间保持着有序的排列，而没有长程有序的排列的固体物质没有长程有序的排列的固体物质。非晶体的基本特

28、征：非晶体的基本特征：下页下页后退后退40非晶体的基本特征：非晶体的基本特征：没有固定的熔点没有固定的熔点 各向同性各向同性 没有规则稳定的几何外形没有规则稳定的几何外形 没有内在的晶界或相界没有内在的晶界或相界 液晶：液晶：液晶介于固态与液态之间的各向异液晶介于固态与液态之间的各向异性的流体，是一种有特定分子结构的有机化性的流体，是一种有特定分子结构的有机化合物凝聚体。通常固态有机晶体被加热后变合物凝聚体。通常固态有机晶体被加热后变成各向同性的透明液体。但某些固体有机化成各向同性的透明液体。但某些固体有机化合物加热至合物加热至T1温度后变成黏稠状而稍微有些温度后变成黏稠状而稍微有些浑浊的各向

29、异性液体。浑浊的各向异性液体。下页下页后退后退41 液晶的基本特征：液晶的基本特征：具有液体的流动、粘滞、变形等性质具有液体的流动、粘滞、变形等性质 具有晶体的某些特性具有晶体的某些特性(如光学各向异性、如光学各向异性、压电、旋光和热效应以及电磁效应等压电、旋光和热效应以及电磁效应等)准晶准晶(Quasicrystal)：具有具有5次或其它次或其它旋转对称性的、类似晶体的物质。旋转对称性的、类似晶体的物质。准晶的基本特征：准晶的基本特征：后退后退 下页下页42有相应的非寻常电子衍射花样有相应的非寻常电子衍射花样(发现准发现准晶的依据晶的依据)无长程平移对称性，没有单一的晶体无长程平移对称性，没有单一的晶体单胞单胞目前只在合金系统中发现目前只在合金系统中发现(非单质，不非单质，不同原子尺寸配合可成准晶同原子尺寸配合可成准晶)多数为合金的非平衡状态多数为合金的非平衡状态(急冷造成不急冷造成不稳定或亚稳定状态稳定或亚稳定状态)硬度高、耐腐蚀，可应用于工程材料硬度高、耐腐蚀，可应用于工程材料返回返回43返回本章返回本章返回首页返回首页44