固体物理常见晶体的结构PPT讲稿.ppt

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1、固体物理常见晶体的结构第1页，共35页，编辑于2022年，星期六 如果组成晶体的如果组成晶体的基元基元是由两种或两种以上的是由两种或两种以上的原子组成，则该晶格称为复式格子。原子组成，则该晶格称为复式格子。在在复复式式格格子子中中，若若以以每每一一个个基基元元中中相相应应的的同同种种原原子子为为结结点点可可以以各各自自构构成成一一套套网网格格-子子晶晶格。各子晶格格。各子晶格互移套构互移套构形成复式格子。形成复式格子。如果组成晶体的如果组成晶体的基元基元是由完全相同的一种原是由完全相同的一种原子组成，则该晶格称为简单格子。子组成，则该晶格称为简单格子。由基元中原子间的由基元中原子间的相对位置决

2、定相对位置决定第2页，共35页，编辑于2022年，星期六原胞原胞子晶格子晶格子晶格子晶格基元基元晶格晶格原胞原胞基元基元晶格晶格第3页，共35页，编辑于2022年，星期六1.氯化铯结构氯化铯结构氯化铯（氯化铯（CsCl）是另一种典型的离子晶是另一种典型的离子晶体，它的体，它的晶体结构晶体结构如图所示。如图所示。CsCl二、典型材料的晶体结构二、典型材料的晶体结构第4页，共35页，编辑于2022年，星期六Cl+子晶格子晶格Cs+子晶格子晶格晶格晶格基元基元原胞原胞简单立方简单立方晶格与基元晶格与基元第5页，共35页，编辑于2022年，星期六CsCl晶体晶体:简单立方简单立方Cl-和和Cs+各各自

3、自构构成成一一套套简简单单立方结构的子晶格，立方结构的子晶格，CsCl结结构构是是这这两两个个子子晶晶格格沿沿立立方方体体空空间间对对角角线线方方向向平平移移1/2空空间间对对角角线线长长度度套套构构而而成成的。的。所所以以，CsCl结结构构是是简简单单立立方方结构，而不是体心立方结构。结构，而不是体心立方结构。第6页，共35页，编辑于2022年，星期六2.氯化钠结构氯化钠结构 氯化钠晶体由氯原子和钠原子组成的氯化钠晶体由氯原子和钠原子组成的第7页，共35页，编辑于2022年，星期六晶格晶格基元基元原胞原胞原胞原胞子晶格子晶格子晶格子晶格基元基元晶格晶格第8页，共35页，编辑于2022年，星期

4、六 由由Na+和和 Cl-各自构成一套面心立方格子，它们彼此沿各自构成一套面心立方格子，它们彼此沿对角线对角线方向平移方向平移1/2套构套构形成了形成了.第9页，共35页，编辑于2022年，星期六3.金刚石结构金刚石结构原原子子除除了了占占据据立立方方体体的的顶顶角角和和面面心心位位置置外外，在在面面心心立立方方的的晶晶胞胞内内还还有有4个个原原子子，这这4个个原原子子分分别别位位于于4个个空空间间对对角角线线的的1/4处处。（1/4，1/4，1/4），），（3/4，3/4，1/4）（1/4，3/4，3/4），），（3/4，1/4，3/4）第10页，共35页，编辑于2022年，星期六在在正正四

5、四面面体体中中心心位位置置的的碳碳原原子子其其价价键键的的取取向向同同四四面面体体顶顶角角上上的的碳碳原原子子价价键键取取向向是是不不同同的的，所所以以，这这两两种种碳碳原原子子的的周周围围环环境境情情况是不相同的，因此，金刚石结构是况是不相同的，因此，金刚石结构是复式格子。复式格子。金金刚刚石石可可以以看看成成是是由由两两个个面面心心立立方方的的子子晶晶格格彼彼此此沿沿空空间间对对角角线线平平移移1/4长度长度套构而成的。套构而成的。晶格晶格基元基元原胞原胞晶格与基元晶格与基元原胞原胞第11页，共35页，编辑于2022年，星期六4.闪锌矿结构（闪锌矿结构（ZnS）ZnS和金刚石具有相似的结构

6、，但我们和金刚石具有相似的结构，但我们常称常称ZnS具有具有“闪锌矿结构闪锌矿结构”。在在ZnS晶晶体体中中，Zn和和S分分别别组组成成面面心心立立方方结构的子晶格，结构的子晶格，这这两两个个子子晶晶格格彼彼此此沿沿空空间间对对角角线线平平移移1/4空空间对角线长度套构而成。间对角线长度套构而成。第12页，共35页，编辑于2022年，星期六5.钙钛矿结构钙钛矿结构 钙钛矿结构以钙钛矿结构以CaTiO3的结构为代表，许的结构为代表，许多铁电、介电、压电、光电以及高温超导材多铁电、介电、压电、光电以及高温超导材料都具有钙钛矿结构，如：料都具有钙钛矿结构，如：BaTiO3,PbZrO3,LiNbO3

7、,LiTaO3等等。等等。现在，我们以现在，我们以BaTiO3为例，介绍这种类为例，介绍这种类型的结构。型的结构。第13页，共35页，编辑于2022年，星期六基元：基元：Ba、Ti、O、O、O晶格晶格基元基元原胞原胞简单立方简单立方第14页，共35页，编辑于2022年，星期六整整 个个BaTiO3晶晶 格格可可以以看看成成是是由由Ba、Ti、O、O、O各各自自构构成成的的简简单单立立方格子套构方格子套构而成的。而成的。第15页，共35页，编辑于2022年，星期六o20130305第16页，共35页，编辑于2022年，星期六6.密堆积结构密堆积结构(1)、密堆积结构常见于金属晶体。、密堆积结构常

8、见于金属晶体。(2)、密堆积结构只存在于由一种原子、密堆积结构只存在于由一种原子 组成的晶体。组成的晶体。(3)、密堆积结构可以最有效地占据空间。、密堆积结构可以最有效地占据空间。(4)、在几何处理上，可以将原子看成是、在几何处理上，可以将原子看成是 刚性的小球。刚性的小球。(5)、密堆方式：、密堆方式：立方密堆和六角密堆立方密堆和六角密堆 第17页，共35页，编辑于2022年，星期六第第一一层层：每每个个小小球球与与6个个小小球球紧紧密密相相邻邻平平铺铺构构成成第第一一层层，在在第第一一层层，每每三三个个小小球球之之间间存在一个间隙，每个小球周围有存在一个间隙，每个小球周围有6个间个间隙隙，

9、分分别别标标记记 为为间间隙隙B和和C，标标 记第一层为记第一层为A层层。第18页，共35页，编辑于2022年，星期六 第二层：小球放置在第一层之上的间隙第二层：小球放置在第一层之上的间隙B 位置，其在面内的整体排列也位置，其在面内的整体排列也 与第一层一样，与第一层一样，标记为标记为B层层。第19页，共35页，编辑于2022年，星期六第20页，共35页，编辑于2022年，星期六 第三层：有两种密堆积方式，分别对应第三层：有两种密堆积方式，分别对应 于两种密堆积结构，于两种密堆积结构，一种是一种是立方密堆积立方密堆积结构，结构，另一种是另一种是六角密堆积六角密堆积结构。结构。第21页，共35页

10、，编辑于2022年，星期六立方密堆积：立方密堆积：第三层小球堆放在第三层小球堆放在间隙间隙C的的 位置之上位置之上,标记第三层为标记第三层为C 层层，第四层再堆放在第一，第四层再堆放在第一 层小球位置之上层小球位置之上,即重复即重复A 层，这样就形成了层，这样就形成了 ABCABCA的堆积方式。的堆积方式。第22页，共35页，编辑于2022年，星期六第23页，共35页，编辑于2022年，星期六第24页，共35页，编辑于2022年，星期六图图1.13.立方密堆立方密堆第25页，共35页，编辑于2022年，星期六（111）面立方密堆）面立方密堆具有立方密堆积结构的元素晶体：具有立方密堆积结构的元素

11、晶体：PtPt惯用原胞惯用原胞B1B2B3AC1C2C3A第26页，共35页，编辑于2022年，星期六六角密堆积：第三层小球放在第一层小六角密堆积：第三层小球放在第一层小 球之上，即球之上，即重复第一层的排重复第一层的排 列列，这样就形成了，这样就形成了 ABABAB.的密堆积方式。的密堆积方式。第27页，共35页，编辑于2022年，星期六第28页，共35页，编辑于2022年，星期六第29页，共35页，编辑于2022年，星期六基元和初基原胞基元和初基原胞六角密堆六角密堆具有六方密堆积结构的元素晶体：具有六方密堆积结构的元素晶体：Ti、Zr、Y等等Ti第30页，共35页，编辑于2022年，星期六

12、三、表征晶体结构的重要概念三、表征晶体结构的重要概念1、原子半径、原子半径 对对于于由由同同种种元元素素原原子子构构成成的的晶晶体体，原原子子半半径径r通通常常是是指指元元胞胞中中相相距最近的两个原子之间距离的一半。距最近的两个原子之间距离的一半。它与晶格常数它与晶格常数a之间有一定的关系，可由此求得之间有一定的关系，可由此求得r。2、配位数、配位数 晶晶体体中中任任一一原原子子最最近近邻邻的的原原子子数数目目。配配位位数数越越大大，晶晶体体中中原原子排列越紧密。子排列越紧密。3、致密度、致密度 指指晶晶体体中中原原子子所所占占总总体体积积与与晶晶体体总总体体之之比比，又又称称空空间间利利用用

13、率。率。第31页，共35页，编辑于2022年，星期六课堂练习：课堂练习：求求解解：体体心心立立方方、六六角角密密堆堆积积结结构的致密度？构的致密度？第32页，共35页，编辑于2022年，星期六在体对角线上，原子为最近邻，则：在体对角线上，原子为最近邻，则：，即：，即：由由，每个惯用原胞内的原子数为：，每个惯用原胞内的原子数为：。求得：。求得：体心立方体心立方第33页，共35页，编辑于2022年，星期六六方密堆六方密堆在端面正六边形的顶点和中心的原子为最近邻，则：在端面正六边形的顶点和中心的原子为最近邻，则：，即：，即：由由，每个惯用原胞内的原子数为：，每个惯用原胞内的原子数为：。求得：。求得：第34页，共35页，编辑于2022年，星期六子晶格子晶格晶格晶格基元基元空间点阵空间点阵初基初基惯用惯用原胞原胞基矢基矢布喇菲格子布喇菲格子复式格子复式格子简单格子简单格子子晶格子晶格基元基元晶体结构晶体结构晶格晶格布喇菲格子布喇菲格子基矢基矢格点格点晶体结构晶体结构基元基元空间点阵空间点阵初基初基惯用惯用原胞原胞复式复式简单简单格子格子第一、二、三节小结：第一、二、三节小结：第35页，共35页，编辑于2022年，星期六