材料化学 chapter1-2-晶体学基础.ppt

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1、2.3 2.3 晶体的结构和性质晶体的结构和性质1 1规则的几何外形规则的几何外形2 2晶面角守恒晶面角守恒3 3有固定的熔点有固定的熔点4 4物理性质的各向异性物理性质的各向异性2.3.1 晶体的宏观特性晶体的宏观特性石英晶体的若干外形图石英晶体的若干外形图石英晶体的不同样品中，石英晶体的不同样品中，a、c晶面间夹角总是晶面间夹角总是113o08，b、c晶面夹角总是晶面夹角总是120o00，所以晶面角才是晶体外形的特征，所以晶面角才是晶体外形的特征因素。这个普遍的规律被概括为晶面角守恒定律：属于同因素。这个普遍的规律被概括为晶面角守恒定律：属于同一晶种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变，晶

2、面角一晶种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变，晶面角守恒表明同一种晶体，其内部结构的规则性是相同的。守恒表明同一种晶体，其内部结构的规则性是相同的。2.3.2 布拉格点阵与晶系布拉格点阵与晶系u格子的结点：点阵结构格子的结点：点阵结构u点阵的质点：原子、分子、离子、原子团点阵的质点：原子、分子、离子、原子团u每个结点有完全想同的周围环境每个结点有完全想同的周围环境（1）布拉格点阵布拉格点阵NaClNaCl的晶体结构的晶体结构晶体的晶胞参数晶体的晶胞参数晶胞参数晶胞参数a、b、c、晶体结构点阵晶体结构点阵+结构基元结构基元基元基元点阵图点阵图（2）晶系晶系晶面指数晶面指数2.4 晶体缺陷及对其

3、性能的影响晶体缺陷及对其性能的影响2.4.1 缺陷的分类缺陷的分类2.4.2 缺陷对晶体性质的影响缺陷对晶体性质的影响2.4.3 非整比化合物非整比化合物2.4 晶体缺陷及对其性能的影响晶体缺陷及对其性能的影响理想晶体理想晶体所谓平移对称性就是指对空间点阵，任所谓平移对称性就是指对空间点阵，任选一个最小的基本单元，在空间三维方选一个最小的基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。完全复制所有空间格点。由于局部地方格点的破坏导致平移操作由于局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样无法完整地复制全部的二维

4、点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。2.4.1 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类结构缺陷结构缺陷（本征缺陷）（本征缺陷）点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的“位错”，例如晶格中缺少一列原子即形成线缺陷面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部偏离周期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。体缺陷：指在三维方向上相对尺

5、寸较大的缺陷，例如完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内部的空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷2.4.1.1 点缺陷点缺陷（1）概念概念空位空位间隙原子间隙原子六十年代六十年代KrogerKroger等建立了比较完整的缺陷研等建立了比较完整的缺陷研究理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。究理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。缺陷化学的基本假设：缺陷化学的基本假设：将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平衡。也就是将缺陷看作是一种化学物质，他衡。也就是将缺陷看作是一种化学

6、物质，他们可以参与化学反应们可以参与化学反应准化学反应，一定准化学反应，一定条件下，这种反应达到平衡状态。条件下，这种反应达到平衡状态。在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以平衡位置为中心作热振动。的，而是以平衡位置为中心作热振动。原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，

7、称为空位。形成空结点，称为空位。离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上；使晶体内部留下空位，称为Schottky空位二是挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为Frenkel缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或空位迁移；四是一定条件下，晶体表面的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子；对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生与复合才不听地由一处向另一处做无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固体相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学

8、过程的基础。（2）成因成因（3）缺陷对晶体性质的影响缺陷对晶体性质的影响（3）缺陷对晶体性质的影响缺陷对晶体性质的影响（1）对力学性质的影响对力学性质的影响（2）对催化性能影响）对催化性能影响（3）对电化学性质的影响）对电化学性质的影响（4）对光学性质的影响）对光学性质的影响（5）对晶体颜色的影响）对晶体颜色的影响1 1对力学性质的影响对力学性质的影响由于结构缺陷的存在，使得晶体的机械强度大大降低。由于结构缺陷的存在，使得晶体的机械强度大大降低。2.2.对光学性质的影响对光学性质的影响晶体缺陷对晶体的光学性质有很大影响。如杂质原子晶体缺陷对晶体的光学性质有很大影响。如杂质原子就会对闪烁晶体材料

9、的性能产生重大影响。就会对闪烁晶体材料的性能产生重大影响。BGO是化是化合物合物Bi4Ge3O4的简称的简称。BGOBGO晶体无色透明，室温时在光晶体无色透明，室温时在光和和X X射线辐照下有很强的发光性质，是性能优异的新一射线辐照下有很强的发光性质，是性能优异的新一代闪烁晶体材料，可以用于探测代闪烁晶体材料，可以用于探测X X射线、射线、Y Y射线、正电射线、正电子和带电粒子等，在核物理，高能物理，核医学和石子和带电粒子等，在核物理，高能物理，核医学和石油勘探等有广泛应用，但如果含千分之几的杂质，发油勘探等有广泛应用，但如果含千分之几的杂质，发光新能就会受到严重的影响。光新能就会受到严重的影

10、响。3 3对电学性质的影响对电学性质的影响 由于晶格中空位缺陷的存在，对各类晶体的电导由于晶格中空位缺陷的存在，对各类晶体的电导率产生不同的影响。率产生不同的影响。因为在电场作用下，离子会通过空位而移动，从因为在电场作用下，离子会通过空位而移动，从而增高了离子晶体的电导率；而增高了离子晶体的电导率；但对电子导电的金属体而言，则因其内部缺陷浓但对电子导电的金属体而言，则因其内部缺陷浓度的增加而导致了电阻率的增高。度的增加而导致了电阻率的增高。杂质对于晶体，特别是对半导体材料的电学性质杂质对于晶体，特别是对半导体材料的电学性质的影响十分显著。这主要是由于杂质元素的引入改变的影响十分显著。这主要是由

11、于杂质元素的引入改变了半导体的能带结构。因此许多半导体原料在制成器了半导体的能带结构。因此许多半导体原料在制成器件前都要件前都要“掺杂掺杂”，控制掺杂元素的种类和浓度，即，控制掺杂元素的种类和浓度，即可得到不同类型的、电阻率范围不同的半导体材料。可得到不同类型的、电阻率范围不同的半导体材料。4 4对晶体颜色的影响对晶体颜色的影响晶体的颜色与晶体缺陷密切相关。如晶体的颜色与晶体缺陷密切相关。如CrCr2 2O O3 3本身是绿色，本身是绿色，当掺入当掺入AlAl2 2O O3 3即变成红色。即变成红色。5 5对催化性能的影响对催化性能的影响固相催化刑的催化性能与晶体表面有关。固相催化刑的催化性能

12、与晶体表面有关。2.4.1.2 位错位错从滑移的角度看，位错是滑移面上上已滑移从滑移的角度看，位错是滑移面上上已滑移和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。或若干列原子发生有规律的错排现象。晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸较小，是一较大，而在另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在个直径约在3-53-5个原子间距、长几百到几万个个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区原子

13、间距的管状原子畸变区刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑移方界线。它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量。向垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线和在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线和滑移矢量相互垂直，因此他们所构成的平面只有一个。滑移矢量相互垂直，因此他们所构成的平面只有一个。对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原对于高分子晶体除了

14、上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。由于剪应力的作用使晶体互由于剪应力的作用使晶体互相滑移，晶体中滑移部分的相滑移，晶体中滑移部分的相交位错线是和滑移面方向相交位错线是和滑移面方向平行的，因为位错线周围的平行的，因为位错线周围的一组原子面形成了一个连续一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，古称为螺旋的螺旋形坡面，古称为螺旋位错。位错。2.4.1.3 面缺陷面缺陷材料的表面是最显而易见的面缺陷。材料的表面是最显而易见的面缺陷。在垂直于表面方向上，平移对称性被在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。破坏了。由于材料是通过表面与环境及其他材由

15、于材料是通过表面与环境及其他材料发生相互作用，所以表面的存在对料发生相互作用，所以表面的存在对材料的物理性能有重要的影响。材料的物理性能有重要的影响。常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。都与表面状态有关。原子偏离周期排列的三维缺陷。原子偏离周期排列的三维缺陷。一般指材料中的空洞、夹杂物等，一般指材料中的空洞、夹杂物等，这种体缺陷对材料性能的影响一方面这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸的大小有关；与它的几何尺寸的大小有关；另一方面也与其数量、分布有关；另一方面也与其数量、分布有关；它们的存在常常是有害的它们的存在常常是有害的2.4.2 体

16、缺陷体缺陷2.4.3 非整比化合物非整比化合物产生原因产生原因高温超导材料高温超导材料2.5 非晶体的结构和性质非晶体的结构和性质2.5.1 非晶体的结构特点非晶体的结构特点2.5.2 非晶体材料的性能非晶体材料的性能2.6 材料结构的表征材料结构的表征2.6.1 材料化学组成的表征材料化学组成的表征化学分析法化学分析法仪器分析法仪器分析法2.6.2 材料结构的表征材料结构的表征（1 1）晶体结构的研究和表征）晶体结构的研究和表征（2 2）材料显微结构的研究）材料显微结构的研究形貌的观察及物相（组成、含量）分析；形貌的观察及物相（组成、含量）分析；固体结构（类型、点阵常数）的测定；固体结构（类

17、型、点阵常数）的测定；固体结合键的类型；固体结合键的类型；杂质含量及分布情况杂质含量及分布情况晶粒形态、大小、取向及分布特征；晶粒形态、大小、取向及分布特征；晶粒中的晶格畸变相缺陷情况；晶粒中的晶格畸变相缺陷情况；晶体结构和相结构及分布特征；晶体结构和相结构及分布特征；材料的应力状态及应变。材料的应力状态及应变。2.6.3 材料结构的表征的几种方法材料结构的表征的几种方法透射电子透射电子-透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）-扫描透射电子显微镜（扫描透射电子显微镜（STEM）-电子衍射分析电子衍射分析二次电子二次电子-扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM）特征特征X射线射线-X-射线能谱仪（射线能谱仪（EDS）-X-射线波谱仪（射线波谱仪（WDS）-低能电子衍射仪（低能电子衍射仪（LEED）-X-射线光电子能谱仪（射线光电子能谱仪（XPS）俄歇电子俄歇电子-俄歇电子能谱仪（俄歇电子能谱仪（AES）电子显微技术电子显微技术电子与试样作用产生的信息电子与试样作用产生的信息