固体物理_常见晶体的结构_2013.ppt

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1、 为了看清为了看清原子或离子原子或离子在空间的排列规律，用在空间的排列规律，用一些较小的圆球作为晶体中原子或离子的模型，一些较小的圆球作为晶体中原子或离子的模型，又用直线将圆球连接起来，构成了晶体格子，简又用直线将圆球连接起来，构成了晶体格子，简称晶格。称晶格。一、晶格：一、晶格：第三节第三节 常见的晶体结构常见的晶体结构 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是由两种或两种以上的原子组成，则该晶格称为复式格子。上的原子组成，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

2、格格-子子晶晶格格。各各子子晶晶格格互互移移套套构构形形成成复复式式格子。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是由完全相同的一种原子组成，则该晶格称为简单格子。种原子组成，则该晶格称为简单格子。由基元中原子间由基元中原子间的相对位置决定的相对位置决定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

3、单立方简单立方晶格与基元晶格与基元CsCl晶体晶体:简单立方简单立方Cl-和和Cs+各各自自构构成成一一套套简简单立方结构的子晶格，单立方结构的子晶格，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构而成的。套构而成的。所所以以，CsCl结结构构是是简简单单立立方方结结构构，而而不不是是体体心心立立方结构。方结构。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 由由Na+和和 Cl-各自构成一套

4、面心立方格子，它们彼各自构成一套面心立方格子，它们彼此沿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.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个个空空间间对角线的对角线的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）在在正正四四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

5、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环境情况是不相同的，因此，金刚石结构是围环境情况是不相同的，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线平移角线平移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4.闪锌矿结构（闪锌矿结构（ZnS）ZnS和金刚石具有相似的结构，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方立方结构的子晶格，结

6、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空空间间对对角角线线长长度度套构而成。套构而成。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,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。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整整个个BaTiO3晶晶

7、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方格格子子套套构构而而成的。成的。o201303056.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 第第一一层层：每每个个小小球球与与6个个小小球球

8、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存在一个间隙，每个小球周围有间存在一个间隙，每个小球周围有6个间个间隙隙，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

9、构。结构。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。图图1.13.立方密堆立方密堆（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晶体：PtPt惯用原胞惯用原胞B1B2B3AC1C2C3A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

10、成了，这样就形成了 ABABAB.的密堆积方式。的密堆积方式。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胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。元胞中相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

11、目。配配位位数数越越大大，晶晶体体中原子排列越紧密。中原子排列越紧密。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率。用率。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？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：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：实体实体（原子、离子、原子团）基元基元晶格晶格惯用原胞惯用原胞初基原胞初基原胞虚体虚体（抽象的点）格点格点空间点阵空间点阵布喇布喇菲格子菲格子