几何晶体学精选PPT.ppt
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1、几何晶体学第1页,此课件共53页哦v晶晶体体与与非非晶晶体体:晶体是由原子(或离子、分子)在空间周期地排列构成的固体物质。从结构上,晶体具有三维空间的周期性,即长程有序;非晶体的结构只在几个原子范围内具有某种统计分布规律而在大范围内呈无规则排列,即为短程有序。晶体具有各向异性,而非晶体呈各向同性。1.晶体点阵晶体点阵1.1 基本概念基本概念第2页,此课件共53页哦v晶体结构:晶体结构:晶体中原子、离子或分子的构型称为晶体结构。v等等同同点点:从晶体结构中抽象出的几何环境和物质环境均相同的点,称为等同点。v结结构构基基元元:等同点所代表的具体物质内容(原子(团)、离子(团)、分子(团)称为结构基
2、元。v空空间间点点阵阵:从晶体结构中的抽象出来的,描述结构基元空间分布周期性的等同点集合成的几何图形称为晶体的空间点阵。空间点阵中的几何点称为阵点。晶体结构晶体结构 空间点阵空间点阵 结构基元结构基元第3页,此课件共53页哦v初初基基矢矢:以点阵中任一阵点为原点,作一组矢量a0、b0、c0,它们整数倍的线性组合能表达点阵中所有阵点的位置,称这些矢量为初基平移矢量,简称平移矢。v平移矢:平移矢:任意两个阵点之间的矢量为平移矢,或阵矢。T=ma+nb+pc 其中其中m,n,p为整数v阵阵胞胞:以初基矢为棱边作平行六面体,称为点阵的初基阵胞。初基阵胞有多种取法,但每种取法最终阵胞体积都相同,且每个阵
3、胞中只含一个阵点。v复复胞胞:以阵矢为棱边构成的平行六面体称为非初基阵胞(复杂阵胞),简称复胞。复胞中包含一个以上的阵点。1.2 空间点阵的描述方法空间点阵的描述方法第4页,此课件共53页哦v点点阵阵常常数数:确定点阵阵胞的三个棱边矢量a、b、c的模a、b、c及其间夹角、称为点阵常数。第5页,此课件共53页哦v晶胞:晶胞:是晶体结构中的最小重复单位。晶胞晶胞 =空间点阵的阵胞空间点阵的阵胞 结构基元结构基元v实际材料中晶体(晶粒)的尺寸大约在105106nm左右,而晶胞的尺寸在1nm以下,因此平移矢 T=ma+nb+pc 中的m,n,p在105106数量级,晶体近似看成无限大,因为晶体的周期性
4、,故只需取一个单胞来讨论问题。第6页,此课件共53页哦2.晶体的对称性(宏观)晶体的对称性(宏观)对对称称:晶体的对称性是指晶体中存在两个或两个以上的等同部分,通过一定的几何动作后能使它们周期性复原的性质。对称操作:对称操作:上述几何动作。对对称称元元素素:在实施对称操作时所凭借的几何元素,即对称操作过程中不动的点、线、面等几何元素。2.1 基本概念基本概念第7页,此课件共53页哦a.反映:晶体表面或内部每一个点通过该物体中的一个平面反映,在平面的另一方同等距离处都能找到相同的的点,这种变换称为反映。对称元素:对称面,用m表示。如一个立方体中有9个对称面。2.2 晶体宏观对称变换晶体宏观对称变
5、换第8页,此课件共53页哦b、旋转:晶体绕某一轴线旋转360的过程中,其中的每一点恢复原来状态数次,这种对称变换称为旋转。对称元素:旋转轴。由于晶体的周期性,旋转轴只有一次、二次、三次、四次、六次,分别用1、2、3、4、6表示。第9页,此课件共53页哦c、反演:若通过晶体中心的任一直线上,离中心等距离处均能找到相应的等同点,则晶体具有对称中心,称此操作为反演。对称元素:反演中心 第10页,此课件共53页哦d、旋转反演:晶体绕某一旋转轴每转动角后,必须再经反演晶体才能复原,称这种变换为旋转反演。对称元素:反演轴,有1,2,3,4,6,其中只有4为新的独立对称元素。1i,2m,3中必含有3次轴和i
6、,6中必含有3次轴和m。第11页,此课件共53页哦 所以,晶体中有所以,晶体中有1、2、3、4、6、m、i、-4共八种独立共八种独立的宏观对称元素。的宏观对称元素。第12页,此课件共53页哦3.布拉菲点阵(布拉菲点阵(Bravais Lattice)与晶系)与晶系(Crystal System)3.1 布拉菲点阵布拉菲点阵阵胞可以有各种不同的选取方式。只是为了表达空间点阵的周期性,则一般应选取体积最小的平行六面体作为阵胞(即简单阵胞),但为了使阵胞能同时反应出空间点阵的对称性,只选简单阵胞不能满足要求。如何选?阵胞选取原则:(1)所选阵胞要完全反应出空间点阵的最高对称性;(2)在满足(1)的基
7、础上所选阵胞的平面角要尽可能等于直角;(3)在满足(1)、(2)的基础上所选阵胞的体积要尽可能小。根据上述三条原则选取的空间点阵阵胞只能有14种,称为14种布拉菲点阵。第13页,此课件共53页哦第14页,此课件共53页哦3.2 晶系划分晶系划分晶系晶系:按照晶胞的特征对称元素按照晶胞的特征对称元素可以分成可以分成7个不同类型,称为个不同类型,称为晶系。晶系。晶系晶系特征对称元素特征对称元素三斜三斜无或反演中心无或反演中心单斜单斜唯一的唯一的2次轴或镜面次轴或镜面正交正交三个相互垂直的三个相互垂直的2次旋转次旋转轴或反轴。轴或反轴。三方三方唯一的唯一的3次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。四方四方唯
8、一的唯一的4次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。六方六方唯一的唯一的6次旋转轴或反轴。次旋转轴或反轴。立方立方沿晶胞体对角线的四个沿晶胞体对角线的四个3次旋转轴或反轴次旋转轴或反轴第15页,此课件共53页哦不同晶系中的标准单胞选择规则不同晶系中的标准单胞选择规则晶系晶系标准单胞选择标准单胞选择变通单胞选择变通单胞选择三斜三斜晶轴间交角尽可能接近直角,但晶轴间交角尽可能接近直角,但 90。容许轴间交角容许轴间交角=90 单斜单斜Y轴平行于唯一的二次轴或垂直于镜面,轴平行于唯一的二次轴或垂直于镜面,b b角角尽可能接近直角。尽可能接近直角。同标准选择,但同标准选择,但Z轴代替轴代替Y轴,轴,g g角代
9、替角代替b b角。角。正交正交晶轴选择平行于三个相互垂直的晶轴选择平行于三个相互垂直的2次轴(或次轴(或垂直于镜面)。垂直于镜面)。无无四方四方Z轴总是平行于唯一的轴总是平行于唯一的4次旋转(反演)轴,次旋转(反演)轴,X和和Y轴相互垂直,并都与轴相互垂直,并都与Z轴成直角。轴成直角。无无六方六方/三方三方Z轴总是平行于唯一的轴总是平行于唯一的3次或次或6次旋转(反演)次旋转(反演)轴,轴,X和和Y轴都垂直于轴都垂直于Z轴,并相互间交角为轴,并相互间交角为120 。在三方晶系,三次轴选为在三方晶系,三次轴选为初基单胞的对角线,则初基单胞的对角线,则a=b=c,a=b=ga=b=g 90。立方立
10、方晶轴总选为平行于三个相互垂直的晶轴总选为平行于三个相互垂直的2次轴或次轴或4次轴,而四个三次轴平行于平行于立方晶胞次轴,而四个三次轴平行于平行于立方晶胞的体对角线。的体对角线。无无第16页,此课件共53页哦1.七种晶系单位阵胞分为四类。七种晶系单位阵胞分为四类。a.简单阵胞(P),含有一个阵点,阵点坐标:(0,0,0)b.底心阵胞(C),含有两个阵点,阵点坐标:(0,0,0);(1/2,1/2,0)c.体心阵胞(I),含有两个阵点,阵点坐标:(0,0,0);(1/2,1/2,1/2)d.面心阵胞(F),含有四个阵点,阵点坐标:(0,0,0);(1/2,1/2,0);(0,1/2,1/2);(
11、1/2,0,1/2)3.3 Bravais阵胞的四种类型阵胞的四种类型第17页,此课件共53页哦2.2.坐标系的选择坐标系的选择:在晶体的点阵结构中,当根据Bravais三原则选取单位阵胞时,实际上就确定了描述该点阵结构的坐标系。单位阵胞的三棱边便是三个坐标轴(x,y,z),在晶体结构中又称晶轴。由于每一阵点都是环境相同的等同点,所以任一阵点均可作为原点。晶体学中规定右手规则坐标系,三棱边边长a,b,c是坐标轴的度量单位,而b与c、c与a、a与b的夹角为、,在点阵中确定的单位阵胞与引入坐标是统一的。所以,坐标因点阵类型而异,在晶体点阵中按这种规定引入坐标系称为标准定向。第18页,此课件共53页
12、哦3.4 一些实际晶体的点阵类型一些实际晶体的点阵类型将阵胞中的阵点换成结构基元晶胞。晶胞与空间点阵的阵胞参数是相同的,只是晶胞中的质点数是阵胞中阵点数的整数倍。金属晶体的点阵类型主要是fcc、bcc和hp,其中fcc和bcc结构金属的原子与空间点阵的阵点重合。如Cu、Al、-Fe、W。密堆六方(hcp)金属的点阵属于简单点阵(hp)。如Mg、Zn。金刚石和NaCl属于fcc点阵,一个晶胞中含有8个C原子。有序结构Cu3Au和CsCl属于pc点阵。第19页,此课件共53页哦4.1 晶体学点群(晶体学点群(Point Group)4.晶体学点群和空间群晶体学点群和空间群定义:晶体中所含有的全部宏
13、观对称元素至少交于一点。将晶体中可能存在的各种宏观对称元素通过一个公共点并按一切可能性组合起来,总共有32种形式,这32种相应的对称群操作群称为32个晶体学点群。32个晶体学点群是满足“晶体制约”的点点群。32晶类的推演http:/metafysica.nl/derivation_32.html第20页,此课件共53页哦晶体学点群的对称元素方向及国际符号晶体学点群的对称元素方向及国际符号晶系晶系第一位第一位第二位第二位第三位第三位点群点群可能对称可能对称元素元素方向方向可能对称可能对称元素元素方向方向可能对称可能对称元素元素方向方向三斜三斜1,1任意任意无无无无1,1单斜单斜2,m,2/mY无
14、无无无2,m,2/m正交正交2,mX2,mY2,mZ222,mm2,mmm四方四方4,4,4/mZ无,无,2,mX无,无,2,m底对底对角线角线4,4,4/m,422,4mm,42m,4/mmm三方三方3,3Z无,无,2,mX无无3,3,32,3m,3m六方六方6,6,6/mZ无,无,2,mX无,无,2,m底对底对角线角线6,6,6/m,622,6mm,62m,6/mmm立方立方2,m,4,4X3,3体对体对角线角线无,无,2,m面对面对角线角线23,m3,432,43m,m 3m第21页,此课件共53页哦点群符号含义点群符号含义1.熊夫利斯(Schoenfilies)记号:大写字母:C代表旋
15、转群(Cyclicgroup)D代表双面群(Dihedralgroup)S代表反轴群(Spiegelachse(德文)group)T代表四面体群(Tetrahedralgroup)O代表八面体群(Octahedralgroup)小写字母:n代表主对称轴轴次i代表对称中心(inversion,反演)s代表镜面(spiegel,德文镜面)v代表通过主轴的镜面(verticalmirrorplane)h代表与主轴垂直的水平镜面(horizontalmirrorplane)d代表等分二个副轴的交角的镜面(diagonalmirrorplane)第22页,此课件共53页哦2.国际符号:由各晶系特定取向上
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