材料结构无机-2晶体结构及其应用.ppt

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1、材料结构（无机材料）第二讲 晶体结构及其应用主要内容l第1章 晶体结构(4学时)：晶体学概述、原子的周期性、晶格的基本类型、各晶系空间群特征、国际表示和使用方法、常见的无机晶体结构；l第2章 晶体衍射和倒格子(4学时)：晶体衍射、布里渊区与倒格子、X射线衍射基础、常见无机晶体结构的测定、中子衍射结构分析；l第3章 晶体结合与弹性常数(4学时)：惰性气体晶体，离子晶体共价晶体，金属晶体等，弹性应变的分析和立方晶体中的弹性波；l第4章 晶格振动与热学性质(2学时)：声子与晶格振动，声子比热容，热膨胀，导热性；l第5章 晶体中的缺陷和扩散(2学时)：晶体结构中点缺陷、点缺陷与扩散；l第6章 能带(2

2、学时)：近自由电子模型，金属与绝缘；主要内容l第7章 自由电子费米气(2学时)：电子气的热容，电导率和欧姆定律，无机材料中的电子导电规律也结构特点；l第8章 半导体晶体(2学时)：能隙，本征载流子，杂质导电性，相关无机材料结构与性质规律；l第9章 固体磁性(2学时)：抗磁、顺磁、铁磁，反铁磁，相关典型无机材料的结构特点与规律；l第10章 光学性质(2学时)：光学反射与拉曼效应；l第11章 介电体和铁电体(2学时)：介电常数与极化，铁电晶体结构；l第12章 超导基础与高温超导体(2学时)；基本规律，高温超导体结构特点与性能 参考书目参考书目l固体物理导论基泰尔 化学工业出版社2005.6 l固体

3、物理学黄昆 北京大学出版社 2009.9l材料的晶体结构原理毛卫民,冶金工业出版社,2007.8前期内容回顾l材料研究的核心问题：结构与性能的关系，结构本身重要的研究问题l材料结构涉及理想晶体的晶格、缺陷概念和非晶体无序、尺寸、维度等概念，以晶格及其缺陷最为基础和重要l晶格关键在于具有三维的周期性排列点阵，平移和基元是最基础的构件l描述晶格根据不同规律有多种分类：7晶系14个布拉维格子32个点群（230 空间群），适合于不同的研究或问题晶胞的分类晶胞的分类 晶系晶系 晶系晶系 晶轴晶轴 轴间夹角轴间夹角 实例实例 立方立方 a=b=c =900 Cu,NaCl 四方 a=b c =900 Sn

4、,SiO2 正交 a=b c =900 I2,BaCO3 三方 a=b=c =900 As,Al2O3 a=b c =900，=1200 单斜 a b c =900，900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a=b c =900，=1200 Mg,CuS规律简单，分类方便，但细节不明典型的晶体结构介绍l简单立方；l体心立方；l面心立方；l密堆六方；l重要的晶体结构网站各晶系空间群特征和国际表示 系统分类规律，国际化分类，概念清楚，但表示复杂对称操作和空间群Symmetry Operation 又称对称动作：对称动作：l 具有对称性的图像是经过一种以上不改变其中任何两点间

5、距离的动作后复原的图像，能使一个对称图像复原的每一种动作称为它的对称动作或对称操作。l空间群（Space Group）标定晶体内部结构的对称群。晶体内部结构中全部对称要素的集合称为“空间群空间群”l物理或化学体系中的原子轨函、分子、晶体等均可视作一类具有对称性的图像以对称操作、对称元素等来描述其在空间排布上的（对称）相关性。空间群可以分为两类l一切晶体结构中总共只能有230种不同的对称要素组合方式，即230个空间群。它是由俄国结晶学家费多洛夫和德国结晶学家薛弗利斯（Artur Moritz Schoenflies，1853-1928）于1890至1891年间各自独立地先后推导得出来的，故亦称为

6、“230个费多洛夫群”。l空间群可以分为两类：一类成为简单空间群或称点空间群；一类成为复杂空间群或称非点空间群。l所谓点空间群，是有一个平移群和一个点群对称操作组合而成的。具体分析表明，共有73种不同的点空间群。引入对称性的目的引入对称操作对称群空间群等概念，可更详细和科学地描述晶体结构；l引入空间群目的是什么?l研究晶体结构更细致信息的意义?对称性在物理研究中有着至关重要的地位。在凝聚态物理领域中，许多晶体的宏观性质都是其晶格对称性的体现，这些细节为分析材料性能提供方便建立晶体结构需要空间群建立晶体模型的目的l晶体结构的细节分析；l晶体的几何形态的研究；l晶面指数和晶面分析；l晶体衍射和倒空

7、间；l第一性原理的能带结构计算；l 通过先建立了晶体结构模型，我们才能可以继续进行以上方向的研究通过晶体结构构造了解对称性含义继续进行上讲的实际操作：l晶体结构=平移操作+基元l平移操作=晶格参数l基元单胞=（空间群+原子等效点位置）MS基本安装、操作和实践，如何构造一个晶体结构（单胞）！利用晶体参数建立模型三大要素：空间群（对称性），原子等效点位置；晶格参数；点阵常数 a=5.017，c=3.981 LaNi5为CaCu5型立方结构，空间群为D6hP6/mmm等效点可查询资料典型的无机非金属材料晶体模型对于陶瓷材料，其特点决定晶体概念最重要：进一步实践操作吴可夫坐标与对称性lWyckoff

8、position（等效点位置）;l如何得到对称原子分数坐标位置？l对称性与有效点位置密切相关；l单晶体模型看不出对称性来，但对称性能够确定模型；l影响对称性不只是原子位置从晶体、纳米到缺陷的模型变化如何解决更实际的结构模型搭建问题：l利用MS本身模型库和FindIt等数据库；l利用已有晶体结构进行结构转换构造；l晶体中点缺陷结构的构造；l非周期的纳米结构的构造；l两相晶体界面或表面结构的构造；l典型的晶体结构l简单立方；l体心立方；l面心立方；l密堆六方；l重要的晶体结构网站模型的构件与转换典型问题l原子直接替换，注意对称性要求与替换数量；l删除形成缺位和添加形成间隙；l原子位置的调整，注意对

9、称性限制；l超晶胞与掺杂浓度；l寻找更换空间群保证对称性；利用MS本身模型库和FindIt等数据库利用晶体结构能分析什么?l原子之间的关系（距离和角度）；l晶胞体积和密度；l自由理想条件下的晶体的几何构型；l未来学习：晶面指数，XRD；倒空间；能带这些属于引申信息，或者变化信息可以进行键长、键角和晶胞体积分析主要晶体结构参数高分辨电镜原子成相d=0.693nmTiO2 brookite 锐钛型二氧化钛 金红石型二氧化钛 立方氮化硼 单晶尖晶石晶体NaCl单晶体呈立方体，在立方体晶面上常有阶梯状凹陷，偶见有完好的八面体。集合体常呈粒状或块状 9吨单晶水晶晶体钻石是指经过切割琢磨的金刚石石墨的晶体石墨的晶体晶体结构可进一步研究l晶面原子分布和晶面指数；lXRD多晶衍射峰；l第一性原理能带结构计算；l总结l总结晶体结构的基本概念和目的；lMS的Visualizer建立晶体模型（三项基本原则）；l根据实际问题通过修改晶体模型建立不同类型的结构模型；l利用晶体模型进行进一步分析和研究；END