材料的结构和性能解析学习教案.pptx

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1、会计学 1材料(cilio)的结构和性能解析第一页，共63 页。原子质量 原子质量(zhling)(zhling)等于原子中质子和中子的平均数，也等于 等于原子中质子和中子的平均数，也等于1 1 阿伏加德罗（阿伏加德罗（NA NA 原 原子的克质量 子的克质量(zhling)(zhling)。1NA=6.0210E(23)atoms/mol 1NA=6.0210E(23)atoms/mol，即，即1 1 摩尔原子或者分子的数 摩尔原子或者分子的数量。因此，原子质量 量。因此，原子质量(zhling)(zhling)的单位是 的单位是g/mol g/mol。原子质量 原子质量(zhling)(z

2、hling)的另一单位是相对原子质量 的另一单位是相对原子质量(zhling)(zhling)：amu(atomic mass unit)amu(atomic mass unit)，以，以原子核内有 原子核内有12 12 个质子的一种碳原子 个质子的一种碳原子C-12 C-12 质量 质量(zhling)(zhling)的 的1/12 1/12（约（约1.6610E(-27 1.6610E(-27）kg kg）作为标准，其它原子的质量）作为标准，其它原子的质量(zhling)(zhling)跟它的比值。跟它的比值。一种原子（分子，离子）的摩尔质量 一种原子（分子，离子）的摩尔质量(zhling

3、)(zhling)在数值上等于其相对原子质量 在数值上等于其相对原子质量(zhling)(zhling)（式量）。注意：只有当该原子、分子、离子的摩尔质量（式量）。注意：只有当该原子、分子、离子的摩尔质量(zhling)(zhling)的单位为 的单位为g/mol g/mol时，才符合本规律 时，才符合本规律.例如，例如，1 1 摩尔包含 摩尔包含6.0210E(23)6.0210E(23)铁原子的质量 铁原子的质量(zhling)(zhling)为 为55.847g 55.847g，或者为，或者为55.847amu 55.847amu。第 1 页/共 62 页第二页，共63 页。n n 原子

4、的电子结构 原子的电子结构n n 我们知道，原子内的电子离散分布在不同的能级轨道，每个电子用有特定的能 我们知道，原子内的电子离散分布在不同的能级轨道，每个电子用有特定的能n n 量，没有相同能级的两个电子。这说明任何两个能级间存在着离散的能量差别。量，没有相同能级的两个电子。这说明任何两个能级间存在着离散的能量差别。n n 每个电子的能级有四个量子 每个电子的能级有四个量子(lingz(lingz)数确定。量子 数确定。量子(lingz(lingz)数是规定一个原子中电子的不连 数是规定一个原子中电子的不连续能 续能n n 级的系列数字。这四个量子 级的系列数字。这四个量子(lingz(li

5、ngz)数是主量子 数是主量子(lingz(lingz)数 数n n，角量子，角量子(lingz(lingz)数 数l l，磁量子，磁量子(lingz(lingz)数 数ml ml，以及自旋量，以及自旋量n n 子数 子数ms ms。角量子。角量子(lingz(lingz)数描述每个量子 数描述每个量子(lingz(lingz)壳的能级，自旋量子 壳的能级，自旋量子(lingz(lingz)数的数值为 数的数值为-1/2-1/2和 和+1/2+1/2，代表，代表n n 了电子的不同旋转方向。前三个量子 了电子的不同旋转方向。前三个量子(lingz(lingz)数可以确定电子的能级水平。数可以确

6、定电子的能级水平。n n 原子的电子结构经常用简写的符号标志结合主量子 原子的电子结构经常用简写的符号标志结合主量子(lingz(lingz)数来表述，如 数来表述，如Ge Ge 的外层电 的外层电n n 子结构可以写为：子结构可以写为：n n n n 其中，下标为角量子 其中，下标为角量子(lingz(lingz)数，上标为为每个轨道的电子数。数，上标为为每个轨道的电子数。第 2 页/共 62 页第三页，共63 页。原子的价电子是原子参与键合或者化学反应时的电子数量。通常价电子数就是 原子的价电子是原子参与键合或者化学反应时的电子数量。通常价电子数就是外层 外层s s 或者 或者p p 能级

7、的电子数。如 能级的电子数。如Ge Ge 的价电子数为 的价电子数为4 4。如果一个原子的价电子数为 如果一个原子的价电子数为0 0，则该原子是惰性，则该原子是惰性(duxng)(duxng)的（无反应性），如 的（无反应性），如Ar Ar 原子。原子。而一些原子如 而一些原子如Al Al，其外层，其外层s s，p p 能级只有三个电子，易于失去，所以其价电子为 能级只有三个电子，易于失去，所以其价电子为3 3。而另一些原子如 而另一些原子如Cl Cl，其外层，其外层3s,3p 3s,3p 能级有 能级有7 7 个电子，只要一个 个电子，只要一个电子就可以填满外层轨道，所以 电子就可以填满外层

8、轨道，所以价电子数为 价电子数为-1-1。电负性指一个原子获得电子 电负性指一个原子获得电子的倾向。对具有几乎就要充满外 的倾向。对具有几乎就要充满外层能级的原子 层能级的原子Cl Cl，就具有极强的，就具有极强的电负性，易于得到电子。而对于 电负性，易于得到电子。而对于外层能级几乎快空的原子如 外层能级几乎快空的原子如Na Na，电负性就很小，极易失去电子。图 电负性就很小，极易失去电子。图2-8 2-8 给出了一些元素的电负性。给出了一些元素的电负性。第 3 页/共 62 页第四页，共63 页。n n 原子键 原子键n n 在工程材料中，有四种重要的原子键合方式：在工程材料中，有四种重要的

9、原子键合方式：n n 1 1）金属键）金属键n n 2 2）共价键）共价键n n 3 3）离子键）离子键n n 4 4）范德瓦尔键（分子键）范德瓦尔键（分子键）n n 对于前三种结合键，主要是通过原子外层轨道（对于前三种结合键，主要是通过原子外层轨道（s,p)s,p)电子 电子(dinz(dinz)的转移或者共 的转移或者共n n 享在相邻原子间形成相对较强的键合，它们叫做主键。而范德瓦尔键 享在相邻原子间形成相对较强的键合，它们叫做主键。而范德瓦尔键则相 则相n n 对较弱，形成机制不同，叫做次键。对较弱，形成机制不同，叫做次键。第 4 页/共 62 页第五页，共63 页。1）金 属 键第

10、5 页/共 62 页第六页，共63 页。金属大约占了元素周期表的三分之二。金属原子凝聚 金属大约占了元素周期表的三分之二。金属原子凝聚(nngj)(nngj)而形成晶体时，外 而形成晶体时，外层电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成离子。离子占据晶体的点 层电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成离子。离子占据晶体的点阵，不停地振动；价电子为整个晶体公有，在离子间运动，形成电子云。阵，不停地振动；价电子为整个晶体公有，在离子间运动，形成电子云。这种公有化的电子云能够导电，所以金属是良好的导体；金属间的结 这种公有化的电子云能够导电，所以金属是良好的导体；金属间的结合是由于公有化电子和离子之间

11、的静电吸引力。合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。正是有电子公有化的特点，金属键便没有方向性；为了增加晶体的稳定 正是有电子公有化的特点，金属键便没有方向性；为了增加晶体的稳定性，降低体系的内能 性，降低体系的内能U U，一般都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大，一般都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。的晶体结构。第 6 页/共 62 页第七页，共63 页。金属 金属(jnsh(jnsh)晶体 晶体金属(jnsh)原子自由电子(z yu din z)第 7 页/共 62 页第八页，共63 页。2）共 价 键第 8 页/共 62 页第九页，共63 页。典型的共价键如 典型的

12、共价键如H2 H2，每一个，每一个H H 原子贡献出一个价电子，它们围绕这两个氢核运 原子贡献出一个价电子，它们围绕这两个氢核运动，形成所谓电子云。电子云在两个氢核之间的密度最大，因而可以简单地认为两 动，形成所谓电子云。电子云在两个氢核之间的密度最大，因而可以简单地认为两个价电子集中在两个原子核之间，为两个原子核共有，形成一个共价键。个价电子集中在两个原子核之间，为两个原子核共有，形成一个共价键。用电子式表示为：用电子式表示为：共价键有如下重要性质：共价键有如下重要性质：1 1）键长：指组成键的两个原子核之间的距离，随着杂化轨道的状态）键长：指组成键的两个原子核之间的距离，随着杂化轨道的状态

13、(zhungti)(zhungti)而变化。而变化。2 2）键能：将组成共价键的原子分开所需要的能量。）键能：将组成共价键的原子分开所需要的能量。3 3）极性键：各元素电负性不同，因而电子云的分布不均匀，电子云偏向电负性）极性键：各元素电负性不同，因而电子云的分布不均匀，电子云偏向电负性高的元素，形成极性键。高的元素，形成极性键。4 4）方向性：共价键间）方向性：共价键间具有键角。如图 具有键角。如图2-12 2-12第 9 页/共 62 页第十页，共63 页。3）离子键 NaCl 是典型的离子键晶体，Na 易于失去(shq)外层一个电子形成Na+，而卤素Cl却易接受钠原子失去(shq)的电子

14、形成Cl-，正负离子之间的静电的库伦引力作用便形成图示的晶体结构。离子键晶体结构由如下因素定：1）阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律，才能保证电荷的中性。2）每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子，这样可使结合键尽可能多，即内能U 尽可能低，则晶体更稳定。3）同一类离子球不能相切，这种相切导致的斥力使晶体不稳定。第 10 页/共 62 页第十一页，共63 页。4 4）范德瓦尔键）范德瓦尔键(分子键 分子键)：原子或分子间范德瓦尔作用力的产生本质上是量子力：原子或分子间范德瓦尔作用力的产生本质上是量子力学的范畴。如两个电荷 学的范畴。如两个电荷+q+q 和 和-q-q 被隔开一定距离 被隔开一定

15、距离d d，则偶极矩定义为，则偶极矩定义为qd qd。原子是电。原子是电中性的，即正电荷（原子核）中心和负电荷（电子云）中心是重合的。因此，中性 中性的，即正电荷（原子核）中心和负电荷（电子云）中心是重合的。因此，中性原子没有偶极矩。原子没有偶极矩。当一个中性原子被放在一个内在或外在的电场时，原子会被极化 当一个中性原子被放在一个内在或外在的电场时，原子会被极化(即正负电荷的 即正负电荷的中心产生偏离 中心产生偏离)。这会产生或者说激发出一个偶极矩，如图。这会产生或者说激发出一个偶极矩，如图2-16 2-16 示。一些分子产生 示。一些分子产生偶极矩不需要激发，只是由于 偶极矩不需要激发，只是

16、由于(yuy)(yuy)结合键的方向性和原子自身因素造成的，这些分子叫 结合键的方向性和原子自身因素造成的，这些分子叫做有极分子。其中 做有极分子。其中,水就是存在偶极矩的分子，如图 水就是存在偶极矩的分子，如图2-17 2-17 示。示。第 1 1 页/共 62 页第十二页，共63 页。范德瓦尔相互作用有三种类型：范德瓦尔相互作用有三种类型：London London 力，力，Keesom Keesom 力和 力和Debye Debye 力。力。London London 力是指两个应激偶极矩原子或者分子间的相互作用力，如图 力是指两个应激偶极矩原子或者分子间的相互作用力，如图2-16 2-

17、16。Debye Debye 相互作用是指一个应激偶极矩原子或者分子与有极分子间的相互作用。相互作用是指一个应激偶极矩原子或者分子与有极分子间的相互作用。其中一个例子就是水分子和四氯化碳间的相互作用。其中一个例子就是水分子和四氯化碳间的相互作用。Keesom Keesom 相互作用则是两个有极分子间的相互作用，如水分子间的相互作用。相互作用则是两个有极分子间的相互作用，如水分子间的相互作用。如图 如图2-17 2-17 所示。所示。Keesom Keesom 力经常 力经常(jngchng)(jngchng)也叫做氢键。也叫做氢键。第 12 页/共 62 页第十三页，共63 页。范德瓦尔键是次

18、键，但其分子或原子团内部则是靠强大的共价键或离子间结 范德瓦尔键是次键，但其分子或原子团内部则是靠强大的共价键或离子间结合。如水加热到沸点，范德瓦尔键破裂，水变为蒸汽。但如要使水分子中结合氧和 合。如水加热到沸点，范德瓦尔键破裂，水变为蒸汽。但如要使水分子中结合氧和氢原子的共价键断裂，则需要比这高得多的温度。氢原子的共价键断裂，则需要比这高得多的温度。尽管 尽管(j(j n gu n gu n)n)范德瓦尔键是次键，但它直接影响着材料的表面张力和液体的沸点。范德瓦尔键是次键，但它直接影响着材料的表面张力和液体的沸点。范德瓦尔键能够直接影响一些材料的性能，如石墨和金刚石的力学性能就差 范德瓦尔键

19、能够直接影响一些材料的性能，如石墨和金刚石的力学性能就差别很大。塑 别很大。塑性材料分子 性材料分子中含极性部 中含极性部分或侧链，分或侧链，范德瓦尔键 范德瓦尔键会在聚合物 会在聚合物链间产生额 链间产生额外的键合作 外的键合作用。用。第 13 页/共 62 页第十四页，共63 页。n n 混合键：多数材料中，原子间键合方式都是两个或者两个以上类型的混合键。混合键：多数材料中，原子间键合方式都是两个或者两个以上类型的混合键。n n 许多过渡族金属如 许多过渡族金属如Ni,Cr,Co,Mo,W,Fe Ni,Cr,Co,Mo,W,Fe 等为金属键和共价键混合的键合方式。等为金属键和共价键混合的键

20、合方式。n n 金属间化合物 金属间化合物(两种或两种以上金属形成的化合物 两种或两种以上金属形成的化合物)可能是金属键和离子键混 可能是金属键和离子键混n n 合的键合方式，尤其是两个元素间的电负性差别较大时。如 合的键合方式，尤其是两个元素间的电负性差别较大时。如Li Li 的电负性是 的电负性是1.0 1.0，而，而n n Al Al 的电负性 的电负性1.5 1.5，我们就能预期它是金属键和离子键的混合键。另一方面，我们就能预期它是金属键和离子键的混合键。另一方面，Al Al 和 和V Vn n 的电负性都为 的电负性都为1.5 1.5，所以，所以Al3V Al3V 则主要依靠金属键结

21、合。则主要依靠金属键结合。n n 许多陶瓷和半导体化合物，主要由金属和非金属元素结合而成，它们具有共价 许多陶瓷和半导体化合物，主要由金属和非金属元素结合而成，它们具有共价n n 键和离子键的混合键。随着原子间电负性的差别加大，键合方式会倾向于离子键。键和离子键的混合键。随着原子间电负性的差别加大，键合方式会倾向于离子键。n n 其中共价键的比例可以通过以下方程估算：其中共价键的比例可以通过以下方程估算：n n 式中，式中，E E 是元素间电负性差值。是元素间电负性差值。n n 石墨晶体 石墨晶体(jngt(jngt)也同时含有共价键和范德华键，如键合方式下图所示。也同时含有共价键和范德华键，

22、如键合方式下图所示。第 14 页/共 62 页第十五页，共63 页。石墨 石墨(shm)(shm)晶体结构示意图 晶体结构示意图C 原子(yunz)正六边形结构单元第 15 页/共 62 页第十六页，共63 页。n n 键能和原子间距 键能和原子间距n n 原子间距：当引力和斥力达到平衡时，原子间处于平衡距离。对于金属键，电 原子间距：当引力和斥力达到平衡时，原子间处于平衡距离。对于金属键，电n n 子和离子核间的引力依靠离子核间的斥力来平衡。当一对原子间总的相互作用 子和离子核间的引力依靠离子核间的斥力来平衡。当一对原子间总的相互作用n n（IAE IAE）最小时，即原子间的净相互）最小时，

23、即原子间的净相互n n 作用力为零时，则为原子间平衡距离。作用力为零时，则为原子间平衡距离。n n 如图 如图2-19 2-19。固体金属的原子间距近似。固体金属的原子间距近似n n 等于原子直径。但离子键材料不适用，等于原子直径。但离子键材料不适用，n n 其间距是两种不同离子间的半径和。其间距是两种不同离子间的半径和。n n 图 图2-19 2-19 中最小的原子间相互作用 中最小的原子间相互作用n n 能（能（IAE IAE）就是键合能，或者说是需）就是键合能，或者说是需n n 要生成或破坏一种键所需要的能量。要生成或破坏一种键所需要的能量。n n 因此 因此(ync(ync)，具有高键

24、合能的材料强度和熔，具有高键合能的材料强度和熔n n 点就高。离子键结合的离子间电负性高，键合能很大。而金属键的键合能就较低。点就高。离子键结合的离子间电负性高，键合能很大。而金属键的键合能就较低。第 16 页/共 62 页第十七页，共63 页。n n 原子间作用力 原子间作用力-原子间距和原子间作用能 原子间距和原子间作用能-原子间距的关系式如图 原子间距的关系式如图2-20 2-20 所示。所示。n n 弹性模量（杨氏模量）就和原子间作用力 弹性模量（杨氏模量）就和原子间作用力-原子间距曲线的斜率相关。斜度较 原子间距曲线的斜率相关。斜度较n n 大的曲线，键合能较高，熔点高，要破坏键合的

25、力就大，因此弹性模量也相对较高。大的曲线，键合能较高，熔点高，要破坏键合的力就大，因此弹性模量也相对较高。n n 需要注意，并非材料的 需要注意，并非材料的n n 所有特性都受微观组织的影 所有特性都受微观组织的影n n 响，如材料弹性模量。取两 响，如材料弹性模量。取两n n 种铝合金样品，其化学成分 种铝合金样品，其化学成分n n 相同但晶粒尺寸不同，这两 相同但晶粒尺寸不同，这两n n 个样品的弹性模量几乎相同，个样品的弹性模量几乎相同，n n 但其屈服强度则差别较大。但其屈服强度则差别较大。n n 材料的弹性模量直接和原子间的键合强度相关，而和材料的微观组织关系不 材料的弹性模量直接和

26、原子间的键合强度相关，而和材料的微观组织关系不n n 大。因此，弹性模量主要 大。因此，弹性模量主要(zh(zh yo)yo)取决于组成材料的原子。取决于组成材料的原子。n n 另一个和键合能强烈相关的材料特性是热膨胀系数，键合能大的材料其热膨胀 另一个和键合能强烈相关的材料特性是热膨胀系数，键合能大的材料其热膨胀n n 系数则相对较小。系数则相对较小。第 17 页/共 62 页第十八页，共63 页。2 2、原子、原子(yunz(yunz)和离子的排列方式 和离子的排列方式 原子 原子(yunz(yunz)和离子排列方式在决定材料的显微组织和性能方面起着重要作用 和离子排列方式在决定材料的显微

27、组织和性能方面起着重要作用.重点介绍：基于原子 重点介绍：基于原子(yunz(yunz)排列的材料分类；固态晶体的晶体结构。排列的材料分类；固态晶体的晶体结构。(1)(1)对不同状态的物 对不同状态的物质，有四种原子 质，有四种原子(yunz(yunz)或离子 或离子的排列方式，如图示：的排列方式，如图示：无序状态；无序状态；短程有序（短程有序（SRO SRO）；）；长程有序（长程有序（LRO LRO）；）；液晶（液晶（LCs LCs）。）。第 18 页/共 62 页第十九页，共63 页。n n 无序状态 无序状态n n 单原子气体如氩气或者荧光灯管中的 单原子气体如氩气或者荧光灯管中的n n

28、 等离子体，其原子或者离子呈现无序排列 等离子体，其原子或者离子呈现无序排列n n 状态，这些材料可以在其空间任意充填。状态，这些材料可以在其空间任意充填。n n 短程有序（短程有序（SRO SRO）n n 如果原子的特殊排列只能扩展到原子的最近邻，那么这种材料则呈现短程有 如果原子的特殊排列只能扩展到原子的最近邻，那么这种材料则呈现短程有序 序n n 状态。蒸汽中的每个水分子，其氧原子和氢原子间采用共价键结合，所以水蒸 状态。蒸汽中的每个水分子，其氧原子和氢原子间采用共价键结合，所以水蒸气呈 气呈n n 现短程有序，也就是说，每个氧原子与两个氢原子键合，其键夹角为 现短程有序，也就是说，每个

29、氧原子与两个氢原子键合，其键夹角为104.5 104.5。而。而n n 蒸汽中的水分子间的排列则是无序的。蒸汽中的水分子间的排列则是无序的。n n 相类似的例子还有无机玻璃，其四面体结构中每个 相类似的例子还有无机玻璃，其四面体结构中每个Si Si 离子和 离子和4 4 个 个O O 离子键合 离子键合成 成n n 四面体，如图 四面体，如图3-2 3-2。而这些。而这些 四面体的排列没有周期性。四面体的排列没有周期性。n n 相反，在石英或者其它硅晶体 相反，在石英或者其它硅晶体(jngt(jngt)中，中，四面体的排列具有周期 四面体的排列具有周期性。性。n n 许多高聚物也像硅玻璃一样呈

30、现原子的短程有序排列。许多高聚物也像硅玻璃一样呈现原子的短程有序排列。第 19 页/共 62 页第二十页，共63 页。n n 长程有序（长程有序（LRO LRO）n n 大多数金属和合金 大多数金属和合金(hjn)(hjn)、半导体、陶瓷、以及一些高聚物是晶体结构，其原子或者、半导体、陶瓷、以及一些高聚物是晶体结构，其原子或者n n 离子呈现长程有序。这种特定的长程有序排列的扩展尺度一般 离子呈现长程有序。这种特定的长程有序排列的扩展尺度一般100nm 100nm。这些材料。这些材料n n 中的原子或者离子在三维方 中的原子或者离子在三维方n n 向形成一种规则的、重复的、向形成一种规则的、重

31、复的、n n 格状的形式。我们把这种材 格状的形式。我们把这种材n n 料叫做晶体材料。料叫做晶体材料。n n 如果一种晶体材料仅由 如果一种晶体材料仅由n n 一个大的晶体组成，则称其 一个大的晶体组成，则称其n n 为单晶材料。单晶材料在光 为单晶材料。单晶材料在光n n 学和电子方面有许多用途。学和电子方面有许多用途。n n 如计算机芯片就是由硅单晶制造的，如图 如计算机芯片就是由硅单晶制造的，如图3-3(a)3-3(a)。第 20 页/共 62 页第二十一页，共63 页。多晶材料由具有不同空间位相的小晶体组成。这些小晶体就叫做晶粒。多晶材 多晶材料由具有不同空间位相的小晶体组成。这些小

32、晶体就叫做晶粒。多晶材料近似相当于一些微小单晶的汇合。这些微晶之间的边界，就叫做晶界，晶界上的 料近似相当于一些微小单晶的汇合。这些微晶之间的边界，就叫做晶界，晶界上的晶体排列不规则。下图是多晶不锈钢材料的显微组织。晶体排列不规则。下图是多晶不锈钢材料的显微组织。大多数工程材料都是多晶材料，大多数工程材料都是多晶材料，如建筑钢、航天飞机 如建筑钢、航天飞机(hngtinfij)(hngtinfij)中的铝合金等。中的铝合金等。多晶材料的许多特性都取决于晶粒 多晶材料的许多特性都取决于晶粒和晶界的物理和化学特性。而单晶 和晶界的物理和化学特性。而单晶材料的特性则取决于化学成分和单 材料的特性则取

33、决于化学成分和单晶的结晶取向。晶的结晶取向。晶体材料中的长程有序可以通 晶体材料中的长程有序可以通过 过X X 射线衍射或者电子衍射来测定。射线衍射或者电子衍射来测定。第 21 页/共 62 页第二十二页，共63 页。n n 液晶（液晶（LCs)LCs)n n 液晶是具有特定序的聚合物材料，在一种状态时可以表现为非晶态 液晶是具有特定序的聚合物材料，在一种状态时可以表现为非晶态(类似于液 类似于液n n 体 体)，当接受外界刺激，当接受外界刺激(如一种电场或者温度变化 如一种电场或者温度变化)时，一些高聚物分子会变得规则排 时，一些高聚物分子会变得规则排n n 列，形成小区域的晶态。列，形成小

34、区域的晶态。n n 液晶电视：在两张玻璃间的液晶内，加入电压，通过分子排列 液晶电视：在两张玻璃间的液晶内，加入电压，通过分子排列(pili)(pili)及曲折变 及曲折变化再现 化再现n n 画面，屏幕通过电子群的冲撞，制造画面并通过外部光线的透视反射来形成画面。画面，屏幕通过电子群的冲撞，制造画面并通过外部光线的透视反射来形成画面。n n 玻色 玻色-爱因斯坦凝聚态（爱因斯坦凝聚态（BEC-Bose-Einstein Condensates BEC-Bose-Einstein Condensates）n n 早在 早在1924 1924 年玻色和爱因斯坦就从理论上预言 年玻色和爱因斯坦就从

35、理论上预言n n 存在另一种物质状态：玻色 存在另一种物质状态：玻色-爱因斯坦冷凝态，爱因斯坦冷凝态，n n 即当温度足够低、原子运动速度足够慢时，它们 即当温度足够低、原子运动速度足够慢时，它们n n 将集聚到能量最低的同一量子态。此时所有原子 将集聚到能量最低的同一量子态。此时所有原子n n 具有完全相同的物理性质。它是一种由微观粒子 具有完全相同的物理性质。它是一种由微观粒子n n 的量子性质所产生的宏观现象。在理论提出 的量子性质所产生的宏观现象。在理论提出70 70 年 年n n 之后，之后，2001 2001 年的诺贝尔物理学奖获得者从实验上 年的诺贝尔物理学奖获得者从实验上n n

36、 得以验证。得以验证。第 22 页/共 62 页第二十三页，共63 页。（2 2）固态晶体的晶体结构）固态晶体的晶体结构 固态物质按其原子 固态物质按其原子/离子 离子/分子的聚集状态分为 分子的聚集状态分为(fn wi)(fn wi)两大类：两大类：晶体 晶体和非晶体。和非晶体。原子 原子/离子 离子/分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物 分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体，称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。体，称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。原子 原子/离子 离子/分子在空间无规则排列的物体，称为非晶体。如 分子在空间无规则排列的物体，称为非晶

37、体。如松香、石蜡、玻璃等。松香、石蜡、玻璃等。晶体结构是指晶体中原子 晶体结构是指晶体中原子/离子 离子/分子规则排列的方式。分子规则排列的方式。第 23 页/共 62 页第二十四页，共63 页。n n 晶格 晶格:假设通过金属 假设通过金属(jnsh(jnsh)晶体中原子 晶体中原子/离子平衡位置的中心 离子平衡位置的中心(晶格结点 晶格结点)划出许多空间直 划出许多空间直n n 线，这些直线将形成空间格架，这种假想的格架就是晶格。线，这些直线将形成空间格架，这种假想的格架就是晶格。n n 晶胞 晶胞:把能够反映某一种金属 把能够反映某一种金属(jnsh(jnsh)晶格特征的最小组成单元叫做

38、晶胞。晶胞在三维空 晶格特征的最小组成单元叫做晶胞。晶胞在三维空n n 间的重复排列就会构成晶格，晶胞的基本特性反映了其晶体结构的特点。间的重复排列就会构成晶格，晶胞的基本特性反映了其晶体结构的特点。第 24 页/共 62 页第二十五页，共63 页。n n 阵点坐标系：以晶格内的某一阵点（格点）为坐标原点，沿晶胞的 阵点坐标系：以晶格内的某一阵点（格点）为坐标原点，沿晶胞的3 3 个棱边做作 个棱边做作n n 为坐标轴，建立 为坐标轴，建立(jinl)(jinl)图 图1-1 1-1 所示的顺时针坐标系。晶胞的几何特征表征（晶 所示的顺时针坐标系。晶胞的几何特征表征（晶格参数）用坐 格参数）用

39、坐n n 标系中的三条棱边长 标系中的三条棱边长a,b,c a,b,c 和棱边之间的夹角 和棱边之间的夹角，等六个参数来描述。把 等六个参数来描述。把a,a,b,c b,cn n 叫做晶格常数。各坐标轴以晶格常数为基本测量单位，那么就可以在晶胞中确定 叫做晶格常数。各坐标轴以晶格常数为基本测量单位，那么就可以在晶胞中确定某 某n n 一阵点的位置，如（一阵点的位置，如（0 0，0 0，0 0）阵点、（）阵点、（1/2 1/2，1 1，0 0）阵点。如图）阵点。如图3-11 3-11 示。示。第 25 页/共 62 页第二十六页，共63 页。n n 晶向：通过晶体中原子中心的直线为原子列，其所代

40、表的方向就叫晶 晶向：通过晶体中原子中心的直线为原子列，其所代表的方向就叫晶n n 向。可以采用米勒指数 向。可以采用米勒指数(晶向指数 晶向指数)法表示。以图 法表示。以图3-12 3-12 中晶向 中晶向C C 为例，说明 为例，说明(shumng)(shumng)晶 晶n n 向的确定：向的确定：1 1）确定晶向上的两个坐标点（如晶向）确定晶向上的两个坐标点（如晶向C:0,0,1 C:0,0,1 和 和1/2,1,0 1/2,1,0）；）；n n 2 2）用）用“头点 头点”坐标减去 坐标减去“尾点 尾点”坐标 坐标(如：如：0,0,1-1/2,1,0=-1/2,-1,1)0,0,1-1

41、/2,1,0=-1/2,-1,1)；n n 3 3）将结果化为最小整数（如：）将结果化为最小整数（如：2(=-1/2,-1,1)=(-1,-2,2)2(=-1/2,-1,1)=(-1,-2,2)；n n 4 4）用方括弧括起来，这就是该晶向的晶向指数（如：）用方括弧括起来，这就是该晶向的晶向指数（如：）。）。第 26 页/共 62 页第二十七页，共63 页。注意 注意(zh y)(zh y)：晶向是矢量，晶向和其负方向不一样，如：晶向是矢量，晶向和其负方向不一样，如100 100 和 和 不一样。不一样。一个晶向和其倍数是一样的，如 一个晶向和其倍数是一样的，如100 100 和 和200 2

42、00 就一样。就一样。一个晶向族内的晶向是等价的，如表 一个晶向族内的晶向是等价的，如表3-3 3-3 所列的 所列的。第 27 页/共 62 页第二十八页，共63 页。晶向常用来表示一种单晶体或者一定取向多晶体材料的特 晶向常用来表示一种单晶体或者一定取向多晶体材料的特定位 定位(dngwi)(dngwi)向。在工程实际中，如何描述晶向十分有用。向。在工程实际中，如何描述晶向十分有用。例如，金属材料会沿着其原子最密排方向更容易变形。又 例如，金属材料会沿着其原子最密排方向更容易变形。又如，铁及其它磁性材料在 如，铁及其它磁性材料在100 100 方向要比 方向要比111 111 或者 或者1

43、10 110 方向更 方向更易磁化。这就是为什么 易磁化。这就是为什么Fe-Si Fe-Si 合金在用作变压器铁芯时要取向 合金在用作变压器铁芯时要取向100 100 晶向或其等价晶向的原因。晶向或其等价晶向的原因。对于用作记录介质的磁性材料，就必须使其晶粒沿着特定 对于用作记录介质的磁性材料，就必须使其晶粒沿着特定的晶向排列，这样才能确保储存信息不会轻易抹去。相似的情 的晶向排列，这样才能确保储存信息不会轻易抹去。相似的情况是用于涡轮发动机叶片的晶体材料应使其沿着特定的晶向生 况是用于涡轮发动机叶片的晶体材料应使其沿着特定的晶向生长，以获得优良的机械性能。长，以获得优良的机械性能。第 28

44、页/共 62 页第二十九页，共63 页。n n 晶面：通过晶体中原子中心的平面叫作晶面。晶面采用米勒指数法进行 晶面：通过晶体中原子中心的平面叫作晶面。晶面采用米勒指数法进行n n 标定，以 标定，以C C 面为例，其标定程序如图所示：面为例，其标定程序如图所示：n n 1 1）以晶格）以晶格(jn(jn)常数为长度单位，写出标定晶面在三条坐标轴上的截距，常数为长度单位，写出标定晶面在三条坐标轴上的截距，C Cn n 面截距：面截距：x=x=,y=-1,z=,y=-1,z=；2 2）截距取倒数，）截距取倒数，1/x=0,1/y=-1,1/z=0 1/x=0,1/y=-1,1/z=0；3 3）截

45、）截n n 距的倒数化为最小整数；距的倒数化为最小整数；4 4）将其放在圆括弧内，）将其放在圆括弧内，C C 的晶面指数为 的晶面指数为。n n 金属易于沿原子最密排面发生变形。对于晶体生长，在电子材料如 金属易于沿原子最密排面发生变形。对于晶体生长，在电子材料如Si Sin n 或 或GaAs GaAs 薄膜生长时，就需要保证衬底定位在薄膜能够生长的特定晶面上。薄膜生长时，就需要保证衬底定位在薄膜能够生长的特定晶面上。第 29 页/共 62 页第三十页，共63 页。几点注意：几点注意：1 1）晶面和其负晶面是一样的，如）晶面和其负晶面是一样的，如。这和晶向情况。这和晶向情况(qngkung)

46、(qngkung)不同。不同。2 2）晶面指数和其倍数的晶面指数不同，如图）晶面指数和其倍数的晶面指数不同，如图3-16 3-16 所示。所示。3 3）在晶胞中，存在原子排列相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面）在晶胞中，存在原子排列相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族，用大括弧表示。如 总称为晶面族，用大括弧表示。如110=110=（110 110）+（101 101）+（011 011）+。4 4）立方晶系中，晶向指数和晶面指数相同表示该晶向和该晶面垂直。）立方晶系中，晶向指数和晶面指数相同表示该晶向和该晶面垂直。第 30 页/共 62 页第三十一页，共

47、63 页。n n 六方晶系的米勒指数 六方晶系的米勒指数n n 由于六方晶胞独特的对称性，采用 由于六方晶胞独特的对称性，采用Miller-Bravais Miller-Bravais 指数法 指数法(四指数法 四指数法)更方便。水 更方便。水n n 平坐标轴选取 平坐标轴选取(xunq)(xunq)互相成 互相成120 120 夹角的三坐标轴 夹角的三坐标轴a1,a2,a3 a1,a2,a3，垂直轴为，垂直轴为c c 轴，如图示。轴，如图示。晶 晶n n 面表示为（面表示为（hkil)hkil)；晶向表示为；晶向表示为uvtw uvtw。四指数中的前三个之间应保持如下关系：。四指数中的前三个

48、之间应保持如下关系：n n i=-(h+k),t=-(u+v)i=-(h+k),t=-(u+v)。求法示例：。求法示例：A A 晶面指数：晶面指数：1 1）a1=a2=a3=a1=a2=a3=，c=1 c=1；2 2）n n 1/a1=1/a2=1/a3=0 1/a1=1/a2=1/a3=0；3 3）化为最小整数；）化为最小整数；4 4）（）（0001 0001）。）。n n D D 晶向指数：晶向指数：1 1）头点和尾点：）头点和尾点：0,1,0 0,1,0 和 和1,0,0 1,0,0；2 2）头点减尾点）头点减尾点:(0,1,0)(1,0,0):(0,1,0)(1,0,0)n n=(-1

49、,1,0)=(-1,1,0)；3 3）化为最小整数；）化为最小整数；4 4）。第 31 页/共 62 页第三十二页，共63 页。晶胞原子数：指每个晶格阵点上的原子数和每个晶胞的晶格数的乘积。当计算 晶胞原子数：指每个晶格阵点上的原子数和每个晶胞的晶格数的乘积。当计算每个晶胞的晶格阵点数时，必须注意每个晶格阵点可能被不止一个 每个晶胞的晶格阵点数时，必须注意每个晶格阵点可能被不止一个(y(y)晶胞拥有，如立 晶胞拥有，如立方晶胞中每个角上的晶格阵点同时还为周围相邻的 方晶胞中每个角上的晶格阵点同时还为周围相邻的7 7 个晶胞所拥有，因此只有 个晶胞所拥有，因此只有1/8 1/8 的 的晶格点属于

50、该晶胞。对于简单立方、体心立方、面心立方晶格来说，其晶胞原子数 晶格点属于该晶胞。对于简单立方、体心立方、面心立方晶格来说，其晶胞原子数分别为 分别为1 1、2 2、4 4。如图。如图3-7 3-7 所示。所示。第 32 页/共 62 页第三十三页，共63 页。n n 原子半径：晶胞中原子连续接触 原子半径：晶胞中原子连续接触(jich)(jich)的方向就是原子的密排方向。的方向就是原子的密排方向。而原子的 而原子的n n 半径则是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，也就是晶 半径则是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，也就是晶胞中 胞中n n 原子密度最大的方向上相邻两原子