《第三章晶体结构与晶体中的缺陷2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章晶体结构与晶体中的缺陷2（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无机材料科学基础（二）,安徽建筑大学无机非金属材料系,第3章 晶体结构与晶体中的缺陷,Chapter 3 Crystal Structure & Crystal Defects,3.1 典型晶体结构类型 3.1 Typical Crystal structure,3.2 硅酸盐晶体结构 3.2 Crystal Structure of Silicates,3.3 晶体结构缺陷 3.3 Structure Defects of Crystal,3.1 典型晶体结构类型,3.1 Typical Crystal structure,一、晶体结构的表示方法,1、用坐标系的方法,给出单位晶胞中各个质点的
2、空间坐标（以立方ZnS晶胞为例）,S2-：000，01/21/2，1/201/2，1/21/20； Zn2+：1/41/43/4，1/43/41/4，3/41/4/1/4，3/43/43/4。,图中数字为标高，是以投影方向的棱长为100（或1，或1000），则0为晶胞底面位置，50为晶胞的1/2标高，25和75分别是晶胞的1/4和3/4标高。,这种方法描述晶体结构是最规范的，但对于复杂的晶体结构此法不方便，往往采用投影图。如图（b）是立方ZnS晶胞的投影图，相当于（a）图的俯视图。,、球体堆积方法,如立方ZnS结构用S2-离子作面心密堆积，Zn2+离子填充在半数四面体空隙中来描述。,对于金属晶
3、体和一些离子晶体的结构描述很有用。金属离子往往按紧密堆积排列，离子晶体中的阴离子也常按紧密堆积排列，而阳离子处于空隙之中。,、以配位多面体及其连接方式描述晶体结构,如图C,二、典型晶体结构类型,、金刚石,金刚石的晶体结构：立方晶系、立方面心格子。碳原子位于立方面心的所有结点位置和交替分布在立方体内的四个小立方体的中心。 C的配位数为4,、石墨,晶体结构为六方晶系，碳原子成层状排列，同一层内的碳原子之间是共价键，而层之间的碳原子则以分子键相连。层外多余的一个电子可以在层内部移动，因而，在平行于碳原子层的方向具有良好的导电性。,碳纳米管,碳纳米管可视为由石墨片按不同方向卷曲而成，由单层石墨片卷曲而
4、成的称为单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes，简称SWNTs)，由多层石墨片卷曲而成的称为多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes，简称MWNTs)单壁碳纳米管比较细，其直径大多在数纳米左右；多壁碳纳米管由几层到几十层的同心管套叠而成.,碳纳米管,碳纳米管,石墨烯,C60,类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体结构型式发生质变的现象称为类质同晶。如方解石CaCO3与菱镁矿MgCO3中Ca2+与Mg
5、2+混晶。,同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的现象，称为同质多晶现象。如金刚石和石墨。,、NaCl型结构,C1离子按立方紧密堆积和Na+离子处于全部八面体空隙之中。,Cl:000，1/21/20，1/201/2，01/21/2 Na+：1/21/21/2，001/2，1/200，01/20，,晶体结构为立方晶系、立方面心格子。 配位数都为6 ，Z4,、CsCl型结构,Cs+离子的配位数是8，同样，C1离子的配位数也是8。 C1-：000， Cs+：1/21/21/2 。,氯化铯晶体结构为立方晶系，立方原始格子，Cl离子处于立方原始格子的八个角顶上，Cs+位
6、于立方体中心。,、-ZnS(闪锌矿)型结构,闪锌矿晶体结构为立方晶系，立方面心格子，S2离子位于立方面心的结点位置，而Zn2+离子交错地分布于立方体内的18小立方体的中心。,、-ZnS(纤锌矿)型结构,S2-:0002/31/31/2； Zn2+:00u,2/31/3(u-1/2.其中u0.875 。 图是六方ZnS的晶胞，Zn2+离子的配位数为4，S2-离子的配位数也是4。,纤锌矿晶体结构为六方晶系，S2按六方紧密堆积排列，Zn2+填于1/2四面体空隙中。,、CaF2：(萤石)型结构,Ca2+：000，1/21/20，1/201/2，01/21/2； F：1/41/41/4，3/43/41/
7、4，3/41/43/4，1/43/43/4，3/43/43/4，1/41/43/4，1/43/41/4，3/41/41/4。,萤石晶体结构为立方晶系，Ca2+位于立方面心的结点位置上，F则位于立方体内八个小立方体的中心。 Ca2+的配位数为8，而F的配位数是4。,、CaF2：(萤石)型结构,、CaF2：(萤石)型结构,从配位多面体的角度看， Ca2+离子处于八个F离子包围之中，形成CaF立方体，配位立方体之间共棱连接形成整个萤石结构.,、CaF2：(萤石)型结构,反萤石结构：,结构与萤石完全相同，只是阴、阳离子的位置完全互换，如：Li2O、Na2O、K2O。,、TiO2：(金红石)型结构,Ti
8、4+:000，1/21/21/2；()2-:uu0，(1-u)(1-u)0，(1/2+u)(1/2-u)1/2， (1/2-u)( 1/2+u)1/2。其中u0.31。 Ti4+离子的配位数是6，O2-的配位数是3。,金红石结构为四方晶系，Z2。金红石为四方原始格子,Ti4+离子位于四方原始格子的结点位置，体中心的Ti4+离子不属于这个四方原始格子，而自成另一套四方原始格子02-离子处在上下C=1/2处的四方形的对角线上 。,Ti4+：000，1/21/21/2； ()2：uu0，(1一u)(1一u)0，(1/2+u)( 1/2-u)1/2， (1/2-u)( 1/2+u)1/2。其中uo31
9、。 Ti4+离子的配位数是6，O2的配位数是3。,如果以TiO八面体的排列看，金红石结构由TiO八面体以共棱的方式排成链状，晶胞中心的链和四角的TiO八面体链的排列方向相差90，链与链之间是TiO八面体以共顶相连。,O2离子看成近似于六方紧密堆积，而Ti4+离子位于12的八面体空隙之中。,、CdI2(碘化镉)型结构,Cd2+：000； I-：2/31/3u，1/32/3（u-1/2），其中uo75。 Cd2+占有六方原始格子的结点位置，I离子交叉分布于三个Cd2+离子的三角形中心的上、下方。Cd2+的配位数是6；I离子的配位数是3。,CdI晶体结构属于三方晶系，z1。,10、-A1203，(刚
10、玉)型结构,O2离子按六方紧密堆积排列，而A13+填充于23的八面体空隙.,刚玉晶体结构属三方晶系，菱面体格子，Z2。如果用六方大晶胞表示，则 Z6。,由于只充填了23的空隙，因此，Al3+离子的分布必须是在同一层和层与层之间，A13+离子之间的距离应保持最远。,-A1203，(刚玉)型结构,下图给出了Al3+离子分布的三种形式。A13+离子在()2离子的八面体空隙中，只有按AlD，AlE，A1F这样的次序排列才满足A13+离子之间的距离最远的条件。,在六方晶胞中应该排几层才能重复。设按六方紧密堆积排列的O2离子分别为OA(表示第一层)，()B(表示第二层)，则-A1203中氧与铝的排列次序可
11、写成：OAAlDOBAlEOAAlFOBAlDOAAlEOBAlFOAAlD 从排列次序看，只有当排列第十三层时才出现重复。,11、CaTiO3(钙钛矿)型结构,钙钛矿结构的通式为ABO3，其中A代表二价金属离子，B代表四价金属离子。它是一种复合氧化物结构，这种结构也可以是A为一价金属离子，而B为五价金属离子。,以CaTi03为例讨论其结构。CaTiO3在高温时为立方晶系，Z1。600以下为正交晶系，Z4。,Ca2+离子占有立方面心的角顶位置，O2离子则占有立方面心的面心位置。因此，CaTiO3结构可看成由O2和半径较大的Ca2+离子共同组成立方紧密堆积，Ti4+离子充填于l4的八面体空隙之中
12、。图中Ti4+离子位于立方体的中心，Ti4+离子的配位数为6，Ca2+离子的配位数为12。,CaTiO3(钙钛矿)型结构,钙钛矿型结构在高温时属于立方晶系，在降温时，通过某个特定温度后将产生结构的畸变使立方晶格的对称性下降。如果在一个轴向发生畸变(c轴略伸长或缩短)，就由立方晶系变为四方晶系；如果在两个轴向发生畸变，就变为正交晶系；若不在轴向而是在体对角线111方向发生畸变，就成为三方晶系菱面体格子。这三种畸变，在不同组成的钙钛矿结构中都可能存在。由于这种畸变，使一些钙钛矿结构的晶体产生自发偶极矩，成为铁电和反铁电体。从而具有介电和压电性能，并得到了广泛的应用。,12、MgAl204(尖晶石)
13、型结构,Z=8即Mg8Al16O32，Mg2+占641/8=8个四面体空隙。Al3+占321/2=16个八面体空隙。,尖晶石晶体结构属于立方晶系Fd3m空间群，Z=8。O2-按立方密堆积排列，二价阳离子A填充于1/8的四面体空隙，三价阳离子 B填充于1/2的八面体空隙中。,Z=8即Mg8Al16O32，Mg2+占641/8=8个四面体空隙。Al3+占321/2=16个八面体空隙。,反型尖晶石：二价阳子分布在八面体空隙中，而三价阳离子一半在四面体空隙中，另一半在八面体空隙中的尖晶石。,正型尖晶石：二价阳离子分布在18四面体空隙中，三价阳离子分布在l2八面体空隙的尖晶石。,3.2 硅酸盐晶体结构,
14、3.2 Crystal Structure of Silicates,一、硅酸盐晶体的组成表示、结构特点及分类,1、氧化物表示法:将构成硅酸盐晶体的所有氧化物按一定的比例和顺序全部写出来，先是一价的金属氧化物，其次是2价、3价的金属氧化物，最后是氧化硅SiO2 .如钾长石的化学式写为K2OAl2O36SiO2.,2、无机络盐表示法:将构成硅酸盐晶体的所有离子按一定的比例和顺序全部写出来，再把相关的络阴离子用括号 括起来即可。先是1价、2价的金属离子，其次是Al3+和Si4+离子，最后是O2-或OH-离子。如钾长石为KAlSi3O8,（一）硅酸盐晶体的组成表示,一、硅酸盐晶体的组成表示、结构特点
15、 及分类,1、在硅酸盐晶体结构中不存在Si-Si键，而是Si-O-Si或Si-O-M-O-Si键；,2、SiO4四面体是硅酸盐晶体结构的基础，Si4+位于四面体中心，O2-位于四面体角顶；,3、SiO4四面体孤立存在或共顶相连，但不共棱、共面相连，且结构中只有一种阴离子团；,4、常发生同晶取代。,（二）硅酸盐晶体的结构特点,硅酸盐虽然种类繁多，但是，可以根据结构中硅氧四面体的连接方式分成岛状、组群状、链状、层状和架状五种。表25列出了它们在结构和组成上的一些特征。,（三）硅酸盐晶体的分类,二、硅酸盐晶体结构,1、岛状结构,所谓岛状结构硅酸盐晶体是指结构中的硅氧四面体以孤立状态存在。硅氧四面体之
16、间没有共用的氧。硅氧四面体中的氧离子，除了和硅离子相连外，剩下的一价将与其它金属阳离子相连。,岛状结构,氧离子近似于六方紧密堆积，硅离子充填于四面体空隙，镁离子充填于八面体空隙。,镁橄榄石的化学式为Mg2SiO4，其晶体结构属于正交晶系,Z4。,硅氧四面体是孤立的，硅氧四面体之间是由镁离子按镁氧八面体的方式相连的。每一个O2-离子和三个Mg2+离子以及一个Si4+离子相连，电价是平衡的。,C3S（Ca3SiO5）的结构：Ca2+的配位数为6，但5个O2-在一侧，另一个O2-在一侧。,-Ca2SiO4的结构：它属于单斜晶系，其中Ca2+的配位数有8和6两种，而不是全部为6。,水泥熟料中-Ca2SiO4的结构:镁橄榄石结构中的Mg2+离子位置换成Ca2+离子就是。,2、组群状结构,结构特点： 硅氧四面体以两个、三个、四个或六个，通过共用氧相连成硅氧四面体群体，这些群体之间由其
