《固体物理_1.1-1.2_晶体的宏观特征-空间点阵》由会员分享，可在线阅读，更多相关《固体物理_1.1-1.2_晶体的宏观特征-空间点阵（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、固体物理固体物理白一鸣 Tel: 6177455 Email: 第一章第一章 晶体结构晶体结构1.1 晶体的周期结构晶体的周期结构1.3 典型的晶体结构典型的晶体结构1.4 密勒指数密勒指数1.2 十四种布喇菲格子和七大晶系十四种布喇菲格子和七大晶系1.5 晶体的对称性晶体的对称性2.2 晶体的倒格子和布里渊区晶体的倒格子和布里渊区1.1 晶体的周期结构固体固体晶体晶体: :原子按一定的周期排列规则的固原子按一定的周期排列规则的固体（体（长程有序：至少在微米量级长程有序：至少在微米量级的范围内原子排列具有周期性的范围内原子排列具有周期性）。）。非晶体非晶体: :不具有长程序的特点不具有长程序的
2、特点, ,短程有序。短程有序。准晶体准晶体: :有长程取向性，而没有长程的平移对称性。有长程取向性，而没有长程的平移对称性。单晶体单晶体多晶体多晶体一、固体分类一、固体分类( (按结构按结构) )单晶材料原子排布单晶材料原子排布多晶材料原子排布多晶材料原子排布非晶材料原子排布非晶材料原子排布(a)(a)晶体结构的规则网格晶体结构的规则网格非晶体中原子排列不具有长程的周期性非晶体中原子排列不具有长程的周期性，但基本保留了原但基本保留了原子排列的短程序子排列的短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离距离( (键长键长) )、近邻原子配置的几何方位、近
3、邻原子配置的几何方位( (键角键角) )都与晶体相近。都与晶体相近。(b)(b)非晶体结构的无规则网格非晶体结构的无规则网格一、固体分类一、固体分类( (按结构按结构) )1.1 晶体的周期结构准晶体准晶体:一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有长程的取向序，但一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有长程的取向序，但没有长程的平移对称序，可以用彭罗斯拼图没有长程的平移对称序，可以用彭罗斯拼图 (Penrose)拼接图案显示拼接图案显示其结构特点。其结构特点。( (c)Penrose)Penrose拼接图案拼接图案(c)二维空间的二维空间的PenrosePenrose拼接图案拼接图案（由两种四由两种四
4、边形拼接出具有五次对称的几何图案，能边形拼接出具有五次对称的几何图案，能够无缝隙无交叠地排满二维平面。）两个够无缝隙无交叠地排满二维平面。）两个四边形的内角分别为：四边形的内角分别为：3636、7272，3636和和216216度；度；7272、7272、144144和和7272度。这种拼图没有度。这种拼图没有平移对称性，但是具有长程的有序结构，平移对称性，但是具有长程的有序结构，并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。并且具有晶体所不允许的五次旋转对称性。以色列丹尼尔-谢赫特曼因发现准晶体获得2011年诺贝尔化学奖1.1 晶体的周期结构2、晶体的分类晶晶体体按晶胞分立方晶系立方晶系六角晶系六角
5、晶系四角晶系四角晶系三角晶系三角晶系正交晶系正交晶系单斜晶系单斜晶系三斜晶系三斜晶系按对称性分立方体立方体六方体六方体按功能分导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体磁介质磁介质电介质电介质超导体超导体按结合方式分分子晶体分子晶体离子晶体离子晶体共价晶体共价晶体金属晶体金属晶体氢键晶体氢键晶体1.1 晶体的周期结构晶体所具有的自发地形成封晶体所具有的自发地形成封闭凸多面体的能力称为自限性。闭凸多面体的能力称为自限性。（2 2）晶体的解理性）晶体的解理性当晶体受到敲打、撞击等外界作当晶体受到敲打、撞击等外界作用时用时, ,晶体沿某些确定方位的晶晶体沿某些确定方位的晶面劈裂的性质，称为晶体的解理面劈裂的性
6、质，称为晶体的解理性，这样的晶面称为性，这样的晶面称为解理面解理面。1ab cd2三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性（1 1）自限性）自限性: :1.1 晶体的周期结构晶面的交线称为晶面的交线称为晶棱晶棱。互相。互相平行的晶棱的共同方向称为该晶平行的晶棱的共同方向称为该晶带的带的带轴带轴。所有平行于同一直线的晶面所有平行于同一直线的晶面称为称为晶带晶带，此直线称为该晶带的，此直线称为该晶带的带轴。带轴。晶轴晶轴是重要的带轴。如右是重要的带轴。如右图中图中OO 。1abcd2三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性1.1 晶体的周期结构（3 3）晶面角守恒定律）晶面角守恒定律生长条件不同，同一品种
7、的晶体，其外形是不一样的。即生长条件不同，同一品种的晶体，其外形是不一样的。即外界条件能使某一组晶面相对的变小或者完全隐没。但是外界条件能使某一组晶面相对的变小或者完全隐没。但是属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。属于同一品种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变。石英晶体：石英晶体：a、b 间夹角总是间夹角总是141 47 ； a、c 间夹角总是间夹角总是113 08 ； b、c 间夹角总是间夹角总是120 00 。三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性1.1 晶体的周期结构（4 4）晶体的各向异性）晶体的各向异性在不同方向上，晶体的物理性质不同。在不同方向上，晶体的物理性质不同。
8、OO1O ClAC1A*AB）面示意图晶体结构（ 100NaCl由右图可以看出，在不同的方向上晶由右图可以看出，在不同的方向上晶体中原子排列情况不同，故其性质不同。体中原子排列情况不同，故其性质不同。（5 5）晶体的均匀性）晶体的均匀性晶体中任意两点晶体中任意两点( (在同一方向上在同一方向上) )的的物理性质相同。物理性质相同。三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性1.1 晶体的周期结构（6 6）晶体的对称性）晶体的对称性: :晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性晶体在某几个特定方向上可以异向同性，这种相同的性质在不同的方向上有规律地重复出现，称为质在不同的方向上有规律地重复出现，
9、称为晶体的对称性晶体的对称性。（7 7）晶体固定的熔点）晶体固定的熔点: :给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始给某种晶体加热，当加热到某一特定温度时，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才熔化，且在熔化过程中保持不变，直到晶体全部熔化，温度才开始上升，即晶体有固定的熔点。开始上升，即晶体有固定的熔点。三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性1.1 晶体的周期结构晶体为什么具有这些宏观特性呢晶体为什么具有这些宏观特性呢? ?晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的定的, ,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。即晶体的宏观
10、特性是微观特性的反映。自限性自限性、解理性解理性、晶面角守恒晶面角守恒、晶体的各向异性晶体的各向异性、晶体、晶体的均匀性、晶体的对称性、的均匀性、晶体的对称性、固定的熔点固定的熔点。三、晶体的宏观特性三、晶体的宏观特性1.1 晶体的周期结构 十八世纪，阿羽依认为方解石晶体是由一些坚实的、相十八世纪，阿羽依认为方解石晶体是由一些坚实的、相同的、平行六面形的小同的、平行六面形的小“基石基石”有规则地重复堆集而成有规则地重复堆集而成的；的；问题：实心的问题：实心的“基石基石”, ,毫无空隙？毫无空隙？ 十九世纪中叶，十九世纪中叶，布喇菲发展了空布喇菲发展了空间点阵学说间点阵学说，概括了晶格周期性，概
11、括了晶格周期性的特征。的特征。空间点阵学说认为：晶空间点阵学说认为：晶体的内部结构可以概括为是由一体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作些相同的点子在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点子的周期性的无限分布，这些点子的总体称为点阵。总体称为点阵。1.1 晶体的周期结构四、 空间点阵 空间点阵学说认为：晶体的内部结构可以概括为是空间点阵学说认为：晶体的内部结构可以概括为是由一些由一些相同的点子在空间有规则地作周期性的无限分布相同的点子在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点，这些点子的总体称为点阵。子的总体称为点阵。点子：代表了晶点子：代表了晶体结构中相同体结构中相同的位置，
12、称之的位置，称之为：结点。为：结点。强调了晶体结构强调了晶体结构的周期性的周期性1.1 晶体的周期结构(b)(c)(a)( (a) )、( (b) )、( (c) )为二维晶体结构示意图，它们有何异同为二维晶体结构示意图，它们有何异同?为讨论晶体的周期性为讨论晶体的周期性, 假设晶体是无限的假设晶体是无限的.四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构（1）基元：）基元：晶体中晶体中的的基本结构单元基本结构单元。基元是晶体结构中基元是晶体结构中最小的重复单元的重复单元。( (b) )( (c) )( (a) )任何两个基元中相应原子周围的情况是相同的，而每一个任何两个基元中相应原子周围的情况
13、是相同的，而每一个基元中不同原子周围情况则不相同基元中不同原子周围情况则不相同。四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构（2）结点：）结点：晶格中的点子代表着晶体结构中相同的位置，晶格中的点子代表着晶体结构中相同的位置，称为称为结点结点。这是一种数学上的抽象。这是一种数学上的抽象。一个结点代表一个基元，它可以代表基元重心的位置，也，它可以代表基元重心的位置，也 可以代表基元中任意的点子。可以代表基元中任意的点子。(b)(a)结点在空间周期性排列的总体，称之为点阵。四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构（3 3）晶格：）晶格：通过点阵中的通过点阵中的格点，可以作许多平行的直线格点，
14、可以作许多平行的直线族和平行的晶面组，这样，点族和平行的晶面组，这样，点阵就成为一些网格，成为晶格阵就成为一些网格，成为晶格( (或者说点阵连成的网格称为或者说点阵连成的网格称为晶晶格格) )。晶格是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的晶格是晶体结构周期性的数学抽象，它忽略了晶体结构的具体内容，保留了晶体结构的周期性。具体内容，保留了晶体结构的周期性。四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构把基元以相同的方式放置在每个格点上，就得到实际的晶体结构。晶体结构晶格基元四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构点阵学说概括了晶体结构的周期性点阵学说概括了晶体结构的周期性整个晶体的结
15、构，可以看作是由基元沿空间三个不同的方整个晶体的结构，可以看作是由基元沿空间三个不同的方向，各按照一定的距离周期性地平移而构成。向，各按照一定的距离周期性地平移而构成。每一平移距离称每一平移距离称为周期。为周期。因此，在一定的方向有着一定的周期；不同方向上的因此，在一定的方向有着一定的周期；不同方向上的周期一般不同。周期一般不同。四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的点子在空间有规则地作周期性的无限分布，这些点子的总体称为布拉菲规则地作周期性的无限分布，这些点子的总体称为布拉菲点阵或者为点阵或者为布
16、喇菲格子布喇菲格子。布喇菲格子复式格子（两种布拉菲格子套构而成）四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构（2）简单格子和复式格子）简单格子和复式格子简单简单格子格子：如果晶体由完全相同的：如果晶体由完全相同的一种原子组成，且每个原子周围的情况一种原子组成，且每个原子周围的情况完全相同，则这种原子所组成的网格称完全相同，则这种原子所组成的网格称为简单晶格为简单晶格。复式晶格复式晶格：如果晶体由两种或两种：如果晶体由两种或两种以上原子以上原子（并不仅仅是化学元素的不（并不仅仅是化学元素的不同）同）组成，同种原子各构成和格点相组成，同种原子各构成和格点相同的网格，称为同的网格，称为子晶格子晶格，它们相对位，它们相对位移而形成移而形成复式晶格复式晶格。简单格子简单格子复式格子复式格子四、空间点阵四、空间点阵1.1 晶体的周期结构复式格子：复式格子：金
