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1、一概述1.材料是人类社会所能接受的、可经济地制造有用物品的物质。材料性能关系到材料的应用材料含义在于应用，材料的什么决定应用的概念和设计，决定了应用的基础综合的性能决定最终产品的形态和应用2.材料研究的核心问题：以材料的结构和性能为研究对象，并重点研究结构与材料性能之间的关系，为材料性能的改进和新材料的开发提供指导。3材料结构层次：原子结构，晶体结构功能材料密切相关；显微结构，微观组织结构材料密切相关；宏观结构复合材料相关；、4材料的电子结构指材料中的电子分布和状态，它不同于单个的分子和原子的电子结构，因为这两者不是长程的完整的材料。它是决定材料晶体结构的主要和本质原因。5. 电子波动反映到原
2、子中，为驻波。6.现代材料结构和性能测量的重要原理和基础：X光衍射和电子显微技术微观结构，磁性分布和能隙空间分布等等，其中大都以微观过程或性能直接体现了量子效应和作用7.量子理论是解决电子结构的惟一工具。是以能量的量子化和波函数概念为核心的，可依照薛定额方程确定的第一性原理分析方法。二、晶体结构1晶体的特征：均匀性；各向异性；自发地形成多面体外形；晶体具有明显确定的熔点；晶体的对称性；晶体对X射线的衍射；2晶体的宏观特性是由晶体内部结构的周期性决定的,即晶体的宏观特性是微观特性的反映。3晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况4晶体与非晶体的最本质差别在于
3、组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（长程序），而非晶体中这些质点除与其最近邻外，基本上无规则地堆积在一起（短程序）。晶体与非晶体之间的主要差别在于它们是否有三维长程点阵结构。5晶体原子或原子团、离子或分子在空间按一定规律呈周期性地排列构成的固体6固体分类(按结构)晶体: 长程有序；非晶体: 不具有长程序的特点,短程有序；准晶体: 有长程取向性，而没有长程的平移对称性。7在晶体中适当选取某些原子作为一个基本结构单元，这个基本结构单元称为基元，基元是晶体结构中最小的重复单元，基元在空间周期性重复排列就形成晶体结构。 晶格+基元=晶体结构8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
4、规则地做周期性无限分布，通过这些点做三组不共面的平行直线族，形成一些网格，称为晶格(或者说这些点在空间周期性排列形成的骨架称为晶格)。9取一格点为顶点，由此点向近邻的三个格点作三个不共面的矢量，以此三个矢量为边作平行六面体即为固体物理学（简称原胞）。10结晶学原胞（简称单胞）构造：使三个基矢的方向尽可能地沿着空间对称轴的方向，它具有明显的对称性和周期性。11维格纳-塞茨原胞构造：以一个格点为原点，作原点与其它格点连接的中垂面(或中垂线)，由这些中垂面(或中垂线)所围成的最小体积(或面积)即为W-S原胞。特点：它是晶体体积的最小重复单元，每个原胞只包含1个格点。其体积与固体物理学原胞体积相同。1
5、2原胞与分类 7大晶系晶系 晶轴 轴间夹角 实例 立方 a = b = c = 900 Cu, NaCl 四方 a = b c = 900 Sn, 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 13晶体或分子是三维空间，其对称操作有对称元素之旋转Cn ，对称元素之反演与反映147大晶系，14个布拉维格子， 230个空
6、间群，8种对称元素，32个晶体学点群15.晶体分类表述方式的差异：7晶系可方便和简单地描述晶体外形，便于讨论晶体周期性的一种表述，14个布拉维格子严格的数学推导的结论和规律，是描述晶格点阵（平移特征）的一种完整表述，230空间群通过对称操作我们可以比较严格地描述一个晶体结构（晶格+基元）的全部对称特征，是对结构的更细致的表述。16通过空间群构造一个晶体结构三大要素：空间群（对称性），原子等效点位置；晶格参数17 通过晶格中任意两个格点连一条直线，任取两格点的连线延伸, 它必然穿过一串格点, 称为晶列，晶列的取向称为晶向，描写晶向的一组数称为晶向指数(或晶列指数)。此外，过这一格点可以有无数晶列
7、。18晶面指数及密勒指数：(1)平行的晶面组成晶面族，晶面族包含所有格点；(2)晶面上格点分布具有周期性；同一晶面族中的每一晶面上，格点分布(情况)相同；(4)同一晶面族中相邻晶面间距相等。19晶面的法线方向与三个坐标轴(基矢)的夹角的余弦之比，等于晶面在三个轴上的截距的倒数之比。20晶面指数(h1h2h3 )表示的意义是：(1)基矢被平行的晶面等间距的分割成h1、h2、h3 等份；(2)以 为各轴的长度单位所求得的晶面在坐标轴上的截距倒数的互质比；(3)晶面的法线与基矢夹角的方向余弦的比值。21用晶体结构研究材料性质：分析结构特征；理论密度计算；几何构型分析；扩散离子迁移通道分析研究；X射线
8、衍射分析；能带结构；22配位数的可能值为：12(密堆积)，8(氯化铯型结构)，6(氯化钠型结构)，4(金刚石型结构)，3(石墨层状结构)，2(链状结构)。23 如果把等体积的硬球放置在晶体结构中原子所在的位置上，球的体积取得尽可能大，以使最近邻的球相切，我们把一个晶胞中被硬球占据的体积和晶胞体积之比称为致密度(堆积比率或最大空间利用率)。24晶体模型的应用：晶体结构的特点分析；晶体的几何形态的研究；晶面指数和晶面分析；晶体衍射和倒空间；第一性原理的能带结构计算；25晶面指数应用：（1）晶面指数一般常用在X光衍射分析中，作为定性和定量分析，并不涉及晶面上原子细节；（2）面的密勒指数相对越大，面间
9、距越小，面上原子的密度一般较稀薄；（3）相反，指数越简单，而且小的，晶面间距相对大，晶面上原子数目越密；三晶体衍射和倒空间1倒格子与正格子之间的数学关系：biaj=2ij =(2,i=j; 0,ij)2正格子和倒格子的关系: 数学上定义为相互倒易基矢的关系；物理上具有Fourier变换的形式关系；倒格子矢量的方向和大小对应晶面法线方向和晶面间距的倒数；因此，正格子和倒格子具有性质上、形式上、本质上的互换关联关系，倒格子更重点表达或描述的是晶体方向性的东西3倒空间格子的具体含义:倒空间的阵点（坐标）=晶面（指数）；与原点连接的方向（基矢量）=晶面法线；与原点距离=2/晶面间距；倒格子描述了很多与
10、晶体方向性相关的东西，保留了空间的对称性4 X射线衍射斑点一般用Ewald反射球的作图方式来分析它的做法是先设立一个1/的反射球，然后球面入射线相对的位置放上倒格子，与反射球相接触的倒空间点阵产生衍射斑点；5 X射线衍射谱与晶体结构关系: 晶体结构的对称性与衍射谱的数量相关；晶体结构常数与衍射峰的衍射角度相关，晶格常数变大，衍射角度变小；峰强弱以及数量与原子类型相关，这是原子相互之间相干作用引起的；6晶体结构如果是带心点阵型式，或存在滑移面和螺旋轴时，往往按衍射方程应该产生的一部分衍射会成群地消失，这种现象称为系统消光7衍射产生的充分必要条件是： 满足布拉格方程： 结构因子不为0，即四晶体结合
11、与化学键1两个或几个自由状态的粒子结合在一起时释放的能量，自由原子结合为分子时放出的能量叫做化学结合能。原子能结合为晶体的根本原因，在于原子结合起来后整个系统具有更低的能量2电子与电子产生排斥作用的原因泡利不相容原理：电子与电子相互作用将电子轨道推向高能量，这是排斥相互作用力的主要来源3惰性气体晶体（单纯原子构成的晶体），范德华力的吸引项分三种力，极性分子与极性分子之间，取向力、诱导力、色散力都存在；极性分子与非极性分子之间，则存在诱导力和色散力；非极性分子与非极性分子之间，则只存在色散力。这三种类型的力的比例大小，决定于相互作用分子的极性和变形性。极性越大，取向力的作用越重要；变形性越大，色
12、散力就越重要；诱导力则与这两种因素都有关。但对大多数分子来说，色散力是主要的。4由正、负离子或正、负离子集团按一定比例组成的晶体称作离子晶体。离子间的相互作用以最简单的（1/r关系）库仑静电作用为主导。5离子键的键能被称作晶格能。晶格能越大，表示离子键越强，晶体越稳定 6共价晶体主要由共价键结合形成的晶体。共价晶体中共价键的方向性和饱和性（相对于离子键）规定了共价晶体中原子间结合的方向和配位数。7化学键用来描述晶体中原子或离子之间的相互作用。如果结合力强，晶体有较高的熔点。如果它们稍弱一些，晶体将有较低的熔点，也可能较易弯曲和变形。如果它们很弱，晶体只能在很低温度下形成，此时原子（分子）可利用
13、的能量不多8三大类材料 金属元素相互组合仍然金属，成为合金；金属与非金属构成最为稳定的陶瓷；以C、H为主的组合构成高分子9晶体结合的现代分析方法：经典的键价理论；分子动力学（原子对势基础）；量子力学电子结构计算：从电子-电子之间的相互作用出发，通过分析电子结构本质特点得到晶体结合特征，以及稳定性的差异10电子结构的研究方法最大的特点和优势：能够得到电子分布的细节，便于了解复杂情况；不需要人为经验参数；可以准确了解原子结构的稳定性，而且还能够推测很多性质11弹性形变指引起形变的力消失或停止后，形变立即消失、点阵中的离子可逆地回到初始的平衡位置的情况。固体的形变不能用质点的位移来表示，只能用质点的
14、相对位移来表示，量度的是单位形变，它等于绝对形变与原始值之比，称应变。应力：是指固体受到外力时，内部产生的抵抗形变的弹性回复力。12弹性对称面：指过物体中的每一个点都有这样的一种平面，相对于该平面的对称方向上，弹性相同。13共价键较强的方向性引起一个较深的势阱，且在最小势能位置处有更尖锐的曲率，因而具有较离子固体更高的弹性模量。14频率波矢关系称作色散关系，弹性波是线性关系五 晶格振动与热学性质1声子就是“晶格振动的简正模能量量子h2研究晶格振动原因：由于原子与原子存在一定的相互作用，对它们的振动规律要受到周期性晶体的影响，因此会产生一定限制，导致相关频率与波长相关性色散关系；除此之外，原子晶
15、格内的振动模式分布特点和规律，也会影响到电学，声学，热学等性质，产生很多的宏观现象和性质。 3离子晶体在某种光波的照射下，光波的电场可以激发这种晶格振动，因此称这种振动为光学波或光学支或光频支。4在长波极限下，原胞内两种原子的运动完全一致，振幅和位相均相同，这时的格波非常类似于声波，所以将这种晶格振动称为声学波或声学支或声频支。5若每个原胞中有s个原子，一维晶格振动有s个色散关系式（s支格波），其中：1支声学波，(s-1)支光学波。 晶格振动格波的总数sN晶体的自由度数。N：晶体链的原胞数6振动将对晶体性质产生影响，当然这些影响将受到晶体结合状态的影响，也就是化学键的影响7格波方程色散关系8波如果能在晶体中运行的话（也就是格波），必须满足一定限制条件：波长不能太小，否则“工作”不了没有实际意义，频率
