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1、1,2,第二章 材料中的晶体结构,2.1 晶体学基础 2.2 纯金属的晶体结构 2.3 离子晶体和共价晶体的结构,3,晶体结构：晶体中原子、离子或分子在空间规则排列 的特征。,第一节 晶体学基础,二维晶体结构,4,空间点阵(Space lattice )：将原子（离子、分子）抽象为几何质点，由这些点在三维空间作周期性的规则排列所组成的三维阵列。构成点阵的每一个点称为阵点。每个阵点周围环境完全相同。 晶格：将阵点用多组相互平行的直线连接形成的空间格架。,5,晶胞：晶格中能够代表晶体中原子排列特点和规律性的最小体积单元。 要求：能够充分反映整个空间点阵的对称性，有尽可能多的直角并且体积尽可能小，对
2、称性尽可能高。,表征：晶轴、点阵常数、夹角、基矢,简单晶胞：只在每个角上有阵点 复合晶胞： 内部或面上还有阵点,6,晶系和Bravais点阵,7,三斜 六方 x 1 菱方,单斜 四方 x 2,立方 x 3,正交 x 4,8,最小化原则 eg.为什么没有底心和面心四方？,9,晶格和晶体结构,10,晶向和晶面指数化,晶向：空间点阵中各阵点列的方向，代表原子列的方向。代表了相互平行、方向一致的一组晶向。 uvw 晶向族：代表晶体中原子排列相同，但空间位向不同的一组晶向。,晶面：通过空间中任一组阵点的平面，代表了原子平面。代表一组相互平行的平面。（ hkl ） 晶面族：原子排列相同，但位向不同的各族晶
3、面。 hkl ,11,晶向指数化过程,建立坐标系（以某一阵点为原点O,以三个基矢为坐标轴,以晶胞边长作为坐标轴的长度单位） 作直线OP（平行于待标定的晶向或晶向直线通过坐标原点） 确定通过原点直线上任一点的坐标值并化为最小整数， UVW,12,常用晶向,13,晶面指数化过程,建立坐标系 确定晶面在各坐标轴上的截距 取截距的倒数，并化为最小的简单整数（hkl）,同指数晶向和晶面相互垂直 方向和符号相关 位置和倍数相关,14,15,16,六方晶系指数化,晶面 (h k i l)，i (hk) 晶向 u v t w ，t(uv),建立四轴坐标系,17,18,晶体学定理,晶带：相交和平行于某一晶向直线
4、 uvw 的所有晶面（ hkl ）的组合称为晶带。其中晶向直线称为晶带轴。同一晶带中各晶面称为共带面。通常用晶带轴指数表示晶带。 晶带定理：hu+kv+lw=0,立方晶体中, h k l (h k l),hukvlw0，那么 u v w 在 (h k l)上,19,如果晶带u v w 包含 (h1 k1 l1) 和 (h2 k2 l2)两个晶面，则,如果(h k l) 同属于 u1 v1 w1 和 u2 v2 w2 两个晶带，则,20,两平行晶面间距,立方晶体,晶向长度,晶面夹角,晶向夹角,晶胞体积,一般是晶面指数数值越小，其面间距较大，并且其阵点密度较大,21,2.2 纯金属的晶体结构,由于
5、金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶体都具有紧密排列、对称性高的简单晶体结构。 典型金属晶体结构：fcc、bcc、hcp,22,堆垛方式,Fcc密排面111，密排方向,堆垛次序： ABCABCABC,23,ABA: 第三层位于第一层正上方,ABC: 第三层位于一二层间隙,24,HCP 密排面0001，密排方向堆垛次序: ABABABAB,25,Bcc密排面110，密排方向，堆垛次序ABABABAB,26,金属晶体学常数,点阵常数：晶胞棱边长度。与原子半径和晶型有关系。,晶胞内原子数：位于面、棱、角的原子为几个晶胞共有。,27,致密度：晶体结构中原子体积所占总体积的百分数。,配位数：晶体中任
6、一原子周围最近邻且等距离的原子数。,28,金属晶体学常数表,29,晶体间隙：六个原子间八面体间隙,30,晶体间隙：四个原子间四面体间隙,31,32,多晶型性,外界温度、压力等条件改变时，元素晶体结构发生变化，这种性质称为多晶型性。（同素异构转变） 发生晶型转变时，体积、强度、塑形、磁性、导电性等将发生改变。,BCC,BCC,FCC,33,34,晶体结构中的原子半径：密排晶体中相切刚性球中心距离的一半称为原子半径。,影响因素： 温度与压力：影响原子热振动和缺陷浓度 结合键：键强则半径小 配位数：配位数增大，半径增大 核外电子：周期性,35,2.3 离子晶体和共价晶体的结构,离子晶体,离子半径：原
7、子核到最外层电子的平衡距离，是决定离子晶体结构类型的重要几何因素。 接触半径：晶体中相邻的正负离子中心之间的平衡距离。 R0R+R- 随价态和配位数变化。 配位数：某一离子邻接的异号离子的数目，主要取决于R+/R- . 正、负离子接触时，离子晶体结构稳定，所以R+/R-有一下限。,不稳定,稳定,36,离子晶体堆积：由于负离子大，而正离子小，因此可以看作是正离子分布在负离子球堆的间隙中。,负离子配位多面体：离子晶体中与某一正离子成配位关系而邻接的各负离子中心线构成的多面体。,37,离子晶体结构规则（Pauling规则）,负离子配位多面体规则（第一规则）:正负离子平衡距离取决于离子半径之和，正离子
8、配位数取决于二者半径比。配位多面体是离子晶体的真正结构单元。 电价规则（第二规则）:正负离子电价相互平衡，适用于一切离子晶体。 共用规则（第三规则）：负离子多面体共用点、棱、面会由于正离子间的电斥力而降低结构稳定性。 节约规则（第四规则）：不同的多面体趋于最少。,38,典型结构 AB , AB2 , A2B3 , ABO3 , AB2O4 AB NaCl型：面心立方 MgO , CaO, FeO, NiO,r+/r-0.54 CN+: CN 6:6 =1:1 负离子：面心立方；正离子：八面体间隙 （可以看成由两个面心立方点阵穿插而成的超点阵）,39,AB CsCl型：简单立方 CsBr, Cs
9、I,r+/r0.91 CN+： CN8：8=1：1 负离子：简单立方；正离子：体心间隙,40,AB （闪锌矿）立方ZnS型：面心立方 GaAs,AlP,CN 4 CN+ 4 负离子：面心立方；正离子：四面体间隙,41,AB （纤锌矿）六方ZnS型：简单六方 ZnO,SiC,CN 4 CN+ 4 负离子正离子均为密排六方 二者相对沿纵轴移动 1/3点阵矢量,42,AB2 （萤石）CaF2型：面心立方 ZrO2,ThO2,Mg2Si,CuMgSb,CN+ 8 正离子：面心立方 CN- 4 负离子：八面体间隙,43,AB2 （金红石） TiO2型：体心四方 VO2,NbO2,MnO2,SnO2,Pb
10、O2,CN+ 6 CN- 3 负离子：密排六方 正离子：八面体间隙,44,A2B3 型：Cr2O3，Fe2O3,CN+ 6 CN- 4,45,ABO3 型 ( BaTiO3, CaTiO3 ),46,AB2O4 型 (尖晶石, MgAl2O4 ),47,共价晶体,同种非金属元素或异种元素原子以共价键结合形成的无限大分子。 中性原子晶体。 具有方向性和饱和性。,48,金刚石结构 SiC结构,49,菱形层状结构As,Sb,Bi,螺旋链状：Se,Te,AB2型:排列与金刚石结构相同，每两个Si原子间加入一个O原子.,50,思考题,1. 名词解释：空间点阵，晶胞，金属晶体和离子晶体配位数，原子半径和离
11、子半径，致密度，晶向和晶向族，晶面和晶面族 2. 纯金属中有哪几种主要的晶体结构，他们的堆垛规则是什么？ 3.分别计算fcc,bcc,hcp三种晶体结构四面体和八面体间隙的半径。在体心立方晶体中，由六个原子中心联接形成的扁八面体内至少含有两个由四个原子中心联成的四面体，为什么四面体间隙反而较大?,51,4求(121)与(100)决定的晶带抽与(001)和(111)所决定的品带轴所构成的晶面的晶面指数。 5试证明等径刚球最紧密堆积时所形成的hcp结构的c/a=1.633。 6绘图说明面心立方点阵可表示为体心正方点阵。 7.什么是晶体的多晶型性？纯铁由室温升温至熔点时发生哪些结构变化？ 8.分别计算fcc,bcc,hcp三种晶体结构晶胞内的原子数、致密度和配位数。 9.什么是晶带和晶带定理，它有哪些推广应用？ 10.举例说明在一个晶胞内如何画出多个晶向和晶面？,
