材料結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)-1晶體結(jié)構(gòu)概念

1、材料結(jié)構(gòu)（無(wú)機(jī)材料）晶體結(jié)構(gòu)參考書(shū)目參考書(shū)目l固體物理導(dǎo)論基泰爾 化學(xué)工業(yè)出版社2005.6 l固體物理學(xué)黃昆 北京大學(xué)出版社 2009.9l材料的晶體結(jié)構(gòu)原理毛衛(wèi)民, 冶金工業(yè)出版社, 2007.8主要內(nèi)容l第1章 晶體結(jié)構(gòu)(4學(xué)時(shí))：晶體學(xué)概述、原子的周期性、晶格的基本類(lèi)型、各晶系空間群特征、國(guó)際表示和使用方法、常見(jiàn)的無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)；l第2章 晶體衍射和倒格子 (4學(xué)時(shí))：晶體衍射、布里淵區(qū)與倒格子、X射線(xiàn)衍射基礎(chǔ)、常見(jiàn)無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)定、中子衍射結(jié)構(gòu)分析；l第3章 晶體結(jié)合與彈性常數(shù)(4學(xué)時(shí))：惰性氣體晶體，離子晶體共價(jià)晶體，金屬晶體等，彈性應(yīng)變的分析和立方晶體中的彈性波；l第4章 晶格振

2、動(dòng)與熱學(xué)性質(zhì)(2學(xué)時(shí))：聲子與晶格振動(dòng)，聲子比熱容，熱膨脹，導(dǎo)熱性；l第5章 晶體中的缺陷和擴(kuò)散 (2學(xué)時(shí))：晶體結(jié)構(gòu)中點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷與擴(kuò)散；l第6章 能帶(2學(xué)時(shí))：近自由電子模型，金屬與絕緣；主要內(nèi)容l第7章 金屬晶體(2學(xué)時(shí))：電子氣的熱容，電導(dǎo)率和歐姆定律，無(wú)機(jī)材料中的電子導(dǎo)電規(guī)律也結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；l第8章 半導(dǎo)體晶體(2學(xué)時(shí))：能隙，本征載流子，雜質(zhì)導(dǎo)電性，相關(guān)無(wú)機(jī)材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)規(guī)律；l第9章 陶瓷磁性(2學(xué)時(shí))：抗磁、順磁、鐵磁，反鐵磁，相關(guān)典型無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與規(guī)律；l第10章 陶瓷光學(xué)性質(zhì)(2學(xué)時(shí))：光學(xué)反射與拉曼效應(yīng)；l第11章 高溫超導(dǎo)體(2學(xué)時(shí))；基本規(guī)律，高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3、與性能 上講主要內(nèi)容l概述：課程的特點(diǎn)和內(nèi)容；結(jié)構(gòu)相關(guān)名詞；研究結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系；材料的研究手段和方法l基本名詞：材料無(wú)機(jī)非金屬結(jié)構(gòu)晶格和缺陷電子結(jié)構(gòu)；l電子結(jié)構(gòu)分析工具及其方法原理：量子力學(xué)初步知識(shí)第一性原理計(jì)算簡(jiǎn)介MS Dmol3 演示操作具體內(nèi)容包括l材料的核心問(wèn)題是結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，因此，結(jié)構(gòu)是材料研究的重要內(nèi)容之一；l材料結(jié)構(gòu)主要分為理想結(jié)構(gòu)和非理想結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)：晶格、缺陷等晶體概念，以及非晶體，納米，關(guān)聯(lián)等概念，對(duì)于無(wú)機(jī)材料（陶瓷）晶體結(jié)構(gòu)及其缺陷是我們重點(diǎn)關(guān)心的 l結(jié)構(gòu)概念除了實(shí)際空間的晶格和缺陷概念外，還包括動(dòng)量空間以及能量空間等概念、方法和工具，這些也是課程的難點(diǎn)l從電子到原

4、子，從原子到分子晶體的結(jié)構(gòu)與什么有關(guān)；決定晶體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)因素是電子結(jié)構(gòu)，而通常研究它的工具是量子力學(xué)方法主要問(wèn)題l分析電子結(jié)構(gòu)層次我們從H原子開(kāi)始，由求解薛定諤方程得到電子分布的基態(tài)和激發(fā)態(tài)l從原子到分子的研究同樣可以利用第一性原理計(jì)算工具進(jìn)行分析，可以進(jìn)行超級(jí)分子，甚至納米顆粒的精細(xì)研究；l但是對(duì)于實(shí)際晶體材料，其邊界無(wú)限大，原子無(wú)限多，更重是其周期性的特點(diǎn)無(wú)法表達(dá)出來(lái)，因此，要從晶格的特征研究出發(fā)，根據(jù)其特點(diǎn)來(lái)研究是非常關(guān)鍵的引出晶體結(jié)構(gòu)研究本章的主要問(wèn)題l什么是晶體結(jié)構(gòu)？這個(gè)概念是如何而來(lái)的l如何描述晶體結(jié)構(gòu)？晶體結(jié)構(gòu)是如何分類(lèi)的？l如何利用晶體結(jié)構(gòu)來(lái)分析問(wèn)題？l如何建立一個(gè)晶體結(jié)構(gòu)模型

5、？文獻(xiàn)中晶體結(jié)構(gòu)描述 LaNi5為CaCu5型立方結(jié)構(gòu)，空間群為D6hP6/mmm。 其晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。每個(gè)單胞中含有兩種不同的原子：La和Ni，共6個(gè)原子，一個(gè)La原子占據(jù)1a位置，原子坐標(biāo)為（0,0,0）；Ni占據(jù)兩種不同的原子位置：兩個(gè)Ni原子占據(jù)2c位置，（1/3，2/3，0）；三個(gè)Ni原子占據(jù)3g位置，（1/2，0，1/2）。點(diǎn)陣常數(shù)a=5.017，c=3.981。如何通過(guò)這些信息了解這個(gè)材料晶格結(jié)構(gòu)的特征，為我們進(jìn)一步的性能研究提供幫助如何通過(guò)這些信息了解這個(gè)材料晶格結(jié)構(gòu)的特征，為我們進(jìn)一步的性能研究提供幫助晶格概念的來(lái)源l晶體結(jié)構(gòu)即晶體的微觀結(jié)構(gòu)，是指晶體中實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子、離子或分

6、子）的具體排列情況。自然界存在的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)，如,固態(tài)的金屬與合金大都是晶體。l晶體與非晶體的最本質(zhì)差別在于組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則排列的（長(zhǎng)程序），而非晶體中這些質(zhì)點(diǎn)除與其最近鄰?fù)?，基本上無(wú)規(guī)則地堆積在一起（短程序）。2.3.3 Structure & physical performance of crystal materials晶體的特征有哪些？晶體的特征有哪些？（1）均勻性（2）各向異性（3）自發(fā)地形成多面體外形（4）晶體具有明顯確定的熔點(diǎn)（5）晶體的對(duì)稱(chēng)性 （6）晶體對(duì)X射線(xiàn)的衍射 2.2 Crystal & non-crystal

7、非晶體非晶體晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)晶體晶體原子或原子團(tuán)、離原子或原子團(tuán)、離子或分子在空間按子或分子在空間按一定規(guī)律呈周期性一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的固體地排列構(gòu)成的固體原子、分子或離原子、分子或離子無(wú)規(guī)則地堆積子無(wú)規(guī)則地堆積在一起所形成的在一起所形成的固體固體2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英玻璃石英晶體石英晶體同樣材料不同結(jié)構(gòu)，不同性能和應(yīng)用液晶晶體結(jié)構(gòu)晶體中其他問(wèn)題l 準(zhǔn)晶體是1984年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱(chēng)性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)稱(chēng)性。例如五次對(duì)

8、稱(chēng)軸等。l準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)一方面極大地深化了我們對(duì)晶體學(xué)、衍射物理和凝聚態(tài)物理地的認(rèn)識(shí)。另一方面，準(zhǔn)晶體的各種獨(dú)特性質(zhì)使準(zhǔn)晶體具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)概念l晶體結(jié)構(gòu)：具有周期性的理想晶體，是無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷）的主要構(gòu)成；l與理想晶體相對(duì)應(yīng)的非理想晶體結(jié)構(gòu)也是材料結(jié)構(gòu)的重要研究課題，如非晶和準(zhǔn)晶等概念，以及納米和低維結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)l晶體結(jié)構(gòu)引申出的缺陷也是重要的結(jié)構(gòu)特征，是材料性能分析的重要方面凝聚態(tài)（固體）材料無(wú)機(jī)非金屬陶瓷晶相為其結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)特征理想晶體晶格缺陷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相關(guān)性質(zhì)晶體中的其他結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的范圍包括理想晶體和非理想晶體，無(wú)機(jī)非金屬（其中的陶瓷材料）理想晶體概念非常重要，但晶體

9、結(jié)構(gòu)中進(jìn)一步還存在著不同形式的缺陷：l單晶和多晶；l孿晶和層錯(cuò)；l位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)；l點(diǎn)缺陷空位，雜質(zhì)，間隙等；l缺陷也是結(jié)構(gòu)中的重要概念，在某些性質(zhì)中起關(guān)鍵的作用問(wèn)題的提出晶格概念最為基礎(chǔ)和重要，它是學(xué)習(xí)和研究缺陷和非理想晶體概念的前提：l理想晶體是如何描述的.l晶胞（原胞）是如何引入的？l 以及描述晶體特點(diǎn)的對(duì)稱(chēng)操作是什么？l7晶系14個(gè)布拉維格子230空間群，這幾個(gè)描述結(jié)構(gòu)名詞之間的差異？l理想晶體：晶胞(unit cell) 晶體中最小的結(jié)構(gòu)重復(fù)單元，形狀為平行六面體，其三邊長(zhǎng)度a,b,c不一定相等，也不一定垂直。整個(gè)晶體是由晶胞并置堆砌而成。 劃分晶胞要遵循2個(gè)原則：一是盡可能

10、反映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性；二是盡可能小。 平移對(duì)稱(chēng)性 長(zhǎng)方形、長(zhǎng)方形、正三角形、正三角形、正方形和正正方形和正六方形可以六方形可以在平面內(nèi)周在平面內(nèi)周期性重復(fù)排期性重復(fù)排列。正五邊列。正五邊形及其它正形及其它正 n 邊形則不邊形則不能作周期性能作周期性重復(fù)排列。重復(fù)排列。Unit cella、b、c : 確定晶胞大小確定晶胞大小 、 、 : 確定晶胞形狀確定晶胞形狀晶胞晶胞參數(shù)參數(shù)晶胞晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子、離子)的坐標(biāo)平移對(duì)稱(chēng)性晶胞的分類(lèi)晶胞的分類(lèi) 7 7大晶系大晶系 晶系晶系 晶軸晶軸 軸間夾角軸間夾角 實(shí)例實(shí)例 立方立方 a = b = c = 900 Cu, NaC

11、l 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 單斜 a b c = = 900 ， 900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a = b c = 900， =1200 Mg,CuS14種布拉維格子l從晶體形態(tài)的對(duì)稱(chēng)規(guī)律得到啟發(fā)，人們嘗試著進(jìn)入到晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 l1855年法國(guó)晶體學(xué)家布拉年法國(guó)晶體學(xué)家布拉維（維（Bravais A, 1811-1863）運(yùn)用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方）運(yùn)用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出晶體的空

12、間格子法推導(dǎo)出晶體的空間格子（即：晶體結(jié)構(gòu)中的平移（即：晶體結(jié)構(gòu)中的平移重復(fù)規(guī)律）只有重復(fù)規(guī)律）只有14種，這種，這就是著名的就是著名的14種布拉維格種布拉維格子，它描述了晶體結(jié)構(gòu)中子，它描述了晶體結(jié)構(gòu)中的平移對(duì)稱(chēng)。的平移對(duì)稱(chēng)。英文英文立方四方正交六方單斜三斜三方無(wú)機(jī)化合物按照晶系統(tǒng)計(jì)為什么還要提出新的表示方法? 包含著深刻物理含義的數(shù)學(xué)形式包含著深刻物理含義的數(shù)學(xué)形式 對(duì)稱(chēng)性就是物體或圖像中各部分間所具有的相似性，物體以及圖像的對(duì)稱(chēng)性可定義為經(jīng)過(guò)某一不改變其中任何兩點(diǎn)間距離的操作后能復(fù)原的性質(zhì)。 對(duì)稱(chēng)元素： 對(duì)稱(chēng)操作中所憑借的元素(點(diǎn)、線(xiàn)、面)。 對(duì)稱(chēng)操作：使物體沒(méi)有變化的操作，可分為點(diǎn)操作

13、和空間操作。旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)Cn繞軸旋轉(zhuǎn)2/2角，分子可得“重現(xiàn)” 如果分子沿順時(shí)針?lè)较蚶@一軸旋轉(zhuǎn)2/n角后能夠復(fù)原，就稱(chēng)此操作為旋轉(zhuǎn)操作，上述旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸就稱(chēng)作n次旋轉(zhuǎn)軸，記做Cn。反演與反映反演與反映1. 對(duì)稱(chēng)中心(i)與反演操作(i)(i) 從分子中任一原子至分子中心連一直線(xiàn)，如果在其延長(zhǎng)線(xiàn)的相等距離處有一個(gè)相同原子，并且對(duì)分子中所有的原子都成立，則稱(chēng)此分子具有對(duì)稱(chēng)中心i，通過(guò)對(duì)稱(chēng)中心使分子復(fù)原的操作叫反演。如：2. 對(duì)稱(chēng)面(鏡面)與反映操作 如果分子被一平面等分為兩半，任一半中的每個(gè)原子通過(guò)此平面的反映后，能在另一半（映象）中與其相同的原子重合，則稱(chēng)此對(duì)稱(chēng)分子具有一對(duì)稱(chēng)面，用表示。據(jù)此進(jìn)行的

14、操作叫對(duì)稱(chēng)面反映操作，或簡(jiǎn)稱(chēng)反映。旋轉(zhuǎn)反映旋轉(zhuǎn)反映 如果一個(gè)分子繞軸旋轉(zhuǎn)后，再作垂直此軸的平面反映，使分子的取向與原來(lái)的相重合，則稱(chēng)此分子具有旋轉(zhuǎn)反映軸，以Sn表示。旋轉(zhuǎn)反映軸又叫反軸，有時(shí)又叫非真軸，如：AAS4軸 旋轉(zhuǎn)反映操作是一個(gè)復(fù)合操作，即先經(jīng)Cn旋轉(zhuǎn)，然后再經(jīng)垂直Cn軸的平面的反映，可表示為Cn過(guò)程. 如：n=2時(shí)， C2S2，由于S2效果等同于i，則S2 C2i；繼續(xù)繼續(xù)接上，繼續(xù)接上，繼續(xù)不要忽視基元典型的無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)典型的晶體結(jié)構(gòu)介紹l簡(jiǎn)單立方；l體心立方；l面心立方；l密堆六方；l（1 1）簡(jiǎn)單立方堆積）簡(jiǎn)單立方堆積形成簡(jiǎn)單立方晶胞，空間利用率較低52 ，金屬釙（Po）采取這

15、種堆積方式。（2 2）體心立方堆積（）體心立方堆積（bccbcc ，A2）堿金屬、堿金屬、-Fe 、 難熔金屬難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 a ：晶胞單位長(zhǎng)度：晶胞單位長(zhǎng)度 R ：原子半徑：原子半徑R Ra aa aR R3434 68. 0)3/4()3/4(2)3/4(23333bcc R RR Ra aR R 單位晶胞原子數(shù)單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc分析晶格尺寸與原子半徑關(guān)系（3 3）面心立方堆積）面心立方堆積(fcc ，A1)Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬貴金屬 以及以及 奧氏體不銹鋼等奧氏體不銹鋼等 fccR Ra aa aR R2424 n = 4

16、74.0)2/4()3/4(4)3/4(43333fcc R RR Ra aR R hcpR Ra aa ac c238 74. 0)2(2338)3/4(2)23()3/4(2333hcpRRaacR（4 4）六方堆積）六方堆積（hcp， A3）-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等等 22360sinaaaS平行六面體的底是個(gè)平行四邊形，各邊為平行六面體的底是個(gè)平行四邊形，各邊為a=2R,平行四邊形的面積平行四邊形的面積 平行六面體的高平行六面體的高aaah3623622的四面體高邊長(zhǎng)為(5)(5)金剛石型堆積金剛石型堆積（A4）aR83(6)(6)離子晶體離子晶體CsClCsCl型

17、型: : (CsCl, CsBr, CsI, NH(CsCl, CsBr, CsI, NH4 4Cl)Cl) )( 23RRaCaF2型 NaCl型:)(2RRa計(jì)算計(jì)算晶體的理論密度晶體的理論密度NiO晶體的結(jié)構(gòu)型式與晶體的結(jié)構(gòu)型式與NaCl晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu)型式完全相同，型式完全相同，Ni2與最鄰近的與最鄰近的O2的的核間距為核間距為a 10-10m。試計(jì)算。試計(jì)算NiO晶體的晶體的密度。（已知密度。（已知NiO的摩爾質(zhì)量為的摩爾質(zhì)量為74.7g.mol-1）用晶體結(jié)構(gòu)研究材料性質(zhì)的例子l分析討論結(jié)構(gòu)特征；l理論密度計(jì)算；l擴(kuò)散遷移機(jī)理與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系分析替換元素的關(guān)口尺寸與離子遷移規(guī)律；l局部結(jié)構(gòu)與晶體穩(wěn)定性關(guān)系；l離子遷移通道分析研究；l以上是簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)體系，如何找到我們研究所用的晶體結(jié)構(gòu)信息呢？晶體結(jié)構(gòu)信息資源介紹/lattice/index.html重要的晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)站晶體表述形式的差異晶體結(jié)構(gòu)包括：7晶系14個(gè)布拉維格子230空間群；l7晶系適合和方便描述晶體，討論相關(guān)空間位置和方向，l14個(gè)布拉維格子有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)論和規(guī)律，是系統(tǒng)描述晶體結(jié)構(gòu)的一種形式l230空間群通過(guò)對(duì)稱(chēng)性我們可以比較嚴(yán)格細(xì)致地描述一個(gè)晶體的特征，是對(duì)結(jié)