第2講晶體材料的結(jié)構(gòu)及缺陷

1、天然金剛石天然金剛石天然冰糖天然冰糖粗鹽粗鹽傳統(tǒng)定義：外形具有規(guī)則幾何傳統(tǒng)定義：外形具有規(guī)則幾何多面體多面體形狀的形狀的 固體。固體。固體固體材料材料晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)原子排列的原子排列的有序程度有序程度SiO2 玻 璃 態(tài)三維無規(guī)網(wǎng)絡(luò)非晶非晶Si的微觀結(jié)構(gòu)示意圖的微觀結(jié)構(gòu)示意圖原子間距原子間距配位數(shù)配位數(shù)最近鄰原子最近鄰原子次近鄰原子次近鄰原子在原子尺度上，晶體結(jié)構(gòu)中在原子尺度上，晶體結(jié)構(gòu)中相同部分相同部分具有直線周期平移具有直線周期平移的特點(diǎn)。的特點(diǎn)?？臻g點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣NaCl的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)NaCl 晶體結(jié)構(gòu)中等同點(diǎn)的分布，及其相應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)中等同點(diǎn)的分布，及其相應(yīng)導(dǎo)出的二維點(diǎn)陣導(dǎo)出的

2、二維點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)空間空間對(duì)稱性對(duì)稱性空間點(diǎn)陣的最基本單元?？臻g點(diǎn)陣的最基本單元。在在空間點(diǎn)陣中空間點(diǎn)陣中截取一個(gè)截取一個(gè) 有有代表性代表性的平行六面體的平行六面體，（將其沿三維方向平行堆積（將其沿三維方向平行堆積 空間點(diǎn)陣晶格）空間點(diǎn)陣晶格）晶胞晶胞xyabcxyzg ga ab bzBravais通過數(shù)學(xué)運(yùn)算指出：依據(jù)晶胞參數(shù)之間關(guān)系的不通過數(shù)學(xué)運(yùn)算指出：依據(jù)晶胞參數(shù)之間關(guān)系的不同，可以把所有晶體的空間點(diǎn)陣劃歸為同，可以把所有晶體的空間點(diǎn)陣劃歸為7類，即類，即7個(gè)晶系。個(gè)晶系。1234567 簡單格子:只有八個(gè)頂點(diǎn)處有結(jié)點(diǎn)體心格子：除 8

3、個(gè)頂點(diǎn)外，六面體中心處還有 1 個(gè)結(jié)點(diǎn)底心格子：除了 8 個(gè)頂點(diǎn)外，上下兩個(gè)表面的中心處各有 1 個(gè)結(jié)點(diǎn)。面心格子：除了 8 個(gè)頂點(diǎn)外，六個(gè)表面的中心處各有 1 個(gè)結(jié)點(diǎn)。(1) 立方格子立方格子 3 個(gè)：簡單、體心、面心個(gè)：簡單、體心、面心(2) 四方格子四方格子 2 個(gè)：簡單、體心個(gè)：簡單、體心(3) 正交格子正交格子 4 個(gè)：簡單、體心、底心、面心個(gè)：簡單、體心、底心、面心(4) 單斜格子單斜格子 2 個(gè)：簡單、底心個(gè)：簡單、底心(5) 三斜格子三斜格子 1 個(gè)：簡單個(gè)：簡單(6) 六方格子六方格子 1 個(gè)：簡單個(gè)：簡單(7) 菱方格子菱方格子 1 個(gè)：簡單個(gè)：簡單簡單立方簡單立方體心立方

4、體心立方面心立方面心立方簡單四方簡單四方體心四方體心四方簡單菱方簡單菱方簡單六方簡單六方簡單正交簡單正交面心正交面心正交體心正交體心正交底心正交底心正交底心單斜底心單斜簡單單斜簡單單斜簡單三斜簡單三斜a: 5.4568 b: 16.4355c: 5.4382晶體材料的基本結(jié)構(gòu)分析儀器晶體材料的基本結(jié)構(gòu)分析儀器X-射線射線單晶單晶衍射儀衍射儀 L Kcos b b 儀器使用描述：儀器使用描述：The crystallinity and phase purity of the products wereexamined by XRD measurement. Figure 1 shows a ty

5、pical XRD pattern of the as-synthesized products. All of reflections can be indexed to pure orthorhombic-phase Bi2WO6 space group B2cb, which is in good agreement with the reported data (JCPDS No. 73-1126). After refinement, the crystal lattice parameters of Bi2WO6 were calculated: a=0.5456 nm, b=1.

6、6445 nm, and c=0.5444 nm. Widened diffraction peaks show that the size of the crystalline grain is small. According to the Scherrer equation, the crystalline size is ca. 35 nm.表征結(jié)果描述：表征結(jié)果描述：Photocatalytic Activity Enhancement for Bi2WO6 by Fluorine Substitution晶晶格格畸畸變：變：ndsin2通過結(jié)構(gòu)表征解釋性能變化通過結(jié)構(gòu)表征解釋性能變

7、化構(gòu)效關(guān)系構(gòu)效關(guān)系結(jié)構(gòu)的其它描述參數(shù)：結(jié)構(gòu)的其它描述參數(shù)：晶向、晶向族，晶向、晶向族，晶面、晶面族，晶面、晶面族，晶面間距晶面間距空間點(diǎn)陣中任意兩結(jié)點(diǎn)連線的方向，表示晶向方位的符號(hào)空間點(diǎn)陣中任意兩結(jié)點(diǎn)連線的方向，表示晶向方位的符號(hào)NaCl 晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的晶向舉例晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的晶向舉例（4）將此值乘以最小公倍數(shù)）將此值乘以最小公倍數(shù)u、v、w， 加上方括號(hào)，加上方括號(hào)，uvw即是所求晶向的晶向指數(shù)。即是所求晶向的晶向指數(shù)。結(jié)點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)為 原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣原點(diǎn)，三棱為方向，點(diǎn)陣 常數(shù)為單位常數(shù)為單位 ；（2）過坐標(biāo)原點(diǎn)）過坐標(biāo)原點(diǎn)， 使其與待求晶向平行；使其與待求晶向平行；（3）在該直線上

8、任）在該直線上任一一， 并并該點(diǎn)的該點(diǎn)的（x，y，z）；）；111110 xyzuvw代表一組晶向還是一個(gè)晶相？代表一組晶向還是一個(gè)晶相？原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向的集合。晶向的集合。用用表示表示 。空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)所處平面。空間點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)所處平面。：表示晶面方位的符號(hào)，常稱密勒指數(shù)，以表示晶面方位的符號(hào)，常稱密勒指數(shù)，以（hkl）來表示。（除六方晶系）來表示。（除六方晶系）建坐標(biāo)系建坐標(biāo)系求截距求截距取倒數(shù)取倒數(shù)？化整化整三軸坐標(biāo)：（三軸坐標(biāo)：（100）（）（110）四軸坐標(biāo)：（四軸坐標(biāo)：（1010）（）（1100）(110)(111)(1

9、00)XYZhkl) 代表相互平行的一組晶面代表相互平行的一組晶面原子排列情況相同，但空間位向不同的一組原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶晶面的集合面的集合。 用花括號(hào)用花括號(hào) hklhkl 表示表示。 ：(110)XYZ(111)XY：=90 時(shí)，時(shí)，簡單晶胞簡單晶胞（格子）（格子）(hkl)晶面之間晶面之間的晶面間距的晶面間距dhkl 如下：如下：說明：對(duì)于復(fù)雜晶胞，如體心立方、面心立方，在計(jì)算說明：對(duì)于復(fù)雜晶胞，如體心立方、面心立方，在計(jì)算時(shí)需要考慮晶面層數(shù)的影響。在時(shí)需要考慮晶面層數(shù)的影響。在d計(jì)算中要作一定修正。計(jì)算中要作一定修正。ndsin2晶體從液體中自由成晶體從液體中自由

10、成長為多面體外形時(shí)的長為多面體外形時(shí)的暴露晶面？暴露晶面？原子密度最大的晶面原子密度最大的晶面-能量最低、最穩(wěn)定能量最低、最穩(wěn)定晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：N=Ni+Nf/2+Nc/8 具有面心立方晶格的金屬有具有面心立方晶格的金屬有g(shù) g-Fe、（以面心立方（以面心立方fccfcc為例）：為例）：配位數(shù)和致密度：配位數(shù)和致密度：晶體中原子排列的緊密程度。晶體中原子排列的緊密程度。晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰最近鄰并且并且等距等距的原子數(shù)。的原子數(shù)。fcc中，配位數(shù)中，配位數(shù)=12 致密度致密度=0.74晶胞中原子體積晶胞中原子體積晶胞體積晶胞體積：材料晶體材料晶體結(jié)

11、構(gòu)致密度結(jié)構(gòu)致密度與與性能性能的關(guān)系？的關(guān)系？八面體間隙八面體間隙 & & 四面體間隙四面體間隙對(duì)材料的性能、擴(kuò)散、相變等有重要影響。對(duì)材料的性能、擴(kuò)散、相變等有重要影響。4 4個(gè)個(gè)8 8個(gè)個(gè)晶型晶型NaClCsCl立方立方ZnS六方六方ZnS螢石螢石CaF2金紅石金紅石TiO2配位數(shù)配位數(shù)68448、46、3對(duì)于二元離子晶體，按不等徑鋼球的密對(duì)于二元離子晶體，按不等徑鋼球的密堆積理論，可歸納為堆積理論，可歸納為6 6種種基本結(jié)構(gòu)類型基本結(jié)構(gòu)類型: :NaCl型型CaF2型型共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體的結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵具有共價(jià)鍵具有飽和性和方向性飽和性和方向性，共價(jià)晶體中原子，共價(jià)晶體中

12、原子的配位數(shù)的配位數(shù)小小。典型共價(jià)晶體典型共價(jià)晶體：金剛石（單質(zhì)型）金剛石（單質(zhì)型）ZnS（AB型）型）SiO2（ AB2型）型）金剛石金剛石Si、Ge、-SnSiO2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（硅石）（硅石）Si16O1812-形成的環(huán)狀硅酸鹽形成的環(huán)狀硅酸鹽Si2O52-形成的層狀硅酸鹽形成的層狀硅酸鹽B-Si: p-type半導(dǎo)體半導(dǎo)體P-Si: n-type半導(dǎo)體半導(dǎo)體 ZrO222O4e2O2222O2H4H O4e2222HO2H O-加快質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散遷移加快質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散遷移若燃料氣體為天然氣，電極方程式如下：若燃料氣體為天然氣，電極方程式如下：22O4e2O24222OCH2H OCO8e24222OCH2H OCOZrO2ZrO2O2-在兩側(cè)濃度差驅(qū)動(dòng)力作用下，通過電解質(zhì)中