固體化學(xué)緒論課件

1、第一章 緒 論1.1 固體化學(xué)的研究內(nèi)容1.2 固體物質(zhì)概述1.3 材料概述1.4 1.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域 現(xiàn)代材料科學(xué)的若干熱點(diǎn)領(lǐng)域2022/8/9分子或原子不停地、自由地作長距離運(yùn)動(dòng)即流動(dòng)性，氣體和液體具有流動(dòng)性。氣體：無確定的體積和形狀；液體：有一定的體積但無確定的形狀；固體：分子或原子處于完全確定的平衡位置作熱振動(dòng)，具有確定的形狀和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)即固體性。1.1 固體化學(xué)的研究內(nèi)容固體特性：2022/8/91.1 固體化學(xué)的研究內(nèi)容定義：固體化學(xué)是主要研究固體物質(zhì)的合成、反應(yīng)、組成和性能及其相關(guān)現(xiàn)象與規(guī)律的科學(xué)。研究內(nèi)容：固體物質(zhì)的合成、固體的組成與結(jié)構(gòu)、固相化學(xué)反應(yīng)、固體缺陷

2、、固體表面化學(xué)、固體的性質(zhì)、新材科等。固體化學(xué)與固體物理：固體物理側(cè)重研究構(gòu)成固體物質(zhì)的原子、離子及電子的運(yùn)動(dòng)和相互作用，提出各種模型和理論，以闡明固體結(jié)構(gòu)和物性。固體化學(xué)則側(cè)重研究固體物質(zhì)的合成方法、化學(xué)反應(yīng)、單晶生長、化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，研究固體中缺陷形成及其對固體的物理化學(xué)性質(zhì)的影響等。2022/8/91.2 固體物質(zhì)概述 固體物質(zhì) 材料固體物質(zhì)的分類： 按照其原子排列的有序程度可分為晶態(tài)和非晶態(tài)，晶態(tài)物質(zhì)具有長程有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)基元處于長程無序、短程有序狀態(tài)。 按照固體中原子之間結(jié)合的化學(xué)鍵來給固體物質(zhì)分類，可把固體物質(zhì)分為離子晶體、共價(jià)晶體、金屬晶體、分子晶體和氫鍵晶

3、體等，各類晶體物質(zhì)均具有各自在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)方面的典型特點(diǎn)。2022/8/9各類晶體的特征結(jié)構(gòu)：正負(fù)離子最緊密堆積，靠靜電力結(jié)合，鍵能較高（800kJ/mol）。性質(zhì)：熔點(diǎn)高，強(qiáng)度高，硬度大，質(zhì)地脆；低溫下為絕緣體，熔體導(dǎo)電，某些晶體有離子導(dǎo)電現(xiàn)象；大多為無色透明，折射率較高。結(jié)構(gòu)：組成原子之間靠共價(jià)鍵結(jié)合，鍵能由中到高（80kJ/mol）。性質(zhì)：熔點(diǎn)高，強(qiáng)度和硬度由中到高，質(zhì)地脆；絕緣體或半導(dǎo)體，熔體不導(dǎo)電，透明晶體具有高折射率。離子晶體共價(jià)晶體2022/8/9各類晶體的特征結(jié)構(gòu)：正離子最緊密堆積，以自由電子為結(jié)合力，鍵無方向性，鍵能約 80kJ/mol。性質(zhì)：熔點(diǎn)由低到高，熱傳導(dǎo)性良好，具有各

4、種強(qiáng)度和硬度，壓延性好；固體和熔體均為良電導(dǎo)體；金屬不透明，折射率高。結(jié)構(gòu)：組成分子之間靠范德華力結(jié)合，鍵能低（8-40kJ/mol）。性質(zhì)：熔點(diǎn)低，熱膨脹率高，強(qiáng)度低，可以壓縮，硬度低；固體和熔體均為絕緣體，呈現(xiàn)組成分子的性質(zhì)。金屬晶體分子晶體2022/8/9各類晶體的特征氫鍵晶體：結(jié)構(gòu)基元 H3BO3 靠氫鍵結(jié)合，形成層狀結(jié)構(gòu)。熔點(diǎn)較低，強(qiáng)度和硬度較低；硼酸晶體呈片狀，有解理性，可作為潤滑劑，是形成玻璃的主要成分，在熱水中部分氫鍵斷裂而溶解度增大。混合鍵晶體：在石墨晶體中，每一層內(nèi)的每個(gè)碳原子以三個(gè)電子與鄰近的三個(gè)碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合，組成片狀六角形的平面蜂巢結(jié)溝，另一個(gè)價(jià)電子為該層內(nèi)所有碳

5、原子所共有，形成金屬踺；層與層之間則以范德華力相互作用，因此石墨晶體中既包含有共價(jià)鍵，也包含金屬鍵和范德華力，從而使石墨表現(xiàn)出固體物質(zhì)的多重性質(zhì)。氫鍵晶體分子晶體2022/8/90.1.1 材料按化學(xué)組成分類0.1.2 根據(jù)材料的性能分類 0.1.3 材料按應(yīng)用領(lǐng)域來分類 0.1.4 材料按結(jié)晶狀態(tài)分類0.1.5 材料按材料的尺寸分類 0.1 材料分類 1.3 材料概述2022/8/91.3 材料概述分類1：從材料的化學(xué)組成來分，主要分金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料及復(fù)合材料。分類2：若按照材料的使用性能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，結(jié)構(gòu)材料主要使用材料的力學(xué)性能，功能材料則主要使

6、用光、電、磁、熱、聲等功能特性。分類3：從材料的應(yīng)用對象可分為信息材料、智能材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航天航空材料等。2022/8/9按物理性質(zhì)可分為：導(dǎo)電材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料、透光材料、高強(qiáng)度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應(yīng)分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學(xué)材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學(xué)材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結(jié)構(gòu)材料、包裝材料等。1.3 材料概述2022/8/9 激光材料 發(fā)光材料非線性光學(xué)材料聲光材料磁光材料壓電材料超導(dǎo)材料功能材料材料分類2022/8/91.

7、4 現(xiàn)代材料科學(xué)的若干熱點(diǎn)領(lǐng)域光電信息功能材料：現(xiàn)代信息技術(shù)迫切需要各種性能優(yōu)異的光電信息功能材料，以實(shí)現(xiàn)大容量、高靈敏的信息處理，包括信息的產(chǎn)生、傳輸、收集、存貯和顯示等技術(shù)環(huán)節(jié)。光電能量轉(zhuǎn)換材料：在新能源領(lǐng)域，為利用射到地面上的太陽光能量，需要制備出更穩(wěn)定高效的光電能量轉(zhuǎn)換材料，為開發(fā)推廣綠色太陽能技術(shù)提供材料技術(shù)基礎(chǔ)。納米材料：納米材料是介于宏觀物質(zhì)與微觀原子、分子中間的新的研究領(lǐng)域，具有許多不同于宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，它開拓了人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的新層次，將逐漸在眾多技術(shù)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料在發(fā)展現(xiàn)代微電子、光電子技術(shù)方面起到關(guān)鍵性基礎(chǔ)作用，已有的硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體依然具有巨

8、大的產(chǎn)業(yè)需求，砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體正在進(jìn)入日益廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅單晶等開發(fā)具有引人入勝的應(yīng)用前景。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域1、固體無機(jī)化合物與材料的新合成方法軟化學(xué)合成：近年來提出的軟化學(xué)合成方法最為引人注目，它力求在中低溫或溶液中使反應(yīng)物在分子狀態(tài)上均勻混合，進(jìn)行可控的反應(yīng)步驟，經(jīng)過生成前驅(qū)體或中間體，最后生成具有特定組成、結(jié)構(gòu)和形貌的材料。軟化學(xué)法可用于合成多種發(fā)光材料、磁性材料、金屬間化合物、玻璃陶瓷、高溫結(jié)構(gòu)材料等。組合合成：該方法可以一次性成批量獲得很大數(shù)量的類似化合物化合物庫，以供高通量篩選，尋找先導(dǎo)化物采用這種方法，可以大大增加尋找具有特殊功

9、能新化合物的機(jī)會(huì)，因而成為一種新的提供篩選底物的有效途徑。如 采用此方法已經(jīng)成功地從 25000 個(gè)化合物中合成出一種具有一維鏈狀結(jié)構(gòu)的新型發(fā)光材料Sr2CeO4 。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域2、低溫固相化學(xué)反應(yīng) 近10年來忻新泉等對室溫或低熱下固相反應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了低熱溫固固反應(yīng)的機(jī)理，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了固相反應(yīng)的四個(gè)階段，即擴(kuò)散反應(yīng)成核生長，總結(jié)了固相反應(yīng)的特有規(guī)律。利用低溫固相反應(yīng)將可能合成新的化物，并為新材料制備提供新的途徑，可能成為綠色合成化學(xué)的重要合成手段。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域3、超微粒子與納米相功能材料 超微粒子或納米晶是在

10、原子和分子范疇與凝聚態(tài)固體之間的一類由納米尺寸的微粒構(gòu)成的固體，這類材料具有持殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，特別是表現(xiàn)出與常見凝聚態(tài)固體不同的性質(zhì)。納米晶的出現(xiàn)開拓了人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的新層次，而成為很有發(fā)展前途的新領(lǐng)域。隨著研究開發(fā)的深入，納米材料逐漸在眾多技術(shù)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，此類材料被視為21世紀(jì)具有極大開發(fā)潛力的新材料。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域4、層狀化合物與高溫超導(dǎo)材料 繼80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體鑭鋇銅氧，證實(shí)此化合物的組成為(La1-XBa）2CuO4，屬于層狀的K2NiF4結(jié)構(gòu)，全球掀起了尋找高溫超導(dǎo)體的熱潮。1987年繼而發(fā)現(xiàn)了釔系高溫超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-x ，臨

11、界溫度躍至液氮溫區(qū)的90K。研究發(fā)現(xiàn)YBa2Cu3O7-x是一個(gè)非化學(xué)計(jì)量比的、具有氧缺位的ABO3型鈣鈦礦型層狀結(jié)構(gòu)的化合物，由于三價(jià)稀土離子和二價(jià)堿土金屬離子在A位的不等價(jià)取代，導(dǎo)致B位的銅產(chǎn)生Cu2+和Cu3+的混合價(jià)態(tài)，離域的載流子沿層狀的CuO面輸運(yùn)而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象，成為空穴型的高溫超導(dǎo)體。隨后還發(fā)現(xiàn)了鉍系、鉈系和汞系等層狀高溫超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用正在帶來工業(yè)技術(shù)的重要革新，目前超導(dǎo)材料已經(jīng)獲得許多新的實(shí)際應(yīng)用如超導(dǎo)列車、超導(dǎo)核磁共振儀、超導(dǎo)線材等。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域5、原子簇化合物與C60 1985年Kroto等發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的碳原子團(tuán)簇，C60是由

12、60個(gè)碳原子構(gòu)成的球形三十二面體，內(nèi)含多個(gè)不飽和雙鍵。高度共軛的C60易于發(fā)生加成反應(yīng)，借此引入許多新的特性，如導(dǎo)電性、超導(dǎo)性和催化性能等。繼籠狀結(jié)構(gòu)的碳團(tuán)簇C60、 C70 、C84，還制備出管狀、層狀、片狀、洋蔥狀等特殊形狀的團(tuán)簇。90年代以來國內(nèi)外學(xué)者還開展了碳納米管的研究，碳納米管是具有納米級(jí)管徑的一維量子材料，它具有很大的表面、極高的強(qiáng)度、導(dǎo)熱率及導(dǎo)電性，該類材料已經(jīng)成為功能材料的研究熱點(diǎn)，我國學(xué)者在納米管的研究方面具有較大學(xué)術(shù)影響，特別是在納米管的制備技術(shù)方面獲得了獨(dú)具特色的研究成果，如首次在硅襯底上實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的自組裝生長，利用化學(xué)氣相法制備純凈碳納米管，合成出大面積定向納米

13、管陣列。2022/8/91.5 固體化學(xué)發(fā)展的若干前沿領(lǐng)域6、生物無機(jī)固體化學(xué) 生物無機(jī)固體化學(xué)是生命科學(xué)、材料科學(xué)和固體化學(xué)的新興交叉學(xué)科，它研究在生物體系中無機(jī)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能之間的關(guān)系，特別是生物礦化過程的機(jī)理的研究，將為探索新型功能無機(jī)生物材料提供重要的學(xué)術(shù)借鑒，如 模擬生物體中的礦化過程，可能獲得具有光、電、磁、熱、聲等功能的特殊生物材料。2022/8/91.6 其它：國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地?zé)o機(jī)光電功能晶體材料的分子設(shè)計(jì)與制備 以固體功能物質(zhì)的分子工程學(xué)與晶體工程學(xué)為核心研究課題，設(shè)計(jì)和合成結(jié)構(gòu)新穎、具有功能性質(zhì)的化合物，應(yīng)用現(xiàn)代測試技術(shù)對化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能的表征，遴選出具有

14、應(yīng)用價(jià)值的化合物進(jìn)行單晶材料的制備，開展晶體生長、晶體的微觀缺陷、宏觀性能和晶體質(zhì)量的多維關(guān)系的研究，探索晶體材料的生長規(guī)律，開展若干具有重要應(yīng)用前景功能晶體制備的研究。本研究方向?qū)⒘D在探索新型功能材料的分子設(shè)計(jì)方面獲得高水平的原創(chuàng)性學(xué)術(shù)成果；發(fā)展優(yōu)質(zhì)大尺寸光電單晶材料的生長技術(shù)，為晶體材料在光電器件方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2022/8/91.6 其它：國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地有機(jī)/聚合物光電功能材料 本研究方向的研究重點(diǎn)為：（1）窄能帶共軛體系的結(jié)構(gòu)與性能：研究醌式共軛結(jié)構(gòu)中電子的流動(dòng)性與共軛長度的關(guān)系；調(diào)節(jié)分子平面形構(gòu)象以達(dá)到分子間通過軌道最大重疊而產(chǎn)生強(qiáng)相互作用的目的；引入分子自組裝技術(shù)，使

15、共軛單元作有序化排列，在超分子層面上優(yōu)化材料的功能性與可加工性。（2）新型低維聚合物功能材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用：以多相聚合物體系為對象，用新的物理手段獲得周期性微帶結(jié)構(gòu)；探索微帶結(jié)構(gòu)形成過程中的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對特定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制；研究微帶結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，開發(fā)其在納微電子器件制造方面的應(yīng)用。2022/8/91.6 其它：國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地微納米磁性功能材料及其制備 根據(jù)國際上磁性材料研究發(fā)展趨勢，以寧波市乃至浙江省磁性材料行業(yè)的需求為導(dǎo)向，探索新型磁性功能化合物及其制備科學(xué)問題，研究納米晶磁性材料晶粒尺寸變化對磁性能的影響規(guī)律、不同相之間的磁交換耦合作用、介觀系統(tǒng)的電子輸運(yùn)等科

16、學(xué)問題，研究各向異性納米晶塊體的制備科學(xué)問題；研究尺寸均勻可控的納米晶粒的粉體和塊體的制備科學(xué)問題；對現(xiàn)有微米晶磁性材料重點(diǎn)開展制備新技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。2022/8/91.6 其它：國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地新型光學(xué)功能材料及其制備 以現(xiàn)代光通信技術(shù)為主要應(yīng)用背景，開展新型光學(xué)功能材料的研究，解決光信息處理過程所涉及的關(guān)鍵材料科學(xué)問題，制備新型特種光學(xué)功能材料，通過對這些材料的組成、結(jié)構(gòu)、光譜以及激光特性的研究，遴選具有優(yōu)異性能的光纖放大器、光纖激光器、光波導(dǎo)放大器、光纖傳感器的基質(zhì)材料；研究玻璃預(yù)制棒制備、光纖拉制的核心技術(shù)；對光纖傳輸?shù)南嚓P(guān)機(jī)理進(jìn)行理論分析和數(shù)字模擬，設(shè)計(jì)光纖、放大器和傳感器

17、的結(jié)構(gòu)，研究相關(guān)光學(xué)器件的性能。本研究方向力圖開發(fā)出新型光學(xué)功能材料與器件的制備技術(shù)，為迅速發(fā)展光通信技術(shù)提供所需要的關(guān)鍵功能材料，推動(dòng)地方以光通信為主的電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。2022/8/91.6 其它：學(xué)術(shù)會(huì)議2022/8/92022/8/91.6 其它：學(xué)術(shù)期刊Advanced MaterialsChemistry of MaterialsCrystal Growth & DesignJ. Solid State ChemistryJ. Materials Science & TechnologySolid State ScienceJ. Alloys & CompoundsJ. Crystal GrowthJ. Non-Crystalline SolidsJ. Material Science LettersMaterials LettersJ. Sol-Gel Science & TechnologyJ. Material Science & Technology Materials Research BulletinBulletin of Materials ScienceMaterials Physics & ChemistryCrystal Engine