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文檔簡介
無機材料科學導論AnIntroductiontoScienceforInorganicMaterials(I)南京工業(yè)大學材料科學與工程學院郭露村推薦閱讀文獻
SuggestedReadingM.A.Omar,ElementarySolidStatePhysics,1sted.,Addison-WesleyPublishingCompany,1975C.Kittle,IntroductiontoSolidStatePhysics,4thed.JohnWiley&Sons,Inc.,NewYork,1971,(5thed.or6thed.evenbetter,ifavailable.)G.M.Barrow,PhysicChemistry,5thed.,McGraw-Hill,Inc.,1988L.H.VanVlack,ElementsofMaterialsScienceandEngineering,5thed.,Addison-WesleyPublishingCompany,1985(6thed.,1994)W.S.Kingery,IntroductiontoCeramics,2nded.,JohnWiley&Sons,Inc.,NewYork,1976.W.D.金格瑞等著[美].清華譯.《陶瓷導論》.
北京:建筑工業(yè)出版社,1982L.H.范.弗萊克著[美].夏宗寧等譯.《材料科學與工程基礎》
(第四版).機械工業(yè)出版社.1984馮端等主編,《材料科學導論》化學工業(yè)出版社.2002.5關振鐸等編.《無機材料物理性能》清華大學出版社,1992顧宜主編.《材料科學與工程基礎》
化學工業(yè)出版社.2002吳剛主編.《材料結構表征及應用》
化學工業(yè)出版社.2002李言榮,惲正中編.《材料物理學概論》清華大學出版社,2001張立德等著.《納米材料和納米結構》.
科學出版社,2001第二章:晶體結構ChapterIICrystalStructures2.1.基本概念Basicconcepts【晶體】crystal(結晶態(tài),crystallinestate)【多晶體】polycrystallinestate【無定形非晶體】amorphous
material【準晶體】quasicrystal【液晶】liquidcrystal【超晶格】superlattice【超材料】supermaterial2.1.1
凝聚態(tài)物質(zhì)的基本形態(tài)
PrincipalStatesofcondensedmatter
自然態(tài)非自然態(tài)【晶體】crystalAquartzcrystal
Ahalitecrystal
Anaquamarinecrystal單晶體外貌內(nèi)部原子排列完全周期性【多晶體】polycrystalline
陶瓷ceramics陶瓷顯微結玻璃陶瓷Li2O-Al2O3-SiO2
偏光顯微鏡ZrO2-Y2O3
陶瓷,TEM(Bright-field)96%Al2O3陶瓷Reflectedlightmicroscopy
冶煉碳化硅【無定形非晶體】amorphous
material
玻璃體、高分子、非晶態(tài)金屬Structureofglass:shortrangecrystallineSiO2玻璃(浮法玻璃)Transmittedpolarisedlightmicroscopy玻璃:玻璃體高分子非晶態(tài)金屬非晶態(tài)物質(zhì)結構SEMofsinglegrainsofquasicrystals:(a)anAluminum-Copper-Ironalloywhichcrystallizesintheshapeofadodecahedron.【準晶體】quasicrystal特點:具有長程取向序,而無平移對稱
(無排列周期性)【液晶】liquidcrystalinasolidcrystalstateinaliquidstateinaliquidcrystalstateTemperatureT1T2液晶相溫區(qū)Withinlayers,themoleculescanslidearoundeachother!液晶顯微結構PhotoofthesmecticCphase
(usingpolarizingmicroscope)PhotoofthesmecticCphase
(usingpolarizingmicroscope)Cross-polarisedlightmicroscopy
SEM【晶格與格點】crystallatticeandlatticesites
從具體的晶體抽象出來的幾何立體格子稱晶格,簡稱格子,其中所有的原子位置(atomicsites)均被格點(latticesitesorlatticepoints)取代。2.1.2.晶體結構基本要素及構成
Basicelementsandbuildupofcystals【fcc面心立方&bcc體心立方結構】face-centeredcubic&body-centeredcubic)Interstitialsitesinfcc體心立方bcc面心立方fcc2typesofhole–TetrahedralorOctahedral(larger)六方緊密堆積
hcpstructure
【緊密堆積結構】
hcp
&fcc(face-centeredcubic,面心立方)
立方緊密堆積
fcc
structure
(hexagonally-closepacked)ABCABC..packingABABA..packingNote:Thebccisnotaclose-packedstructure!Close-packedstructures【基】又稱:基元
basis
晶體中最小的周期性重復的單元的原子(離子)或原子團稱為基。例如:NaCl,蛋白質(zhì)晶體的基中含一萬個原子,CH4分子晶體CH4分子晶體中作為基元的CH4fcclattice+CH4Crystal=Lattice+Basis【基矢量、格矢量】basisvectors&latticevectorsa1a2a1,a2
為該2元晶格的基矢(量)Rn為格矢(量)Rn晶格中任意格點可用格矢Rn(a1,a2,a3
)表示
Rn=n1a1+n2a2+n3a3
a1,a2,a3
為基矢【原胞】primitivecell
由基矢圍成的六面體為原胞(primitivecell,或primitiveunitcell)其具有以下特征:通過平移用其可以“無縫隙地”填滿整個晶格。原胞只含一個格點(基),即只是八頂角有格點。最小體積。原胞選擇的方式可以不是唯一的,但體積是一定的。Bravais點陣不一定是原胞【
W-S單胞】Wigner-Seitzcell(維格納-賽茨晶胞)【單胞】又稱單位晶胞、晶胞(unitcell)為了更加清楚地表示晶體地對稱關系,常??赡苓x擇更大范圍的六面體作為單位來表示晶胞。通常稱其為單胞。注意:單位晶胞的體積大于或等于原胞。單位胞是原胞體積的整數(shù)倍(2n)。非原胞的單胞可以用原胞來表示,但幾何未必重疊。通常的“晶胞常數(shù)”是指單包。
單胞原胞面心立方的單位胞、原胞及W-S胞體心立方:單胞、原胞、W-S胞面心立方:單胞、原胞、W-S胞2.2Bavais格子及晶系
TheBravaislattices&
crystalsystems晶體的微觀對稱【Bravais
格子與非Bravais
格子】
Bravaislattice&non-Bravaislattice)Bravais格子:所有的格點(latticepoints)是等價的。它是最基本的格子(fundamentaltypeoflattice)三維晶體可能存在的最多格子形式只有14種非Bravais
格子:看成是Bravais格子+
基元而成。也可以看成是多個Bravais格子套裝而成。亞晶格
sublattice如:ZrO2中的氧離子單獨組成的“晶格”稱為“氧離子亞晶格”【14種Bravais格子】
Bravaislattices在14種格子中,按含格點的差異分4種類:P,I,F,
CSimple(primitive):P,Body-centered:I(innenzentrierte),Face-centered:F,Base-centered:CBravaisLatticeCrystalSystemUnitCellaxesangles1Simple三斜Triclinica≠b≠cα≠β≠γ≠90o2Simple單斜Monoclinica≠b≠c3Base-centered4Simple斜方Orthorhombica≠b≠cα=β=γ≠90o
5Base-centered6Body-centered7Face-centered8Simple四方Tetragonala=b≠cα=β=γ=90o9Body-centered10(Simple)三角Trigonal11(Simple)六方Hexagonalα=β=90o,γ=120o12Simple立方Cubica=b=cα=β=γ=90o13Body-centered14Face-centered【七大晶系】The7crystalsystems14種Bravaislattices抽去含格點的不同(P,I,F,C)即得到7大晶系對稱性TUnitCellandreciprocalcellofHexagonalHexagonalcellsHexagonalrepresentation(4axes)Rhombicrepresentation(3axes)2.3.點群與空間群
pointgroupandspacegroup
【對稱操作要素】【點群與點群對稱】【空間群】【對稱操作與要素】
SymmetryOperationsandElements
ASymmetryoperationisanoperationthatcanbeperformedeitherphysicallyorimaginativelythatresultsinnochangeintheappearanceofanobject,including
Rotation,reflection,andinversion
對稱操作完成后晶格保持不變!對稱分類中心對稱(至少一點保持不動)
反演中心條件r→-r晶格保持不變
14種Braivs格子全有inversioncentern度旋轉(zhuǎn)軸鏡面:立方有9鏡面,三斜晶系零鏡面、
n度旋轉(zhuǎn)反演軸非中心對稱螺旋軸(screwaxes)、滑移反映面(gladeplanes)【旋轉(zhuǎn)對稱】RotationalSymmetryn-度旋轉(zhuǎn)軸-n-FoldRotationAxis
2-fold1-fold8-fold5-fold3-fold4-fold6-fold【反映對稱】
MirrorSymmetry
【鏡面】reflectionplanes【反演對稱】
inversion【對稱中心】
CenterofSymmetry
又稱:反演中心(inversioncenter):
Inthisoperationlinesaredrawnfromallpointsontheobjectthroughapointinthecenteroftheobject,calledasymmetrycenter(symbolizedwiththeletter"i").【n度旋轉(zhuǎn)反演軸
】(n-foldrotationaxis)2-fold3-fold6-fold螺旋軸(screwaxes)、
滑移反映面(gladeplanes)【點群與點群對稱】
pointgroupanditssymmetries
在非Bavais點陣中,每一格點有一原子團簇(cluster),即基元(basis),稱為點群。該點群的對稱性稱為點群對稱。
點群對稱特點:有一點始終保持不變。共有32種點群。晶體的宏觀對稱CombinationsofSymmetryOperations
Infact,incrystalsthereare32possiblecombinationsofsymmetryelements.
These32combinationsdefinethe32CrystalClasses.
1
-
4-foldrotationaxis(A4)4-
2-foldrotationaxes(A2),2cuttingthefaces&2cuttingtheedges.5mirrorplanes(m),2cuttingacrossthefaces,2cuttingthroughtheedges,andonecuttinghorizontallythroughthecenter.Notealsothatthereisacenterofsymmetry(i).Thesymmetrycontentofthiscrystalisthus:i,1A4,4A2,5mExternalSymmetryofCrystals,
32CrystalClasses
1Tetragonal41A4Tetragonal-Pyramidal4Tetragonal-disphenoidal4/mi,1A4,1mTetragonal-dipyramidal4221A4,4A2Tetragonal-trapezohedral4mm1A4,4mDitetragonal-pyramidal2m4,2A2,2mTetragonal-scalenohedral4/m2/m2/mi,1A4,4A2,5mDitetragonal-dipyramidal四方晶系所屬7個晶形偏三角面體偏方三八面體【空間群】spacegroup點群對稱+平移對稱(translationsymmetries)
72種空間群72種空間群+螺旋軸和滑移反映面對稱
230種空間群晶體結構與各種微觀及宏觀對稱間的關系
(晶系,Bravais格子,32點群,72及230空間群的關系)7大晶系+格點差異→
14Bravais
格子14Bravais+32點群
→72空間群
72空間群+螺旋軸,滑移反映→230空間群2.4.格點、晶向、晶面及密勒指數(shù)
Crystalpoints,directions,crystalplanes
andMillerIndices【格點指數(shù)】【晶向指數(shù)】Orthorhombicunitcell.(a)Indicesofpoint(b)Indicesofdirections.【晶向指數(shù)】CrystaldirectionsRn=n1a+n2b+n3c[n1n2n3
]
如有共同系數(shù)則約去:[111]注意:不是指特定的通過原點的直線,而是所有同方向的線。<100>則表示等價的方向“晶向族”:[100][][][100][010][001]指數(shù)越高,線密度越小?!久芾罩笖?shù)】MillerIndices
就是晶面指數(shù)(hkl)planeindices方法:(a/xb/yc/z)
注意:不是指特定的面,而是所有平行的面。{hkl
}則表示等價的方向“晶面族”:(100)(100)(010)(001)指數(shù)越高,面密度越小,面間距dhkl也越小MillerIndices
(hkl)
Step1:
Identifytheinterceptsonthex-,y-andz-axes.Intercepts:
a,∞,∞Step2:
Specifytheinterceptsinfractionalco-ordinatesCo-ordinatesareconvertedtofractionalco-ordinatesbydividingbytherespectivecell-dimension-forexample,apoint(x,y,z)inaunitcellofdimensions
axbxc
hasfractionalco-ordinatesof(x/a,y/b,z/c).Inthecaseofacubicunitcelleachco-ordinatewillsimplybedividedbythecubiccellconstant,a.ThisgivesFractionalIntercepts:
a/a,¥/a,¥/a
i.e.
1,¥,¥Step3:
TakethereciprocalsofthefractionalinterceptsThisfinalmanipulationgeneratestheMillerIndiceswhich(byconvention)shouldthenbespecifiedwithoutbeingseparatedbyanycommasorothersymbols.TheMillerIndicesarealsoenclosedwithinstandardbrackets(….)whenoneisspecifyingauniquesurfacesuchasthatbeingconsideredhere.Thereciprocalsof1and¥are1and0respectively,thusyieldingMillerIndices:
(100)陶瓷晶體的結構特點?CrystalStructuresfromanionpackingCeramiccrystalstructurescan
oftenbeconsideredasclose-packedanionstructureswithcationsininterstitialholes?2typesofhole–TetrahedralorOctahedral(larger)?2typesofpacking–FCCorHCP?Examples–NaCl–FCCanionpacking,cationsinoctahedralholes–ZnS–FCCanionpackingwithcationsintetrahedralholes–Al2O3–HCPanionpackingwithAlin2/3octahedralsites【NaCl結構】RocksaltstructureAnionlattice:FCCCationfilling:alloctahedralsitesTherC/rA:0.414~0.732Stoichiometry:MXExample:NaCl,KCl,LiF,MgO,CaO,SrO,NiO,CoO,MnO,PbO,etal.2.5.
典型的晶體結構
Typicalcrystalstructures【CsCl結構】【Diamond與ZnS結構】纖鋅礦結構【鈣鈦礦結構
】CaTiO3結構ABO3BaTiO3TetragonalBaTiO3(below120oC):astructureleadingtoitspiezoelectricity.Diagramshowinghowpiezoelectricmaterialworks【熒石結構
】
Fluoritestructure
(反熒石結構
Antifluoritestructure)FCaZrO【
ZrO2】ZrOZrOZrOZrOZrO2中存在大量的”空位”!OZrElectrolyteMaterialsI:ZrO2(YSZ)
Verylowelectronicconduction
(bandgap:>7eV)VeryhighthermodynamicstabilityEasilydopedwithlowervalencecations(e.g.Ca2+,Y3+,Sc3+)tocreateoxygenvacanciesDopedmaterialishighlyoxideionconductive>0.1Ω-1cm-1at1000oC)ThegeneralformulahastheformAO2,whereAisusuallyabigtetravalentcation,e.g.U,Th,Ce.SinceZr4+istoosmalltosustainthefluoritestructureatlowtemperatures,ithastobepartlysubstitutedwithalargercation,calleddopant.Dopinginvolvesusuallysubstitutinglowervalencecationsintothelattice.Inordertomaintainchargeneutralityoxygenvacancieshavetobeintroduced,whichallowoxygenionmigration.Fluoritestructure
andZrO2(YSZ)OZrFluoritestructure
andZrO2(YSZ)OZrYZirconia(zirconiumdioxide,ZrO2)initspureformhasahighmeltingtemperatureandalowthermalconductivity.Theapplicationsofpurezirconiaarerestrictedbecauseitshowspolymorphism.Itismonoclinicatroomtemperatureandchangestothedensertetragonalphasefromcirca1000
°C.Thisinvolvesalargechangeinthevolumeandcausesextensivecracking.Hencezirconiahasalowthermalshockresistivity.Theadditionofsomeoxidesresultsinstabilisingthecubicphaseandthecreationofoneoxygenvacancy.Partiallystabilizedzirconia(PSZ)isamixtureofzirconiapolymorphs:acubicandametastabletetragonalZrO2phaseisobtained,sinceaninsufficientamountofstabilizerhasbeenadded.PSZisalsocalledtetragonalzirconiapolycrystal:TZP.PSZisatransformation-toughenedmaterialsincetheinducedmicrocracksandstressfieldsabsorbenergy.PSZisusedforcruciblesbecauseithasalowthermalconductivityandahighmeltingtemperature.Theadditionof16
mol%CaOor16
mol%MgOor8
mol%Y2O3(8YSZ)isenoughtoformfullystabilizedzirconia.Thestructurebecomescubicsolidsolution,whichhasnophasetransformationwhenheatingfromroomtemperatureupto2500
°C.Becauseofitshighoxideionconductivity,YSZisoftenusedforoxygensensoringandsolidoxidefuelcells.FurtherReading
IonicconductionandcrystalstructureIonicconductiondependsonthemobilityoftheionsandthereforeontemperature.Athightemperatures,theconductivitycanreach1
S
cm-1,whichisofthesameorderofmagnitudeasforliquidelectrolytes.Thecrystalhastocontainunoccupiedsitesthatareequivalenttotheoccupiedsitesbylatticeoxygenions.Theenergybarrierformigrationfromanoccupiedsitetoanunoccupiedsitemustbesmall(≤1
eV).Thismightseemunusualsincetherelativesizeoftheoxygenionsisbiganditseemsmorelikelythatthesmallermetalionsmigrateinanelectricfield.Thatiswhythereareonlyafewspecialstructuresthatmakeoxygenionmigrationpossible:
fluoriteandperovskitesoxides.【
Al2O3】AlORutileTiO2【金紅石結構】Rutilestructure2.6.倒格子與布里淵區(qū)
Reciprocallattices&BrillouinZone定義:以晶格a1,a2,a3,
為基矢的R格矢,可定義另一組矢量為:
b1=2π/V(a2×a3
)
b2=2π/V(a1×a3
)
b3=2π/V(a2×a1
)
V=a·(a2×a3
)由矢量b1、
b2、b3構成的
G=n1b1+n2b2+n3
b3
稱R的倒格子,而b1、
b2、b3則稱為倒基矢,而原晶格則稱為正格子(directlattices,reallattices)。由G構成的空間稱為倒空間?!镜垢褡印康垢褡拥奶卣鳎海ńY論)
倒格子的特征:所有晶體結構都存在相應的倒格子,與正格子具有同樣的對稱性必屬同一晶系,但可以是不同的Bravais格子,如bcc與fcc.正格子倒格子V=a1·(a2×a3
)六方格子的倒格子仍舊是六方格子,但方向改變了。正格子倒格子fcc與bcc互為倒格子正格子倒格子【布里淵區(qū)】BrillouinZone定義:W-S胞的倒格子即為第一Brillouin區(qū)(FirstBrillouinZone)。特點:倒空間原胞與W-S胞同樣是格點在中心。bcc與fcc互為倒格子包含所有的基本信息二維WS胞及BrillouinZone【幾何空間】
晶體學(crystallography)【狀態(tài)空間】
就是倒空間又稱k空間,在固體物理學中用于描述電子(electron)、光子(photon)、聲子(phonon)等在晶體中的狀態(tài)和行為【幾何空間與狀態(tài)空間】Whyreciprocallattice?Electronwaveslikeallwavesexperiencediffractioneffectsinperiodicstructureslikecrystals.Thisisbestdescribedinthereciprocallatticeofthecrystalinquestion.Thereareseveralwaystoconstructareciprocallatticefromaspacelattice.
Definitionsofthereciprocallatticeinthreeways:1.
ThereciprocallatticeistheFouriertransformofthespacelattice.
2.Thereciprocallatticewithanelementarycell(EC)asdefinedbythebasevectors
b1,2,3isobtainedformthespacelatticeasdefinedbyitsbasevectorsa1,2,3bytheequations3.Thebasevectorsofthereciprocallatticecanbeconstructedbydrawingve
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