第一章 晶體學(xué)基礎(chǔ)

第一章晶體學(xué)基礎(chǔ)第一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)賴以發(fā)展的各種光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)材料，主要的存在形式是固體物質(zhì)。固體物質(zhì)可以按照其組成粒子排列程度分為晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)和非晶態(tài)。晶態(tài)固體具有長程有序的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，即其中組成單元是處于一定格式空間排列的狀態(tài)。非晶態(tài)固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似液體，只在幾個原子間距的范圍內(nèi)或者在短程范圍內(nèi)處于有序狀態(tài)，而長程范圍原子的排列沒有一定的格式。第二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四1.1晶體結(jié)構(gòu)的周期性1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的周期性與點(diǎn)陣1、晶體的周期性：晶體是一種內(nèi)部粒子或粒子集團(tuán)在空間按一定規(guī)律周期性重復(fù)排列而成的固體。結(jié)構(gòu)基元和大小方向?yàn)槎€要素。2、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與點(diǎn)陣：將晶體結(jié)構(gòu)中的每個結(jié)構(gòu)基元抽象成一個點(diǎn)，將這些點(diǎn)按照周期性重復(fù)的方式排列，就可構(gòu)成點(diǎn)陣。第三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四3、點(diǎn)陣的基本性質(zhì)：凡是能夠抽取出點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)可稱為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以被與它相對應(yīng)的平移群所重復(fù)。第四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四一個點(diǎn)陣點(diǎn)中只有一個基本結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣稱為素單元點(diǎn)陣。如上述直線點(diǎn)陣。一個點(diǎn)陣點(diǎn)中含有二個或二個以上基本結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣你復(fù)合點(diǎn)陣，如石墨晶體。第七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四3.點(diǎn)陣的基本性質(zhì)：按連接任意兩點(diǎn)所得的向量平移拮能夠復(fù)原的一組點(diǎn)為點(diǎn)陣。點(diǎn)陣的二個必要條件：（1）點(diǎn)數(shù)無限多；（2）各點(diǎn)所處環(huán)境完全相同。第九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四點(diǎn)陣和平移群之間的聯(lián)系：1）連接任意兩點(diǎn)陣點(diǎn)所得的向量必屬于平移群；2）屬于平移群的任一向量的一端落在與其對應(yīng)的點(diǎn)陣點(diǎn)時，其另一端必落在此點(diǎn)陣中的另一點(diǎn)陣點(diǎn)上。因此，點(diǎn)陣、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)及晶體之間存在著一一對應(yīng)的關(guān)系：點(diǎn)陣中每一點(diǎn)陣點(diǎn)對應(yīng)著點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的一個結(jié)構(gòu)基元，在晶體中則是一些組成晶體的實(shí)物微粒，即原子、分子或離子等，或是這些微粒的集團(tuán)；空間點(diǎn)陣中的基本單位是一個個小的平行六面體，在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中就是把每個點(diǎn)陣點(diǎn)恢復(fù)了它代表的結(jié)構(gòu)基元后的實(shí)體單位，在晶體中即為晶胞。相應(yīng)的，素單位和復(fù)單位則分別對應(yīng)著素晶胞和復(fù)晶胞。第十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四1.1.2晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)第十一頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四1.1.3晶體缺陷1、理想晶體與實(shí)際晶體晶體的基本特征是具有周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。因此可以認(rèn)為，按照點(diǎn)陣式的周期性在空間無限伸展的晶體就是理想晶體。但這種理想晶體在自然界中同一切完全理想的事物一樣，是不可能存在的，真正存在的實(shí)際晶體，并不具有理想的、完整的、無限的理想結(jié)構(gòu)，往往存在偏離理想晶體的狀況存在。第十二頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四實(shí)際晶體偏離理想晶體的原因：（1）實(shí)際晶體中的微粒數(shù)量是有限的；（2）晶體中所有的微粒并非處在晶格中相應(yīng)位置靜止不動，而是在其平衡位置附近不停的振動；（3）實(shí)際晶體中多少存在一定的缺陷。這些缺陷是指偏離理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)情況。晶體的結(jié)構(gòu)缺陷包括點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷等情況。第十三頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四第十四頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四晶體的點(diǎn)缺陷包括空位、雜質(zhì)原子、間隙原子、錯位原子和變價(jià)原子。晶體在一定溫度下原子在振動過程中可能克服其勢壘，離開其平衡位置而擠入間隙位置，形成一對空位和間隙原子的缺陷，這類缺陷稱為Frenkel缺陷。而一對正負(fù)離子同時離開其平衡位置在而遷移到晶體表面，出現(xiàn)了正負(fù)離子空位并存的現(xiàn)象稱為Schottky缺陷。晶體中含有微量雜質(zhì)原子時，當(dāng)雜質(zhì)原子取代了正常原子的位置時，則形成雜質(zhì)原子缺陷。第十五頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四晶體的線缺陷的主要形式是各種形式的位錯。從而導(dǎo)致晶體中點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的不嚴(yán)格。線缺陷嚴(yán)重時可使實(shí)際晶體變?yōu)槎嗑?，即晶體是由許多微小的晶塊組成。面缺陷和體缺陷是涉及平面點(diǎn)陣和空間點(diǎn)陣的缺陷。面缺陷是指晶體中可能缺少某一層的粒子，形成了層錯現(xiàn)象。體缺陷則指在晶體中出現(xiàn)空洞、氣泡、包裹物和沉積物等。第十六頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四層錯現(xiàn)象第十七頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四

在實(shí)際晶體中缺陷和畸變的存在使正常的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞或擾亂，對晶體的生長，晶體的力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等到都有很大的影響，在生產(chǎn)和科研中非常重要，是固體物理、固體化學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的重要內(nèi)容。第十八頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四２、單晶體、多晶體與微晶體

若一個固體基本上為一個空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)所貫穿，則稱之為單晶；同一種晶體中的兩部分或幾部分相互之間不是由同一點(diǎn)陣所貫穿，但它們卻是規(guī)則地連生在一起而形成晶體，稱為雙晶，又稱孿晶。有些晶體是由許多不同的單晶體以不同的取向聚集而成，稱為多晶體。最常見的多晶體就是金屬及合金。第十九頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四３、同質(zhì)多晶和類質(zhì)多晶一些組成固定的化合物，由于其內(nèi)部微粒可以以不同的方式堆積，因而產(chǎn)生不同種類的晶體，我們把這種同一化合組成存在兩種或兩種以上晶體結(jié)構(gòu)形式的現(xiàn)象為同質(zhì)多晶現(xiàn)象。

同種化合物的不同晶型，在其物理、化學(xué)性質(zhì)上可能差別很大，如金剛石與石墨。就物理性質(zhì)熔點(diǎn)與硬度來看，通常晶體的熔點(diǎn)由結(jié)構(gòu)中最強(qiáng)的鍵決定，而晶體的硬度則由晶體中最弱的相互作用力來決定。第二十頁，共二十二頁，編輯于2023年，星期四

在兩個或多個化合物中，如果化學(xué)式相似，晶體結(jié)構(gòu)形式相同，并能互相置換的現(xiàn)象，我們稱之為類質(zhì)同晶現(xiàn)象。１.２晶體結(jié)構(gòu)的對稱性內(nèi)容由結(jié)構(gòu)化學(xué)介紹第二十一頁，