福州大學(xué) 固體物理 第二章

晶體結(jié)構(gòu)深入探討晶體材料的微觀結(jié)構(gòu),了解其獨(dú)特的原子排列方式及其對(duì)材料性能的影響。掌握晶體結(jié)構(gòu)分類和表征方法,為后續(xù)學(xué)習(xí)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。byJerryTurnersnull2.1晶體的定義什么是晶體?晶體是原子、離子或分子有規(guī)律地排列成的固體物質(zhì),具有長程有序的結(jié)構(gòu)。晶體常見于自然界,也可以人工制造。晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶體的原子或離子以有序的方式排列在三維空間中,形成重復(fù)的周期性結(jié)構(gòu),這是晶體與非晶態(tài)物質(zhì)的主要區(qū)別。晶體的分類根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,晶體可分為離子晶體、共價(jià)晶體、金屬晶體和分子晶體等幾類。不同晶體有不同的性質(zhì)和用途。2.2晶體的對(duì)稱性晶體對(duì)稱性是晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特征。晶體具有各種不同的點(diǎn)群對(duì)稱性,如球形、柱形、菱形等。這些對(duì)稱性決定了晶體的物理性質(zhì),如晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)、光學(xué)性質(zhì)等。通過分析晶體的對(duì)稱性,可以更深入地理解晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)群對(duì)稱性可通過進(jìn)行分析和描述。立方晶系、六方晶系等不同晶系具有不同的對(duì)稱性,反映在晶體的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上。了解晶體的對(duì)稱性對(duì)于深入理解晶體的性質(zhì)和應(yīng)用至關(guān)重要。2.3晶體的基本晶格1原子排列規(guī)律晶體是由規(guī)則排列的原子組成的固體物質(zhì),其中原子以特定的幾何排列方式連接在一起,形成重復(fù)單元。2基本單胞在晶體的3維空間中,可以通過少量重復(fù)單元來描述全部原子的排列。這些重復(fù)單元稱為基本單胞,是描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元。3晶格類型根據(jù)基本單胞中原子的排列方式,晶體可分為立方晶格、正交晶格、菱形晶格、三斜晶格等基本類型。2.4布拉維晶格布拉維晶格是一種最基本的晶體結(jié)構(gòu)。它是由平移對(duì)稱性操作構(gòu)成的三維規(guī)則網(wǎng)格,可以完全描述一個(gè)晶體的空間排布。布拉維晶格具有簡單的幾何結(jié)構(gòu)和高度對(duì)稱性,是揭示晶體結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)。晶格參數(shù)的確定確定晶格參數(shù)是晶體結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵步驟。主要方法包括X射線衍射、電子衍射等。通過分析樣品衍射圖譜可精確獲取各晶格常數(shù)、晶胞體積等信息。配合已有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步確定晶體的空間群、原子排列等細(xì)節(jié)。2.6晶體的點(diǎn)陣晶體的基本結(jié)構(gòu)晶體由規(guī)則重復(fù)排列的原子、分子或離子組成,這種周期性的三維空間排列結(jié)構(gòu)稱為晶體點(diǎn)陣。點(diǎn)陣是描述晶體結(jié)構(gòu)的基本單元。晶體點(diǎn)陣的分類根據(jù)原子或離子在晶胞中的排列方式,晶體點(diǎn)陣可分為簡單立方、體心立方和面心立方等基本類型。每種類型都有其特點(diǎn)和應(yīng)用。晶格參數(shù)的確定描述晶體結(jié)構(gòu)的六個(gè)基本參數(shù),包括晶胞的長度a、b、c和角度α、β、γ,可用來鑒定和區(qū)分不同種類的晶體。晶體點(diǎn)陣的缺陷晶體點(diǎn)陣中可能存在空位、嵌入原子和位錯(cuò)等缺陷,這些缺陷會(huì)影響晶體的性能,在材料設(shè)計(jì)和制造中需要加以控制。晶體的空間群空間群的定義晶體的空間群是描述晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性的一種數(shù)學(xué)方法。它定義了晶體單胞內(nèi)各原子的相對(duì)位置以及可能的晶格變換操作。空間群的分類根據(jù)平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等對(duì)稱元素的組合方式，共有230種不同的空間群。它們被編號(hào)并命名為國際柱晶系符號(hào)?？臻g群的應(yīng)用空間群為晶體學(xué)研究提供了標(biāo)準(zhǔn)化的分類方法,有助于分析晶體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及晶體生長過程。它在材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?？臻g群與對(duì)稱性空間群描述了晶體結(jié)構(gòu)的各種對(duì)稱性,如旋轉(zhuǎn)、鏡面、滑動(dòng)鏡等,這些對(duì)稱性決定了晶體的物理性質(zhì)。晶體的基本類型1晶體系統(tǒng)晶體可以分為7大晶體系統(tǒng):立方晶系、正交晶系、單斜晶系、三斜晶系、菱面晶系、四方晶系、六方晶系。每種晶系都有其獨(dú)特的晶胞參數(shù)和對(duì)稱操作。2晶胞形狀晶胞的形狀反映了晶體的對(duì)稱性,有立方體、平行六面體、棱柱、斜方體等幾何形狀。不同的晶體系統(tǒng)具有不同的晶胞形狀。3晶體點(diǎn)陣晶體的空間結(jié)構(gòu)可以用14種布拉維晶格來表示,如簡單立方晶格、體心立方晶格、面心立方晶格等。不同的點(diǎn)陣代表不同的原子排列。4晶體類型根據(jù)化學(xué)成分和原子結(jié)構(gòu),晶體可分為離子晶體、共價(jià)晶體、金屬晶體和分子晶體等基本類型。它們?cè)谛再|(zhì)和結(jié)構(gòu)上有明顯差異。2.9晶體的缺陷1點(diǎn)缺陷原子空位、間隙原子、雜質(zhì)原子2線缺陷螺旋位錯(cuò)、邊位錯(cuò)3面缺陷晶界、孿晶界、堆垛錯(cuò)誤4體缺陷空洞、裂紋、夾雜物晶體的缺陷是指晶體結(jié)構(gòu)中存在的各種偏離理想狀態(tài)的結(jié)構(gòu)缺陷。這些缺陷會(huì)影響晶體的性質(zhì)和性能,包括機(jī)械、電子、光學(xué)等特性。我們需要了解不同類型的晶體缺陷,并掌握檢測和控制這些缺陷的方法,以優(yōu)化晶體材料的性能。2.10晶體的熱膨脹1熱膨脹系數(shù)衡量材料在升溫后體積增大的程度2熱膨脹效應(yīng)溫度升高會(huì)使晶體晶格參數(shù)增大3影響因素化學(xué)鍵類型、晶格結(jié)構(gòu)、溫度范圍等晶體的熱膨脹是一個(gè)重要的熱力學(xué)性質(zhì),反映了晶體在溫度變化下的體積變化特征。熱膨脹系數(shù)是表征熱膨脹效應(yīng)的重要參數(shù),不同材料的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異。影響熱膨脹的主要因素包括化學(xué)鍵類型、晶格結(jié)構(gòu)以及溫度范圍等。合理控制熱膨脹可以提高材料的使用性能。2.11晶體的彈性300GPa彈性模量晶體的彈性模量通常在300GPa左右,是非晶體材料的數(shù)倍。這反映了晶體內(nèi)原子之間強(qiáng)勁的鍵合力。180GPa剪切模量晶體的剪切模量通常在180GPa左右,也是非晶體材料的數(shù)倍。這使得晶體具有出色的抗變形能力。晶體的彈性特性主要由晶格中原子之間的化學(xué)鍵決定。強(qiáng)鍵合使得晶體在小應(yīng)變下表現(xiàn)出高度的彈性,可以承受大的外力而不會(huì)發(fā)生塑性變形。晶體的彈性模量和剪切模量都遠(yuǎn)高于非晶體材料。晶體的聲波聲波傳播晶體內(nèi)部的原子振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲波,可沿晶格中不同方向傳播。聲波傳播速度取決于晶體的種類和結(jié)構(gòu)。聲子分散關(guān)系晶體中的聲波漲落可用聲子分散關(guān)系來描述,反映了聲波在不同頻率下的傳播特性。聲波應(yīng)用晶體的聲波性質(zhì)可用于設(shè)計(jì)聲學(xué)器件,如晶體聲波濾波器和聲波放大器等,在信息技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。2.13晶體的導(dǎo)電性晶體的導(dǎo)電性主要取決于其原子結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型。不同類型的晶體具有不同的導(dǎo)電機(jī)制,分為金屬性晶體、半導(dǎo)體晶體和絕緣體晶體三大類。金屬性晶體由自由電子組成,具有很高的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體晶體則需要施加外加電場或熱能才能產(chǎn)生自由載流子,導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間。絕緣體晶體則幾乎不含自由電子,導(dǎo)電性極低。晶體的光學(xué)性質(zhì)光學(xué)疇晶體的光學(xué)疇反映了晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,決定了晶體的光學(xué)各向異性和復(fù)折射等光學(xué)性質(zhì)。折射率晶體的折射率是描述光在晶體中傳播的一個(gè)重要參數(shù),與晶體的化學(xué)組成和密度有關(guān)。雙折射一些晶體具有雙折射性質(zhì),能使光線發(fā)生偏折,形成兩束相互垂直的折射光線。晶體的磁性晶體內(nèi)部原子的磁矩排列形成的整體性磁性行為,是研究晶體物理性質(zhì)的重要內(nèi)容。不同類型的磁性存在于各種晶體材料中,對(duì)晶體的應(yīng)用具有重要意義。2.16晶體的超導(dǎo)性零電阻超導(dǎo)體在臨界溫度以下表現(xiàn)出完美導(dǎo)電性,電阻為零,電流可以在內(nèi)部無損耗地流動(dòng)。磁場排斥超導(dǎo)體在臨界磁場以下會(huì)完全排斥外部磁場,表現(xiàn)出完美的抗磁性。量子效應(yīng)超導(dǎo)現(xiàn)象涉及量子力學(xué)效應(yīng),如德布羅意波、量子干涉和量子隧穿等。2.17晶體的相變晶體的相變指晶體從一種結(jié)構(gòu)或狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的過程。這可以包括相圖中晶體從固態(tài)到液態(tài)或氣態(tài)的轉(zhuǎn)變,也可以是某些特殊條件下結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,如溫度或壓力升高導(dǎo)致的相變。相變過程通常伴隨著體積、密度、熱力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)的不連續(xù)變化,這種不連續(xù)變化稱為一階相變。有時(shí)相變也可能是連續(xù)的,稱為二階相變。晶體相變的機(jī)理是基于晶格畸變和原子重排的微觀過程。晶體的生長1種子晶核形成晶體生長的第一步是形成種子晶核,這需要通過控制溫度、壓力和成分等因素來實(shí)現(xiàn)。種子晶核是后續(xù)晶體生長的基礎(chǔ)。2晶體表面積的增長在種子晶核形成后,溶質(zhì)原子會(huì)在晶體表面吸附并有序排列,使晶體的表面積不斷增大。這個(gè)過程需要精細(xì)調(diào)控生長條件。3晶體內(nèi)部的完善隨著生長過程的進(jìn)行,晶體會(huì)逐步趨于完美,內(nèi)部缺陷和應(yīng)力也會(huì)得到緩解。優(yōu)化生長條件對(duì)此至關(guān)重要。晶體的表征晶體結(jié)構(gòu)的表征是晶體科學(xué)研究的核心內(nèi)容之一?，F(xiàn)代先進(jìn)的表征技術(shù),如X射線衍射、電子顯微鏡、掃描探針顯微鏡等,可以精確地測定晶體的晶格參數(shù)、原子排布、缺陷結(jié)構(gòu)等,是了解晶體性質(zhì)的重要手段。這些表征手段在材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。2.20晶體的應(yīng)用晶體材料在電子、光學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。電子行業(yè)中,晶體可用作電子管、集成電路、電子器件等的關(guān)鍵材料。在光學(xué)領(lǐng)域,晶體可制作激光器、光學(xué)傳感器、顯示屏等。此外,晶體還可用作傳感設(shè)備、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等的基礎(chǔ)材料。2.21本章小結(jié)晶體多樣性本章全面介紹了晶體的各種性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征,涵蓋了從基本晶格到