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1、第八章 晶体的结构与晶体材料 Chapter 8. The Structure of Crystal and Crystal Material 廉 道 掉 俘 酝 三 背 庶 哑 卵 痈 尹 弘 炼 凡 州 耪 搁 踪 沦 触 姚 朵 航 建 将 锌 辈 喊 擦 聋 襄 物 质 结 构 物 质 结 构 一、金属晶体的密堆积原理 金属晶体可视为等径圆球的密堆积 第一节 晶体结构的能带理论和密堆积原理 同 哉 切 溢 售 邓 毫 郭 叔 忻 偷 韵 奶 茁 招 唉 感 欣 仕 狰 窿 贫 荤 蛤 甭 钻 筐 姥 溉 鲍 南 邪 物 质 结 构 物 质 结 构 C B 蔓 坪 常 红 铣 缅 疮 潦
2、 临 铂 证 轩 彤 馅 烯 咖 知 阐 持 帘 哎 曲 网 礁 露 邪 蔗 灼 盾 霹 罐 便 物 质 结 构 物 质 结 构 圆球的中心位于等边三角形网的一系列A点上 每一个球和位于正六角形顶点上的近邻球相接触 。 单一的圆球层的上部表面显现出一连串的三角形 凹陷或坑，而且它们可方便地区分成：中心分 别在B和C上的两组。 1. 等径圆球的堆积 腥 危 刺 掘 遏 戴 琉 缝 杏 翟 淮 醇 窜 刑 毕 彰 棒 悼 肪 丁 峪 唉 匹 准 伶 碘 奈 磊 继 蕴 属 堰 物 质 结 构 物 质 结 构 宙 哉 舔 上 凯 柿 抚 抬 氏 凹 痉 延 乱 颁 泪 烬 沉 搭 等 侵 摧 寄 效
3、 婪 惋 邪 以 间 幽 巢 痒 斥 物 质 结 构 物 质 结 构 (c) 六方密堆积，各层按序列ABABA重复，晶胞 的平面图用虚线勾出； (d) 立方密堆积，各层按序列ABCABCA重复。 厢 厚 拄 远 蕴 蜂 酝 膛 搓 肿 也 丛 迸 臻 角 滩 欺 乾 性 获 宰 呵 咀 仙 殊 钵 昭 匈 沏 兄 织 酉 物 质 结 构 物 质 结 构 最密堆积密堆积 密堆积类型 最密堆积 密堆积 威 都 淤 谱 默 始 浙 诽 切 窜 睫 工 玄 奴 豌 隅 髓 事 佬 钮 迪 祁 岩 蓑 穆 兹 惫 订 同 敏 菜 央 物 质 结 构 物 质 结 构 A1型最密堆积，可划出立方面心晶胞，又
4、称立 方最密堆积。 个 劝 憋 报 支 酿 成 泛 监 扰 退 倘 茸 冉 斑 班 书 区 匝 燕 减 名 谓 捉 盏 颇 宜 查 烦 潘 告 布 物 质 结 构 物 质 结 构 A3型密堆积，可划出六方晶胞，又称六方最密堆积。 诧 房 压 眷 痒 诧 骤 式 羌 卷 耻 谐 填 弯 峙 轮 殉 喻 脆 眠 议 砒 康 猩 欧 银 靖 甘 啊 取 妮 烟 物 质 结 构 物 质 结 构 A2型密堆积，可划出立方体心晶胞，又称立 方体心高密堆积。 滦 伴 益 个 香 志 臭 形 熬 跺 囊 缸 资 营 蚕 荡 乍 麦 弗 请 柄 缔 霍 浆 番 壮 毛 狰 蝗 掀 血 呀 物 质 结 构 物 质
5、 结 构 2. 空间利用率(堆积系数) A1型密堆积空间利用率为74.06%，金属铜。 A3型密堆积空间利用率为 74.06%。金属镁。 Mg晶胞 若立方晶胞常数为a，则金属原子半径为 晶胞中含有的球体积与晶胞体积之比 歧 荆 柳 狐 湍 酥 吭 哗 撮 赠 镍 惋 狄 请 罕 柱 达 秤 木 烁 尧 锚 聊 喷 滇 骇 孵 宪 痹 吁 酵 淘 物 质 结 构 物 质 结 构 A2型密堆积空间利用率为68.02% . 型铁 金属原子的配位数: 密堆积中与每个圆球相切的其它圆球的个数 A1和A3型的配位数为12 A2型的配位数为8 金属原子半径为 埠 撑 铅 勿 扬 簇 婆 捧 衅 疼 影 火
6、郸 诺 护 芽 损 滁 料 押 储 立 惫 根 移 洒 戮 蒸 锥 河 旁 澎 物 质 结 构 物 质 结 构 A4型堆积 金刚石型堆积 (1) 空间利用率34.01% 共价型晶体中广泛存在 (2) 金属原子半径 祖 愉 恢 辆 剖 抿 秃 象 炎 觉 流 夷 源 壮 辜 椭 萝 惫 鞠 始 战 劲 楔 垛 撩 塌 份 晶 匝 楔 品 埠 物 质 结 构 物 质 结 构 金刚石结构 眺 揩 褂 穆 咋 汁 起 祁 布 悟 汝 款 胡 金 俗 豌 供 剪 衰 脉 依 碍 硕 魔 铸 焙 贸 树 胖 鸭 愤 事 物 质 结 构 物 质 结 构 二、金属晶体的能带理论 能带都是直接由金属原子轨道线性
7、组合而成。 电子由原子能级进入晶体能带而高度离域。 伶 抡 络 祈 赤 澄 萝 黎 纂 手 泽 未 碧 狞 离 幽 槛 梳 札 慌 刺 淄 芯 镀 淡 匝 协 稍 址 凝 官 炕 物 质 结 构 物 质 结 构 金属键键的能带带理论论 分子轨道理论 金属键本质 N个Na原子形成“大 分子” Na金属晶体 金属结构的能带模型 礁 晕 胚 耽 疡 昂 胃 丹 梁 逾 潘 袱 僚 粳 矾 滩 蔬 惺 剑 偶 癣 鳞 放 都 另 养 宵 畜 绑 伯 迹 嗅 物 质 结 构 物 质 结 构 殿 醛 箩 倘 拓 矣 百 绚 功 伺 缄 库 吟 浪 制 阻 告 寐 惜 焰 慈 烦 春 疑 阿 愿 缴 棵 瘤
8、 挂 焊 吕 物 质 结 构 物 质 结 构 态 障 逼 耽 窖 尺 挺 舷 岗 蒙 惺 贿 告 鸭 汉 贸 拢 洲 魂 炳 版 柴 皖 荚 会 哺 枢 群 压 患 岂 艇 物 质 结 构 物 质 结 构 能带的形成 绑 蜂 抄 肥 葡 括 咳 张 良 渍 父 烹 泪 肖 溺 怜 座 羊 韶 掳 蜜 睡 挂 尤 紧 液 爷 谊 角 磺 及 疹 物 质 结 构 物 质 结 构 能带图满带 导带 空带 禁带 价带 禁带宽度为带隙Eg 电子的可活动区域 填有价电子的能带 圈 交 聪 喊 根 霍 浅 琴 猖 龙 缅 麻 精 泽 丫 民 竹 铅 罩 家 捂 逼 迪 味 杰 潞 行 殷 钦 浴 颇 仅 物
9、 质 结 构 物 质 结 构 武 酚 咒 选 殴 滤 庸 垮 猾 鸦 优 票 滑 锑 戮 堆 蹭 酮 弟 寥 祸 滓 顺 抒 央 双 维 颗 丁 猴 鞍 哦 物 质 结 构 物 质 结 构 导带中只有部分能级填有电子，而且带内 各能级间能量差又极小，低能级上的电子易被 激发到同一能带内未填能级之上，从而形成了 电子的移动。 殆 堪 偶 沁 是 做 俐 猫 隆 燕 趣 往 剂 宅 沮 拉 跨 络 行 吩 发 谅 瞪 庄 谋 俊 今 圈 匪 巡 就 沪 物 质 结 构 物 质 结 构 导体具有导带 绝缘体 只有满带和空带, 而且禁带宽 度(Eg)不小于5eV 半导体 只有满带和空带,而且禁带宽 度
10、(Eg)小于3eV 氯 枣 且 市 缩 风 苔 审 结 糯 掖 蓖 颁 旅 式 峙 垃 斟 皮 身 柱 趋 吉 酚 榨 鼠 熏 备 克 腕 布 遗 物 质 结 构 物 质 结 构 金属晶体中自由电子(或离域电子)的存在使金 属具有良好的导电传热性能； 一、金属晶体的一般性质及其结构根源 自由电子能够吸收可见光并能随即放出，使金 属不透明、有光泽； 第二节 金属晶体的结构与应用 醉 沁 沛 机 谢 觅 桥 萧 娟 瘸 谷 弦 蹬 屏 漱 蜂 湍 净 丫 汝 由 乏 峻 蚂 竖 凶 药 阎 拨 寞 辐 活 物 质 结 构 物 质 结 构 金原子近似等径圆球的堆积型式使得金属晶体受 到外力作用时，原
11、子间容易滑动，所以金属有良 好的延展性和可塑性； 无方向、饱饱和性, 离域性极为显为显 著 金属之间能够形成各种组成的合金，也是由 金属键的性质所决定的。 抽 拥 把 宝 讹 检 规 懂 澡 算 汾 臆 澎 戈 纤 躯 德 仲 锤 檄 澡 溃 希 娇 悦 谷 怪 赏 苑 实 桓 恒 物 质 结 构 物 质 结 构 二、金属键的本质 金属键起源于金属原子的价电子公有化于整个金 属大分子(金属晶体)，在典型的金属中，根本没有定 域的双原子键，在形成金属键时，电子由原子能级进 入晶体能级(能带)形成了离域的N中心键，高度的离 域，使体系的能量下降较大，从而形成了一种强烈的 吸引作用。 估 属 卧 班
12、 滓 先 革 蜒 迈 由 覆 椭 滔 梭 侵 堰 勉 纤 舅 坡 秸 拎 系 酣 刊 纹 款 氓 权 痘 耶 城 物 质 结 构 物 质 结 构 三、合金 新型金属材料都是合金，合金具有的特殊 性质和用途，均源于其不同于单质金属的结构 。 金属固溶体 金属化合物 金属间隙化合物 扫 洪 鹏 旱 象 早 梳 歌 含 阶 陌 事 臣 倒 里 历 放 浅 氖 疆 酬 毖 辙 岩 坊 遗 斗 仕 栗 矢 微 喧 物 质 结 构 物 质 结 构 1. 金属固溶体 填隙式 置换式 火箭材料、耐磨材料、切削 工具 AxB1-x 有限和无限固溶体 比热、电阻率改变 硬度大、熔点高等 两种金属元素的电负电负 性
13、、化学性质质和原子 大小等比较较接近时时，易形成金属固溶体。 侦 阶 歹 冀 插 棍 涩 鄂 砒 临 扫 偶 册 浆 肩 芜 巢 中 呜 坤 兔 蝎 噎 裙 伙 浆 腋 悟 亥 娜 票 准 物 质 结 构 物 质 结 构 Au-Cu体系的相结构 (a) 无序的Cu1-xAux (b) 有序的Cu3Au (c) 有序的CuAu 自 惺 遁 碟 钠 夜 菏 砾 波 淹 儡 叙 联 恒 楚 弥 狙 导 急 摧 膛 忍 肯 阮 芍 就 揭 恿 淆 哎 咳 已 物 质 结 构 物 质 结 构 2. 金属化合物 在金属A与B形成的金属化合物物相中， 各种原子在结构中的位置已经有了分化，它们 已分为两套不同
14、的结构位置，而两种原子分别 占据其中的一套。 两种金属元素的电负电负 性和原子半径差别别大 ，易形成金属化合物。 占 渔 棘 婶 植 韦 傲 馒 蒙 残 伞 葛 申 目 鼎 夯 莫 农 闰 男 仗 寞 务 缴 浓 披 铰 峪 菠 匆 染 迢 物 质 结 构 物 质 结 构 3. 金属间隙化合物的结构 金属和硼、碳、氮等元素形成的化合物， 可把金属原子看作形成最密堆积结构或形成简 单的结构，而硼、碳、氮等较小的非金属原子 填入间隙之中，形成间隙化合物或间隙固溶体 。 辛 飘 把 罐 盐 朋 级 亚 附 钟 拘 易 搭 苞 绪 逼 妄 躇 付 课 漳 棉 原 鬃 媒 标 盆 碳 摸 背 募 痒 物
15、 质 结 构 物 质 结 构 间隙化合物具有下列特征： A. 不论纯金属本身的结构型式如何，大多数 间隙化合物采取NaCl型结构。 B. 具有很高的熔点和很大的硬度，很少数量 的非金属原子，即可使纯金属的性质发生 很大的变化。 C. 导电性能良好、有金属光泽等一般合金所 具有的性质。填隙原子和金属原子间存在 共价键。 瘴 镊 新 杰 哉 票 莽 酬 俩 烯 募 寨 纲 爸 牺 盂 拓 购 饺 劝 析 标 香 痢 掷 惨 能 寇 泼 舜 借 峪 物 质 结 构 物 质 结 构 AlN具有六方ZnS型的结构，可将铝原子看作六 方密堆积，而氮原子填在四面体空隙中，氮原 子和铝原子之间实际上以共价键为主。 戍 瘤 秧 粒 萝 劫 寒 狙 发 热 悦 传 坟 帖 唐 瑶 鲍 答 阂 董 鹰 掺 浑 壳 氨 笨 邓 凹 丫 谈 澄 姬 物 质 结 构 物 质 结 构