《材基第2章 固体结构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材基第2章 固体结构.ppt（66页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,金,金纳米颗粒的TEM照片,金的TEM照片,金的金相照片,金的AFM 照片,镍的STM 照片,镍的操纵排列照片,钴的操纵排列照片,铁的操纵排列照片,铜的操纵排列照片,氙的操纵排列照片,扫描隧道显微镜(STM),第2章 固体结构,物质：气态 液态 固态,固态物质：晶体 非晶体,晶体：原子在空间呈有规则地周期性重复排列； 非晶体：原子无规则排列。,晶体中原子排列的作用,原子排列,研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。,组织,性能,2.1 晶体学基础,晶体结构的基本特征：原子（或分子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序,
2、晶体和非晶体的两大性能区别,硅原子的面排列,2.1.1 空间点阵和晶胞,阵点,空间点阵,为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。,这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。,具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作 为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维 的重复堆砌就构成了空间点阵。,晶胞,晶胞选取的原则,同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞,晶体点阵及晶胞的不同取法,晶胞选取的原则,选取的平行六面体应反映出
3、点阵的最高对称性； 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； 当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多； 当满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。,晶胞、晶轴和点阵矢量,点阵矢量：,点阵常数：a, b, c,棱边夹角, , , , ,14种布拉菲点阵,根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归 属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境 相同“的要求，布拉菲（Bravais A）用数学方法推导 出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有 14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。,三斜：简单三斜,单斜：简单单斜 底心单斜,正交：简单正交 底心正交体心正交面心正交,菱
4、方：简单菱方,六方：简单六方,四方：简单四方 体心四方,立方：简单立方 体心立方 面心立方,布拉菲点阵的结构特征（The structural feature of Bravais lattice ）,空间点阵和晶胞的关系,同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同 而得出不同的晶胞,体心立方,面心立方,简单菱方,简单三斜,晶体结构和空间点阵的区别,空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相同，它只能有14中类型,晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。,晶体结构
5、和空间点阵的区别,晶体结构和空间点阵的区别,2.1.2 晶向指数和晶面指数,晶向：晶体中原子的位置、原子列 的方向 晶面：原子构成的平面 Miller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数,晶向指数,晶向指数： u v w,任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。,OP = u + v + w,晶向指数的例子,正交晶系一些重要晶向的晶向指数,晶面指数的标定,正交点阵中一些晶面的面指数,晶面指数举例,晶面指数的意义,在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以h k l表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。,晶面指数所代表的不仅是某一
6、晶面，而是代表着 一组相互平行的晶面。,立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；,立方晶系中，晶面族111表示正八面体的面；,立方晶系中，晶面族110表示正十二面体的面；,六方晶系指数,六方晶系的晶向指数和晶面指数同样可以应用上述方法标定，这时取a1，a2，c为晶轴，而a1轴与a2轴的夹角为120度，c轴与a1，a2轴相垂直。但这种方法标定的晶面指数和晶向指数，不能显示六方晶系的对称性，同类型 晶面和晶向，其指数却不相雷同，往往看不出他们的等同关系。,六方晶系晶面指数标定,根据六方晶系的对称特点，对六方晶系采用a1，a2，a3及c四个晶轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，这样，其晶面指数
7、就以(h k i l）四个指数来表示。,根据几何学可知，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。前三个指数中只有两个是独立的，它们之间存在以下关系：i ( h + k ) 。,六方晶系一些晶面的指数,六方晶系晶向指数标定,六方晶系晶向指数的表示方法(c轴与图面垂直),采用4轴坐标时，晶向指数的确定原则仍同前述晶向指数可用u v t w来表示，这里 u + v = - t。,六方晶系中，三轴指数和四轴指数的相互转化,三轴晶向指数(U V W),四轴晶向指数(u v t w),三轴晶面指数(h k l),四轴晶向指数(h k i l),i ( h + k ) 。,晶带,晶带轴u v w与该晶带的晶面（
8、h k l）之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0 凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带，故此关系式也称作晶带定律。,所有平行或相交于同一直线的这些晶面构成一个晶轴，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为晶带面。,晶面位向,晶面指数确定了晶面的位向和间距。,对立方晶系,晶面的位向是用晶面法线的位向来表示的；,空间任意直线的位向可以用它的方向余弦来表示。,晶面间距（1）,由晶面指数求面间距dhkl,通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小,晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集； 晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。,晶面间距（2）,晶面间距公式的推导,晶
9、面间距（3）:简单晶胞计算公式,正交晶系,立方晶系,六方晶系,晶面间距（4）,复杂晶胞,体心立方,面心立方,密排六方,h + k + l = 奇数,h k l不全为奇数或者不全为偶数,h + 2k = 3n (n=1,2,3.), l为奇数,附加面,Dhkl/2,2 金属的晶体结构 （Crystal Structure of Metals）,体心立方点阵,面心立方点阵,密排六方点阵,二、晶体结构的几何特征参数,点阵常数 晶胞内原子数 原子半径 配位数 致密度 间隙 密排方向 密排面,三、晶胞中的原子数 1fcc 2bcc 3hcp 四、点阵常数与原子半径 R 的关系 晶胞棱边的长度称为点阵 常
10、数或晶格常数。对立方晶系 a=b=c,点阵常数用a表示即可； 对六方晶系，a1=a2=a3c,需 要用a和c两个点阵常数来表 示晶胞的大小。 1面心立方： 原子半径为,2体心立方： 原子半径为R=,3密排六方 a. c/a=1.633（理想情况） 底面上原子间距和上下层间 距相等 b. c/a1.633 底面上原子间距和上下层间距不相等,五、配位数和致密度 1配位数：在晶体中，与某一原子最邻近且等距离的原子数称为配位数 fcc CN=12 bcc CN=8 hcp c/a=1.633 CN=12 c/a1.633 CN=6+6,2致密度：晶胞内原子球所占体积与晶胞体积之比值 fcc bcc h
11、cp,三种典型金属结构的晶体学特点,六、密排面与密排方向,FCC结构密排面和密排方向的确定 BCC结构密排面和密排方向的确定 HCP结构密排面和密排方向的确定,七、晶体中原子的堆垛方式 密排六方：密排面为（0001） ABABAB 面心立方：密排面为111 ABCABCABC,体心立方：密排面为（110） ABABAB,八、晶体结构中的间隙 1面心立方 a.八面体间隙：位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目 棱边长度 设原子半径为rA，间隙中能容纳的最大圆球子半径rB，则rB / rA = 0.414 b.四面体间隙：位于由一个顶角原子和三个面中心原连接成的正四面体中心，数目为8 rB
12、/ rA =0.225,2密排六方：与面心立方结构相比，这两种结构的八面体和四面体的形状完全相似，但位置不同 八面体间隙 rB / rA = 0.414 四面体间隙 rB /rA = 0.225,3体心立方： a. 八面体间隙：位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为6。 rB / rA = 0.15 rB / rA = 0.633 b. 四面体间隙：位于两个体心原子和两个顶角原子所组成的四面体中心，数目为12。 rB / rA = 0.29,六、同素异构性（多晶型性） 当外界条件（温度、压 力）改变时，元素的晶 体结构可以发生转变， 这种性能称作同素异晶 性，或称多型性，这种 转变则称为同素异晶转 变或多型性转变，转变 的产物叫同素异构体。,