C功能材料概述及結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)精講.ppt

第2章：功能材料概述,Chapter2.Introductiontofuntionalmaterials,2020/5/12,Materials,復(fù)合功能材料高分子功能材料有機(jī)功能材料金屬功能材料無機(jī)非金屬功能材料,物質(zhì)性,功能性,應(yīng)用性,核功能材料生物醫(yī)學(xué)功能材料化學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料力學(xué)功能材料聲學(xué)功能材料光學(xué)功能材料磁學(xué)功能材料電學(xué)功能材料,生物醫(yī)用材料航空航天材料能源材料儀器儀表材料傳感材料計(jì)算機(jī)材料電訊材料電工材料電子材料信息材料,粒度,納米材料非晶態(tài)材料晶態(tài)材料,Structuralmaterials,Functionalmaterials(光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物化學(xué)),1、材料的分類,2020/5/12,化學(xué)在于創(chuàng)造：材料(materials),現(xiàn)代社會(huì)原始社會(huì),2020/5/12,Crystalmaterials晶體材料,DKDP=KD2PO4,2020/5/12,a=7.579(1)C2b=5.976(1)b=108.45(1)c=6.265(1),Zn(C4H4O4),Zn2+,+,2020/5/12,Propertiesoffuctionalmaterials,超導(dǎo)性能儲(chǔ)氫性能磁性軟磁材料、硬磁材料、磁記錄材料光學(xué)性能激光材料、光纖材料、紅外材料、發(fā)光材料、光色材料、液晶材料功能轉(zhuǎn)換性能壓電材料、熱釋電材料、光電材料、熱電材料、電光材料、磁光材料、聲光材料,2020/5/12,Functionalmaterials,光電磁聲熱,compounds,atoms,Buildingblocks,structure,Design,synthesis,assembly,tailoring,Structuralpropertycorrelation,指導(dǎo),SinglecrystalX-raydiffraction,NMR,IR,UV-vis,etc,材料設(shè)計(jì),2020/5/12,2、Analysesandcharacterizations,Analysis1.Quantative2.QualitattiveTechnology1.Chemicalanalysis2.InstrumentalanalysisCharacterizations“Whop”=Who+Person1.W=What2.H=How,Howmany,Howmuch3.O=Operation4.P=Principle,2020/5/12,分析測試儀器與設(shè)備,1、光學(xué)分析儀器分子吸收分光光度計(jì)熒光計(jì)與磷光計(jì)紅外光譜儀旋光分析儀圓二色光譜儀光聲光譜儀光熱光譜儀原子吸收分光光度計(jì)原子發(fā)射光譜儀原子熒光光譜儀光量計(jì)散射(漫射)分析儀激光光譜,2、色譜分析與電泳儀氣相色譜儀高效液相色譜儀凝膠色譜儀薄層色譜掃描儀超臨界流體色譜儀離子色譜儀氨基酸分析儀逆流色譜儀電泳儀毛細(xì)管電泳儀場流分離儀多維色譜儀色譜聯(lián)用儀,2020/5/12,3、X-射線分析儀器單晶X-射線衍射儀多晶(粉末)X-射線衍射儀能量色散X-射線分析儀4、磁共振波譜儀順磁共振波譜儀核磁共振波譜儀脈沖電子順磁共振波譜儀5、電子束、粒子束微區(qū)分析儀電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡電子探針俄歇能譜儀X-射線光電子能譜二次離子質(zhì)譜儀離子散射譜儀離子探針,6、質(zhì)譜儀同位素質(zhì)譜儀無機(jī)質(zhì)譜儀有機(jī)質(zhì)譜儀氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀電感耦合等離子體質(zhì)譜儀三維四極離子阱傅立葉變換回旋共振質(zhì)譜儀氦質(zhì)譜檢漏儀殘余氣體分析儀,2020/5/12,7、電化學(xué)儀器電化學(xué)滴定法分析儀極譜及伏安法電解分析法庫侖分析法恒電位分析儀電位分析儀器與離子選擇電極液-液界面電化學(xué)用儀器微機(jī)化電分析儀器掃描電化學(xué)顯微鏡8、熱分析儀熱重分析儀差熱分析儀差示掃描量熱儀元素分析儀,9、核分析儀g-射線能譜分析儀g-射線灰分分析儀中子水分分析儀g-射線免疫計(jì)數(shù)器b、g-放射性薄層色譜自動(dòng)掃描儀液體閃爍計(jì)數(shù)儀穆斯堡爾譜儀10、其它磁強(qiáng)計(jì),2020/5/12,3、固體物質(zhì)的分類和宏觀特征按其中原子排列的有序程度不同,晶體的特征,2020/5/12,對稱性的不同含義,物體的組成部分之間或不同物體之間特征的對應(yīng)、等價(jià)或相等的關(guān)系（希臘字根=類似尺寸的）由于平衡或和諧的排列所顯示的美。形態(tài)和（在中分平面、中心或一個(gè)軸兩側(cè)的）組元的排列構(gòu)型的精確對應(yīng)。,2020/5/12,4對稱操作、對稱元素,對稱操作：一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)或變換，使得變換后的物體與變換前不可區(qū)分（復(fù)原，重合）。對稱元素：在對稱操作中保持不變的幾何圖型點(diǎn)、軸或面。,對稱面/鏡面：m,4.1對稱中心、對稱面(鏡面),2020/5/12,4.2旋轉(zhuǎn)軸,n次旋轉(zhuǎn)軸：n旋轉(zhuǎn)角(a)=360/n,2次旋轉(zhuǎn)軸：2,3次旋轉(zhuǎn)軸：3,4次旋轉(zhuǎn)軸：4,6次旋轉(zhuǎn)軸：6,2020/5/12,4.3反演軸,2020/5/12,4.4點(diǎn)群,點(diǎn)群：保留一點(diǎn)不變的對稱操作群,2020/5/12,5點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),5.1點(diǎn)陣和晶胞,晶體結(jié)構(gòu)=點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)基元,點(diǎn)陣,晶胞,結(jié)構(gòu)基元,等同點(diǎn)等同點(diǎn)系,點(diǎn)陣點(diǎn)原子!,2020/5/12,晶胞：晶體中具有最高對稱性的最小重復(fù)單元晶體：晶胞在空間平移無隙地堆砌而成,陣點(diǎn)矢量(格點(diǎn)矢量),Rl=l1a1+l2a2,初基矢量,陣點(diǎn)指數(shù),l1l2,初基晶胞,2020/5/12,晶胞的大小與形狀：由晶胞參數(shù)a,b,c,a,b,g表示，a,b,c為六面體邊長，a,b,g分別是bc,ca,ab所組成的夾角。晶胞的內(nèi)容：粒子的種類，數(shù)目及它在晶胞中的相對位置。按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系,V=abc1+2cosacosbcosgcos2acos2bcos2g1/2,晶胞的兩個(gè)要素,七大晶系,2020/5/12,5.2晶體學(xué)指數(shù),2020/5/12,5.3特征對稱元素,2020/5/12,5.4特征方向,2020/5/12,5.5晶體學(xué)點(diǎn)群：32個(gè),5.6勞厄群：11個(gè),2020/5/12,從晶體的點(diǎn)群對稱性，可以判明晶體有無對映體、旋光性、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、倍頻效應(yīng)等：旋光性出現(xiàn)在15種不含對稱中心的點(diǎn)群1,2,22,3,32,4,42,6,62,23,43熱電性出現(xiàn)在10種只含一個(gè)極性軸的點(diǎn)群1,m,2,2m,3,3m,4,4m,6,6m壓電性出現(xiàn)在20種不含對稱中心的點(diǎn)群(432除外)。倍頻效應(yīng)出現(xiàn)在18種不含對稱中心的點(diǎn)群。在晶體結(jié)構(gòu)分析中，可以借助物理性質(zhì)的測量結(jié)果判定晶體是否具有對稱中心。,5.7點(diǎn)群與物理性質(zhì),2020/5/12,5.8點(diǎn)陣帶心,在單胞之內(nèi)附加點(diǎn)陣點(diǎn)位置由一套帶心操作描述：體心(I)：在處附加點(diǎn)陣點(diǎn)；面心(F)：在0、0和0等處附加點(diǎn)陣點(diǎn)；面心(C)：在0處附加點(diǎn)陣點(diǎn),2020/5/12,5.9Bravais晶格,按帶心型式分類，將七大晶系分為14種可能的晶格,2020/5/12,6平移,6.1滑移面(a,b,c,n,d),2020/5/12,鏡面和滑移面的符號(hào),a,b,c表示平行于單胞邊滑移。n表示對角滑移，在兩個(gè)方向都滑移單胞長度的一半。d表示類似n的對角滑移，在每個(gè)方向移動(dòng)單胞邊長的1/4。,沿鏡面的邊緣看,沿垂直于鏡面的方向觀看,2020/5/12,6.2螺旋軸(nm;m=1,2,n1),2020/5/12,2020/5/12,2020/5/12,對稱元素的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),2020/5/12,7空間群,空間群符號(hào)LS1S2S3：第一字母(L)是點(diǎn)陣描述符號(hào)，指明點(diǎn)陣帶心類型：P，I，F(xiàn)，C，A，B。其于三個(gè)符號(hào)(S1S2S3)表示在特定方向（對每種晶系分別規(guī)定）上的對稱元素。如果沒有二義性可能，常用符號(hào)的省略形式(如Pm，而不用寫成P1m1)。由于不同的晶軸選擇和標(biāo)記，同一個(gè)空間群可能有幾種不同的符號(hào)，如：P21/c，如滑移面選在a方向符號(hào)為P21/a；如滑移面選為對角滑移，則符號(hào)為P21/n。,2020/5/12,2020/5/12,230個(gè)空間群分布,有對稱中心90個(gè)，無對稱中心140個(gè)。73個(gè)symmorphic(點(diǎn)式)，157個(gè)non-symmorphic三斜晶系：2個(gè)單斜晶系：13個(gè)正交晶系：59個(gè)三方晶系：25四方晶系：68個(gè)六方晶系：27個(gè)立方晶系：36個(gè),2020/5/12,從晶系到空間群,2020/5/12,8離子晶體,離子化合物：由正、負(fù)離子組成的化合物離子晶體：離子化合物所形成的晶體,組成晶體的正負(fù)離子在空間呈規(guī)則排列,存在周期性.離子鍵：晶胞中的正、負(fù)離子質(zhì)點(diǎn)間的存在很強(qiáng)的靜電結(jié)合力，沒有方向性和飽和性，比較大的鍵能離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)決定其顯著特征：較高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)比較脆,延展性差熔融狀態(tài)能導(dǎo)電，固體狀態(tài)幾乎不導(dǎo)電大多數(shù)易溶于極性溶劑中離子晶體中不存在單個(gè)分子影響離子排布的因素：離子的電荷、大小、極化,2020/5/12,Cs+,Cl-,8.1離子晶體的幾種最簡單的結(jié)構(gòu)型式,(1)CsCl型結(jié)構(gòu)配位數(shù)：8:8,d=0.5a,2020/5/12,CsCl晶體結(jié)構(gòu)示意圖,2020/5/12,(2)NaCl型結(jié)構(gòu)（配位數(shù)：6:6）,d=0.5a,Na+,Cl,2020/5/12,(3)立方ZnS型結(jié)構(gòu)(閃鋅礦型)配位數(shù)：4:4,d=0.433a,晶胞中離子的個(gè)數(shù)：,晶格：面心立方,紅球Zn2+綠球S2-,2020/5/12,8.2離子晶體的離子半徑比,不同配位數(shù)空間結(jié)構(gòu)，配位時(shí)須滿足的條件：電中性和能量最低原理幾何上的最緊密堆積配位數(shù)為6的晶體構(gòu)型,a,b,c,在abc中，ab=bc=2(r+r-),ac=4r-，則：2(r+r-)2+2(r+r-)2=(4r-)2r+=0.414r-正、負(fù)離子的半徑比為：r+/r-=0.414,2020/5/12,a,b,c,當(dāng)r+/r-0.732時(shí)，正離子相對較大，有可能接觸更多的負(fù)離子，從而使配位數(shù)提高到8,2020/5/12,AB型化合物的離子半徑比和配位數(shù)及晶體構(gòu)型的關(guān)系,NaCl、CsCl、ZnS雖同屬立方晶系，但由于r+/r-比值不同，而導(dǎo)致其晶格類型不同當(dāng)r+/r-接近極限值時(shí)，可能出現(xiàn)兩種構(gòu)型同質(zhì)異構(gòu)現(xiàn)象：在常溫下CsCl晶體是CsCl構(gòu)型，但在高溫下可以轉(zhuǎn)變?yōu)镹aCl構(gòu)型離子半徑比只能應(yīng)用于離子型晶體，而不適用于共價(jià)化合物。如果正、負(fù)離子間有強(qiáng)烈的相互極化，晶體構(gòu)型就會(huì)偏離表中的一般規(guī)則,2020/5/12,9、倒易點(diǎn)陣,倒易點(diǎn)陣對應(yīng)與實(shí)際空間點(diǎn)陣X射線衍射花樣實(shí)際上是滿足衍射條件的倒易點(diǎn)陣點(diǎn)的投影,2020/5/12,X射線的本質(zhì)及其產(chǎn)生原理晶體學(xué)基礎(chǔ)概念X射線衍射法幾何原理X射線衍射法及其用途,X射線衍射分析技術(shù),2020/5/12,1、X射線的發(fā)現(xiàn)及其本質(zhì),1895年德國物理學(xué)家倫琴(W.C.Rontgen)發(fā)現(xiàn)1912年德國物理學(xué)家勞埃(M.von-Laue)通過衍射試驗(yàn)證實(shí)X射線本質(zhì)是電磁波,2020/5/12,X射線產(chǎn)生原理,2020/5/12,5、X射線衍射法幾何原理,Bragg方程：2dsin=n,2020/5/12,Ewaldball（厄瓦爾德球圖解）,2020/5/12,X射線衍射法,勞埃（Laue）法單晶體衍射方法周轉(zhuǎn)晶體法四圓衍射儀法德拜-謝樂法照相法聚焦法多晶粉末衍射方法針孔法衍射儀法,2020/5/12,6、X射線單晶四圓衍射儀示意圖,四圓：