固體物理基礎(chǔ)：2 晶體的結(jié)合

1、固體物理基礎(chǔ),第二章 晶體的結(jié)合,2.1 晶體結(jié)合的基本類(lèi)型,一、離子晶體,特征： 結(jié)合力：離子鍵(正、負(fù)離子間的靜電相互作用) 晶體結(jié)構(gòu)：不等徑球盡可能緊密的堆積。 例：NaCl, CsCl 晶體特征：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、硬度高、熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性能差,二、共價(jià)晶體,特征： 結(jié)合力：共價(jià)鍵(填滿原子的外電子殼層的方式之一)，相鄰兩個(gè)原子各出一個(gè)電子為兩個(gè)原子實(shí)共用。 晶體結(jié)構(gòu)：飽和性，方向性原子能夠形成共價(jià)鍵的數(shù)目不會(huì)超過(guò)4個(gè)，配位數(shù)低。 晶體特征：高熔點(diǎn)、硬度/脆，導(dǎo)電性弱,三、金屬晶體,特征： 結(jié)合力：原子實(shí)和價(jià)電子云間的靜電庫(kù)侖力。(無(wú)飽和性和方向性) 晶體結(jié)構(gòu)：(每個(gè)金屬原子的電子云分布基本上是球

2、對(duì)稱的) 同一種金屬原子等徑圓球堆積密堆積 面心立方，六角密堆，體心立方 晶體特征：穩(wěn)定，密度大，硬度高，熔點(diǎn)高，導(dǎo)電，傳熱，延展性,四、分子晶體,特征： 結(jié)合力：范德瓦爾斯力，結(jié)構(gòu)單元瞬時(shí)偶極矩的相互作用。 晶體結(jié)構(gòu)：最密排方式。 特征：熔點(diǎn)低，硬度小,特征： 弱鍵，解釋某些“精細(xì)”的結(jié)合特性時(shí)起重要作用。 結(jié)合力：氫鍵(氫原子同時(shí)和其它兩個(gè)原子鍵合形成) 鍵的特點(diǎn)來(lái)源于氫原子的特性： 價(jià)電子電離能高(13.6eV)(Na原子5.14eV)。 只有一個(gè)價(jià)電子，形成一個(gè)共價(jià)鍵，不能構(gòu)成典型的共價(jià)晶體。 離子實(shí)很小,五、氫鍵晶體,五、氫鍵晶體,氫原子的價(jià)電子與其它原子形成共價(jià)鍵后，電子云分布靠近

3、共價(jià)鍵一邊，另一邊氫原子核暴露在外，可以通過(guò)庫(kù)侖力作用與另一個(gè)電負(fù)性較大的原子相結(jié)合,電離能：使原子失去一個(gè)電子所必需的能量。 中性原子(e)正離子 親和能：一個(gè)原子獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子所放出的能量。 中性原子 +(e)負(fù)離子,六、原子的電負(fù)性,負(fù)電性綜合了電離能和親和能，是反映原子得失電子能力的物理量。 定義：負(fù)電性=0.18(電離能+親和能) (eV) 不同原子的負(fù)電性相對(duì)大小的變化趨勢(shì)： （1）同一周期內(nèi)，負(fù)電性從左到右逐漸增強(qiáng)； （2）同一族內(nèi)，負(fù)電性由上至下逐漸減弱； （3）周期表中越往下，同一周期內(nèi)元素的負(fù)電性差異越小,六、原子的電負(fù)性,元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律,定義：處于穩(wěn)定

4、狀態(tài)的晶體，其總能量（動(dòng)能和勢(shì)能）比組成這個(gè)晶體的N個(gè)粒子在“自由”時(shí)的總能量低，二者之差就是晶體的結(jié)合能,2.2 晶體的結(jié)合能,一、結(jié)合能的意義,自由”是指各粒子都可以看作為獨(dú)立的粒子，粒子之間的距離足夠大，以致它們間的相互作用可以忽略,0包括：晶格能(組成晶體的粒子之間的相互作用總勢(shì)能) 、晶格振動(dòng)能，其它晶體缺陷等能量。 以N為參考能位,一、結(jié)合能的意義,總相互作用能(晶格能)與結(jié)合能,經(jīng)典雙粒子相互作用模型：把晶體中總的相互作用勢(shì)能看作是原子（離子）對(duì)之間的相互作用勢(shì)能之和。通過(guò)計(jì)算兩粒子之間的作用勢(shì)，再考慮晶格結(jié)構(gòu)因素，綜合求出晶體的總勢(shì)能,一、結(jié)合能的意義,二、原子的相互作用勢(shì),兩

5、粒子間的相互作用力和相互作用能,兩粒子間的相互作用力和相互作用能,二、原子的相互作用勢(shì),三、分子晶體的結(jié)合能,范德瓦爾斯力,三、分子晶體的結(jié)合能,三、分子晶體的結(jié)合能,三、分子晶體的結(jié)合能,三、分子晶體的結(jié)合能,四、離子晶體的結(jié)合能,總相互作用能,四、離子晶體的結(jié)合能,四、離子晶體的結(jié)合能,四、離子晶體的結(jié)合能,馬德隆常數(shù),第一次計(jì)算由Madellung完成。 Ewald建立了一個(gè)關(guān)于晶格求和計(jì)算的通用方法,四、離子晶體的結(jié)合能,例1 正負(fù)一價(jià)離子組成的一維晶格,四、離子晶體的結(jié)合能,例2 正負(fù)一價(jià)離子組成的二維正方格子,四、離子晶體的結(jié)合能,B和n的確定,四、離子晶體的結(jié)合能,四、離子晶體的

6、結(jié)合能,四、離子晶體的結(jié)合能,結(jié)合能,一、非晶體的結(jié)構(gòu),2.3 非晶體,非晶體：質(zhì)點(diǎn)在三維空間排列沒(méi)有規(guī)律性，即遠(yuǎn)程無(wú)序。（不排除局部區(qū)域可能存在規(guī)則排列，即近程有序。,晶體：質(zhì)點(diǎn)在三維空間做有規(guī) 則的排列，即遠(yuǎn)程有序,固體,一、非晶體的結(jié)構(gòu),非晶體結(jié)構(gòu)的分類(lèi),玻璃體：該結(jié)構(gòu)大部分為金屬或非金屬物質(zhì)，經(jīng)高溫熔融后快速冷卻，使質(zhì)點(diǎn)排列無(wú)序而得到的，若熔融后緩慢冷卻可得到其晶體結(jié)構(gòu)。 2. 聚合物：這種物質(zhì)分子鏈很長(zhǎng)，在液體中無(wú)法經(jīng)過(guò)鏈段擴(kuò)散過(guò)程形成規(guī)律排列的晶體結(jié)構(gòu)，而保持其無(wú)規(guī)線團(tuán)或纏繞狀的非晶體結(jié)構(gòu)，但在分子內(nèi)部的部分鏈段上又可規(guī)律排列,一、非晶體的結(jié)構(gòu),3. 凝膠體：膠體中分散粒子較多。（

7、當(dāng)經(jīng)脫水凝聚后，粒子已不能進(jìn)行布朗自由運(yùn)動(dòng)而互相搭接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的稱為凝膠），凝膠中的液體部分繼續(xù)蒸發(fā)固化就成為固態(tài)凝膠，又稱干凝膠。其質(zhì)點(diǎn)間排列無(wú)序，以范德華力聯(lián)結(jié)，如硅膠。C-S-H凝膠。 4. 氣相沉積的非晶態(tài)薄膜：某物質(zhì)經(jīng)過(guò)氣相反應(yīng)在另一材料表面形成一薄沉積層，該沉積層亦為無(wú)規(guī)則的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。這種非晶態(tài)薄膜通常用于提高材料的硬度、耐蝕性等,非晶體結(jié)構(gòu)的分類(lèi),二、非晶態(tài)的形成,非晶,合,金制備,二、非晶態(tài)的形成,非晶合金制備,快冷,在金屬凝固過(guò)程中，凝固系統(tǒng)的傳熱強(qiáng)度及凝固速率對(duì)凝固過(guò)程及合金組織有著直接而重要的影響。 快冷指的是在比常規(guī)工藝過(guò)程中快得多的冷卻速度下，金屬或合金以極快

8、的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程,二、非晶態(tài)的形成,非晶合金制備,非晶合金制備,二、非晶態(tài)的形成,非晶合金制備,二、非晶態(tài)的形成,非晶合金制備,二、非晶態(tài)的形成,二、非晶態(tài)的形成,快冷引起顯微組織的變化,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶體,1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的Al6Mn合金,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征,1)準(zhǔn)周期平移序,1974年，Penrose提出用兩種四邊形，夾角分別為,可以將平面鋪滿，不留空隙這種圖形具有5次對(duì)稱性,2.4 準(zhǔn)晶體,彭羅斯鋪砌的四邊形是將一個(gè)菱形切開(kāi)而得到的,彭羅斯圖形,長(zhǎng)程取向有序 非周期性的長(zhǎng)程有序,準(zhǔn)周期性平移,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶：同時(shí)具有長(zhǎng)程準(zhǔn)

9、周期性平移序和非晶體學(xué)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的固態(tài)有序相,準(zhǔn)晶態(tài)的結(jié)構(gòu)： 長(zhǎng)程取向有序，而長(zhǎng)程周期性不存在； 取向有序具有晶體周期性點(diǎn)群所不允許的點(diǎn)群對(duì)稱性，沿取向序?qū)ΨQ軸的方向具有準(zhǔn)周期性，即原子的排布間距是兩個(gè)或兩個(gè)以上不可公約的特征長(zhǎng)度，并按特定序列排布,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶態(tài)的種類(lèi),按準(zhǔn)晶的成分來(lái)分：二元、三元、四元等多元合金,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶的制備,急冷甩帶法： 錘淬法：熔融金屬，汽錘敲擊 任何用于制備亞穩(wěn)定合金相的方法 (離子束混合，離子注入，氣相沉積，急速加壓，電子束) 長(zhǎng)期時(shí)效(常規(guī)合金制備方法,準(zhǔn)晶的尺寸小，介穩(wěn)定狀態(tài)， 性質(zhì)測(cè)量困難，不系統(tǒng)，不統(tǒng)一,2.4 準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶的物理性質(zhì),

10、力學(xué)性能： 室溫下硬而脆，大塊準(zhǔn)晶性能接近陶瓷 在高溫下具有類(lèi)似超塑性的極高塑性 高硬度、耐摩擦性能及不粘性,電學(xué)性能： 電阻率異常高，結(jié)構(gòu)越完整電阻率越高 負(fù)的溫度系數(shù)，隨溫度升高電阻率下降 電阻率對(duì)材料成分和結(jié)構(gòu)十分敏感，質(zhì)量越差，電阻率越小,2.5 團(tuán)簇和納米微粒,一、團(tuán)簇的基本特征,原子團(tuán)簇：幾個(gè)至幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑1nm），簡(jiǎn)稱團(tuán)簇(cluster,原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu),絕大多數(shù)原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)不確定,形狀可以有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等，團(tuán)簇中每增加一個(gè)原子，團(tuán)簇結(jié)構(gòu)就要發(fā)生改變,一、團(tuán)簇的基本特征,少數(shù)團(tuán)簇存在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與幻數(shù)n,幻數(shù)：在團(tuán)簇質(zhì)譜分析中，含有某些特殊原子數(shù)

11、的團(tuán)簇的強(qiáng)度呈現(xiàn)峰值，表明這些團(tuán)簇特別穩(wěn)定，所含原子數(shù)即為幻數(shù),惰性元素：Xe團(tuán)簇，n=7, 13, 19, 55,碳團(tuán)簇：n=20, 24, 28, 32, 36, 50, 60, 70,二、C60分子與固體,C60的結(jié)構(gòu)特征,除金鋼石、石墨外的碳的第3種同素異構(gòu)體，是當(dāng)前能大量制備及分離的團(tuán)簇。 1985年Kroto激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。 又名富勒烯(fullerenes)、足球烯、布基球(Buckyballs)、碳籠烯。 二十個(gè)六面體、十二個(gè)五面體,二、C60分子與固體,C60的化學(xué)性質(zhì),C60具有缺電子的性質(zhì)，六元環(huán)間的雙鍵(30個(gè))為反應(yīng)的活性部位，因而可發(fā)生氫化、鹵化、氧化還原、環(huán)加成、光化與催化及自由基加成等多種化學(xué)反應(yīng),二、C60分子與固體,C60的物理性質(zhì),C60團(tuán)簇固體是一種依靠范德華力的結(jié)晶體(fcc結(jié)構(gòu))。 C60是一個(gè)半導(dǎo)體，0K時(shí)不導(dǎo)電，摻K、Rb(銣)、Cs后變?yōu)榘雽?dǎo)體 A3C60，在低溫時(shí)具有超導(dǎo)性。 光電子轉(zhuǎn)移特性，光激發(fā)后容易形成電子空穴對(duì),C60的應(yīng)用,二、C60分子與固體,三、納米微粒,定義,納米微粒，也叫超細(xì)微粒，是線度在1-100nm范圍的小顆粒，可以是非晶體、微晶聚合體或微單晶，肉眼和常用顯微鏡是看不到的,三、納米微粒,納米材料的特性： (1)小尺寸效應(yīng)：納米尺寸的顆粒與塊材料具有很多不同的性質(zhì)。 (