材料科學基礎基本知識簡介

1、 寫在前面寫在前面 本本PPT中列出的知識點都很重要中列出的知識點都很重要 紅色標出的是特別重要的紅色標出的是特別重要的 本本PPT作為教案的配合材料，較之作為教案的配合材料，較之 教案更為精簡教案更為精簡 第一章第一章 晶體結構晶體結構 1-1晶體學基礎晶體學基礎 1-2晶體化學基本原理晶體化學基本原理 1-3典型晶體結構典型晶體結構 1-1晶體學基礎晶體學基礎 材料性能決定因素：內(nèi)部微觀構造。材料性能決定因素：內(nèi)部微觀構造。 固態(tài)材料分類：晶體與非晶體固態(tài)材料分類：晶體與非晶體 要關注二者的區(qū)別要關注二者的區(qū)別 掌握材料性能，不根據(jù)外觀，必需從原掌握材料性能，不根據(jù)外觀，必需從原 子排列情

2、況確定子排列情況確定 1-1晶體學基礎晶體學基礎 一、空間點陣一、空間點陣 空間點陣和晶胞的概念空間點陣和晶胞的概念 晶胞的描述方法晶胞的描述方法 7種晶系、種晶系、14種布拉菲點陣、晶族的概種布拉菲點陣、晶族的概 念念 關注關注晶體結構與空間點陣區(qū)別與關聯(lián)晶體結構與空間點陣區(qū)別與關聯(lián) 1-1晶體學基礎晶體學基礎 二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶向、晶面、晶向指數(shù)、晶面指數(shù)、晶向族、晶向、晶面、晶向指數(shù)、晶面指數(shù)、晶向族、 晶面族的概念晶面族的概念 關注關注六方晶系按兩種晶軸系所得指數(shù)的轉換：六方晶系按兩種晶軸系所得指數(shù)的轉換： 從從(hkil)轉換成轉換成(hkl)：去掉：去

3、掉i即可，反之：加上即可，反之：加上i= -(h+k) UVW與與uvtw間互換關系間互換關系: :U=u-t， V=v-t， W=w；u=(2U-V)， v=(2V-U)， t= -(u+v)， w=W 1-1晶體學基礎晶體學基礎 二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶帶與晶帶軸的概念晶帶與晶帶軸的概念 關注關注 1、晶帶軸、晶帶軸uvw與該晶帶的晶面與該晶帶的晶面(hkl)之之 間的關系：間的關系：hu+kv+lw=0 2、任兩個不平行晶面的晶帶軸：、任兩個不平行晶面的晶帶軸：(h1k1l1) 和和(h2k2l2) 則有則有u=k1l2-k2l1， v=l1h2-l2h1， w=

4、h1k2-h2k1 1-1晶體學基礎晶體學基礎 二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)二、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶面間距的概念、特點晶面間距的概念、特點 關注關注晶面間距的計算晶面間距的計算 正交晶系面間距計算式：正交晶系面間距計算式： 立方晶系面間距計算式：立方晶系面間距計算式： 注意：以上對簡單晶胞而言；復雜晶胞應考慮層注意：以上對簡單晶胞而言；復雜晶胞應考慮層 面增加的影響。如，在體心立方或面心立方晶面增加的影響。如，在體心立方或面心立方晶 胞中間有一層，故實際晶面間距應為胞中間有一層，故實際晶面間距應為d001/2。 222 1 c l b k a h d hkl 222 lkh a d hkl 1-1

5、晶體學基礎晶體學基礎 三、晶體的對稱性三、晶體的對稱性 宏觀和微觀對稱要素、點群、空間群、宏觀和微觀對稱要素、點群、空間群、 單形、聚形的概念的概念單形、聚形的概念的概念 關注關注所有對稱要素歸納：所有對稱要素歸納： 1-2晶體化學基本原理晶體化學基本原理 一、電負性一、電負性 電負性的概念、分界電負性的概念、分界 化合物形成與電負性關系：兩元素電負性差別很小，化合物形成與電負性關系：兩元素電負性差別很小， 鍵合為非極性共價鍵或金屬鍵；電負性差別增加，鍵鍵合為非極性共價鍵或金屬鍵；電負性差別增加，鍵 合極性增加，傾向于離子性鍵合。合極性增加，傾向于離子性鍵合。 （純共價鍵合）（純共價鍵合）Si

6、MgSNaCl（離子鍵合）（離子鍵合） 兩頭是兩頭是 極端極端 （強極性特征）（強極性特征）HFHClHBrHI（弱極性特征）（弱極性特征） 大多數(shù)實際材料鍵合特點：幾種鍵合形式同時存在。大多數(shù)實際材料鍵合特點：幾種鍵合形式同時存在。 1-2晶體化學基本原理晶體化學基本原理 二、晶體中的鍵型二、晶體中的鍵型 化學鍵的概念、種類，分子鍵的概念化學鍵的概念、種類，分子鍵的概念 關注關注離子鍵、共價鍵、金屬鍵離子鍵、共價鍵、金屬鍵 、范式鍵、范式鍵、 氫鍵的特點、成鍵方式、強度、形成條氫鍵的特點、成鍵方式、強度、形成條 件件 1-2晶體化學基本原理晶體化學基本原理 三、結合能和結合力三、結合能和結合

7、力 原子結合為晶體的原因：原子結合起來后，體原子結合為晶體的原因：原子結合起來后，體 系能量降低系能量降低 結合能：分散原子結合成晶體過程中，釋放出結合能：分散原子結合成晶體過程中，釋放出 的能量的能量V 原子間的吸引與排斥：吸引是長程力，源自異原子間的吸引與排斥：吸引是長程力，源自異 性電荷庫侖引力，遠距離時起主要作用；排斥性電荷庫侖引力，遠距離時起主要作用；排斥 是短程力，源自同性電荷間的庫侖力和原子實是短程力，源自同性電荷間的庫侖力和原子實 周圍電子氣相互重疊引起的排斥，十分接近時周圍電子氣相互重疊引起的排斥，十分接近時 起主要作用。起主要作用。 1-2晶體化學基本原理晶體化學基本原理

8、四、原子半徑四、原子半徑 范德瓦耳斯半徑范德瓦耳斯半徑 、共價半徑、離子半徑、共價半徑、離子半徑、 金屬半徑的概念金屬半徑的概念 1-3典型晶體結構典型晶體結構 一、金屬晶體一、金屬晶體 （一）晶體中的原子排列及典型金屬晶（一）晶體中的原子排列及典型金屬晶 體結構：最典型結構、堆積特征、密排體結構：最典型結構、堆積特征、密排 面、密排面上原子排列方式、晶格常數(shù)面、密排面上原子排列方式、晶格常數(shù) 與原子半徑的關系、間隙與原子半徑的關系、間隙 （二）晶體中原子間的間隙：八面體、（二）晶體中原子間的間隙：八面體、 四面體間隙、配位數(shù)、致密度的概念四面體間隙、配位數(shù)、致密度的概念 關注計算關注計算 1

9、-3典型晶體結構典型晶體結構 二、共價晶體二、共價晶體 典型結構：單晶硅（金剛石、低于室溫時的典型結構：單晶硅（金剛石、低于室溫時的C、 Ge、Sn）結構稱金剛石立方結構）結構稱金剛石立方結構(骨架狀，四骨架狀，四 原子近鄰原子近鄰)； As、Sb、Bi結晶成層狀結構結晶成層狀結構(片片 狀，三原子近鄰狀，三原子近鄰)；S、Se、Te螺旋鏈結構（兩螺旋鏈結構（兩 原子近鄰鍵合）原子近鄰鍵合） 成鍵強度：金剛石結構成鍵強；層狀結構層內(nèi)成鍵強度：金剛石結構成鍵強；層狀結構層內(nèi) 強，層間弱；鏈結構鏈內(nèi)共價鍵，鏈間分子鍵強，層間弱；鏈結構鏈內(nèi)共價鍵，鏈間分子鍵 1-3典型晶體結構典型晶體結構 二、共價

10、晶體二、共價晶體 其它重要結構：其它重要結構： 閃鋅礦和纖鋅礦，有極性共價鍵，是共價閃鋅礦和纖鋅礦，有極性共價鍵，是共價 晶體的兩種典型結構晶體的兩種典型結構 方石英結構：共價晶體方石英結構：共價晶體SiO2的一種變體，的一種變體， 立方立方ZnS結構結構 鱗石英結構：共價晶體鱗石英結構：共價晶體SiO2的一種變體，的一種變體， 六方六方ZnS結構結構 1-3典型晶體結構典型晶體結構 三、離子晶體三、離子晶體 負離子配位多面體：以正離子為中心，將周圍負離子配位多面體：以正離子為中心，將周圍 最近鄰配置的各負離子的中心連起來形成的多最近鄰配置的各負離子的中心連起來形成的多 面體面體,負離子配位多

11、面體的形狀正離子配位數(shù)：負離子配位多面體的形狀正離子配位數(shù)： 配置于正離子周圍的負離子數(shù)配置于正離子周圍的負離子數(shù) 三者之間三者之間 關系：關系： 1-3典型晶體結構典型晶體結構 三、離子晶體三、離子晶體 形成晶體結構的泡林五規(guī)則形成晶體結構的泡林五規(guī)則 關注用規(guī)則分析結構關注用規(guī)則分析結構 1-3典型晶體結構典型晶體結構 四、硅酸鹽晶體四、硅酸鹽晶體 硅酸鹽礦物結構硅酸鹽礦物結構 關注計算關注計算 島狀硅酸鹽：島狀硅酸鹽： 焦硅酸鹽：焦硅酸鹽： 環(huán)狀硅酸鹽：環(huán)狀硅酸鹽： 鏈狀硅酸鹽：鏈狀硅酸鹽： 層狀硅酸鹽：層狀硅酸鹽： 單鏈與環(huán)狀的區(qū)別：化學式中單鏈單鏈與環(huán)狀的區(qū)別：化學式中單鏈Si的數(shù)量

12、是的數(shù)量是1或或2； 環(huán)狀是環(huán)狀是3以上以上 4 , Si FOH SiR R N N 3 , Si FOH SiR R N N 2 3 , , Si FOHB BSiR R N NN 2 3 )(, )(, ),(, tAlSi tAlFOHB BtAlSiR R N NNN 1 3 )(, )(, ),(, tAlSi tAlFOHB BtAlSiR R N NNN 1-3典型晶體結構典型晶體結構 五、高分子晶體五、高分子晶體 ( (一一) ) 高分子晶體的形成高分子晶體的形成 基本形態(tài)基本形態(tài) 、高分子材料特點高分子材料特點 、高分子結構單高分子結構單 元連接特點元連接特點 、結構形態(tài)結

13、構形態(tài) 、結晶特性結晶特性 ( (二二) )高分子晶體的形態(tài)高分子晶體的形態(tài) 高分子晶體形貌高分子晶體形貌：結晶高分子較多地具有球晶：結晶高分子較多地具有球晶 的形貌。一個球晶由沿半徑垂直方向的多層晶的形貌。一個球晶由沿半徑垂直方向的多層晶 片組成。晶片內(nèi)是纓束狀晶區(qū)或折疊鏈晶區(qū)。片組成。晶片內(nèi)是纓束狀晶區(qū)或折疊鏈晶區(qū)。 晶片間是無定形的非晶區(qū)偏振光顯微鏡下聚乙晶片間是無定形的非晶區(qū)偏振光顯微鏡下聚乙 烯球晶烯球晶 第二章第二章 晶體的不完整性晶體的不完整性 2-1點缺陷點缺陷 2-2位錯位錯 2-3表面、界面結構及不完整性表面、界面結構及不完整性 第二章第二章 晶體的不完整性晶體的不完整性

14、缺陷：晶體中偏離完整性的區(qū)域，即造成晶體點陣周缺陷：晶體中偏離完整性的區(qū)域，即造成晶體點陣周 期勢場畸變的一切因素期勢場畸變的一切因素 晶體缺陷分類：晶體缺陷分類： (1)點缺陷（零維缺陷）。其特點是在點缺陷（零維缺陷）。其特點是在X、Y、Z三個方向三個方向 上的尺寸都很小上的尺寸都很小(相當于原子的尺寸相當于原子的尺寸)； (2)線缺陷（一維缺陷）。其特點是在兩個方向上的尺寸線缺陷（一維缺陷）。其特點是在兩個方向上的尺寸 很小，另一個方向上的尺寸相對很長；很小，另一個方向上的尺寸相對很長； (3)面缺陷（二維缺陷）。其特點是在一個方向上的尺寸面缺陷（二維缺陷）。其特點是在一個方向上的尺寸 很

15、小，另外兩個方向上的尺寸很大。很小，另外兩個方向上的尺寸很大。 2-1點缺陷點缺陷 一、點缺陷的類型一、點缺陷的類型 （一）熱缺陷（一）熱缺陷 弗倫克爾缺陷：原子離開平衡位置后，弗倫克爾缺陷：原子離開平衡位置后， 擠到格子點的間隙中，形成間隙離子，擠到格子點的間隙中，形成間隙離子， 而原來位置上形成空位，成對產(chǎn)生。而原來位置上形成空位，成對產(chǎn)生。 肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到 表面外新的位置上去，原來位置則形成表面外新的位置上去，原來位置則形成 空位，空位逐漸轉移到內(nèi)部，體積增加。空位，空位逐漸轉移到內(nèi)部，體積增加。 2-1點缺陷點缺陷 一、點缺陷的類型

16、一、點缺陷的類型 在晶體中，幾種缺陷可以同時存在，但在晶體中，幾種缺陷可以同時存在，但 通常有一種是主要的。一般說，正負離通常有一種是主要的。一般說，正負離 子半徑相差不大時，肖特基缺陷是主要子半徑相差不大時，肖特基缺陷是主要 的。兩種離子半徑相差大時弗倫克爾缺的。兩種離子半徑相差大時弗倫克爾缺 陷是主要的。陷是主要的。 ( (二二) )組成缺陷組成缺陷 產(chǎn)生和類型產(chǎn)生和類型 2-1點缺陷點缺陷 一、點缺陷的類型一、點缺陷的類型 ( (三三) )電荷缺陷電荷缺陷 產(chǎn)生產(chǎn)生 ( (四四) )非化學計量結構缺陷非化學計量結構缺陷 產(chǎn)生產(chǎn)生 2-1點缺陷點缺陷 二、點缺陷的反應與濃度平衡二、點缺陷的

17、反應與濃度平衡 （一）熱缺陷（一）熱缺陷 2-1點缺陷點缺陷 二、點缺陷的反應與濃度平衡二、點缺陷的反應與濃度平衡 ( (二二) )組成缺陷和電子缺陷組成缺陷和電子缺陷 ( (三三) )非化學計量缺陷與色心，關注計算非化學計量缺陷與色心，關注計算 1 1、負離子缺位，金屬離子過剩、負離子缺位，金屬離子過剩 2 2、間隙正離子，金屬離子過剩、間隙正離子，金屬離子過剩 3 3、間隙負離子，負離子過剩、間隙負離子，負離子過剩 4 4、正離子空位，負離子過剩、正離子空位，負離子過剩 2-2位錯位錯 一、位錯的結構類型一、位錯的結構類型 刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯的概刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯的

18、概 念念 Burgers回路與位錯的結構特征：回路與位錯的結構特征： Burgers矢量矢量 、位錯強度、位錯強度 、Burgers回路回路 概念概念 位錯柏格斯矢量的守恒性位錯柏格斯矢量的守恒性 2-2位錯位錯 一、位錯的結構類型一、位錯的結構類型 位錯密度：位錯密度： 在單位體積晶體中所包含的位錯線的總在單位體積晶體中所包含的位錯線的總 長度。長度。 V S 2-2位錯位錯 二、位錯的應力場二、位錯的應力場 ( (一一) )位錯的應力場位錯的應力場 刃型位錯：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：設一內(nèi)半徑刃型位錯：連續(xù)彈性介質(zhì)模型：設一內(nèi)半徑rc， 外半徑外半徑R的無限長的空心彈性圓柱，圓柱軸與的無限長的空

19、心彈性圓柱，圓柱軸與 z軸重合。將它沿徑向切開至中心，將切面兩軸重合。將它沿徑向切開至中心，將切面兩 側沿側沿x軸相對移動一個距離軸相對移動一個距離b，然后再粘合起來，然后再粘合起來, 畸變狀態(tài)與含正刃型位錯晶體相似，可通過它畸變狀態(tài)與含正刃型位錯晶體相似，可通過它 求出刃型位錯的應力場求出刃型位錯的應力場 2-2位錯位錯 一、位錯的結構類型一、位錯的結構類型 螺型位錯：螺型位錯： 連續(xù)彈性介質(zhì)模型：彈性圓柱切開至中連續(xù)彈性介質(zhì)模型：彈性圓柱切開至中 心，然后將切面兩側沿心，然后將切面兩側沿z軸相對移動軸相對移動b， 再粘合起來，就得到沿再粘合起來，就得到沿z軸的螺型位錯模軸的螺型位錯模 型型

20、 2-2位錯位錯 二、位錯的應力場二、位錯的應力場 ( (二二) )位錯的應變能與線張力位錯的應變能與線張力 刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯應變能的刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯應變能的 計算計算 位錯線張力：位錯線長度增加一個單位時，晶位錯線張力：位錯線長度增加一個單位時，晶 體能量的增加體能量的增加 直線形位錯：直線形位錯：T大約等于大約等于mb2 彎曲位錯線：正、負位錯在遠處會部分抵消，彎曲位錯線：正、負位錯在遠處會部分抵消， 系統(tǒng)能量變化小于系統(tǒng)能量變化小于mb2 ，常取，常取 2 2 1 bT 2-2位錯位錯 二、位錯的應力場二、位錯的應力場 ( (三三) )位錯核心位錯核心 位錯核

21、心錯排嚴重，不能再簡化為連續(xù)彈性體。以點位錯核心錯排嚴重，不能再簡化為連續(xù)彈性體。以點 陣模型解決陣模型解決 派派納納(Peierls-Nabarro)模型：實際上是不完全的點陣模型：實際上是不完全的點陣 模型。設晶體由被滑移面隔開的兩個半塊晶體組成。模型。設晶體由被滑移面隔開的兩個半塊晶體組成。 銜接處直接考慮原子間相互作用，內(nèi)部簡化成連續(xù)彈銜接處直接考慮原子間相互作用，內(nèi)部簡化成連續(xù)彈 性介質(zhì)。性介質(zhì)。 派派- -納模型中位錯的能量組成：兩部分。納模型中位錯的能量組成：兩部分。一是兩半晶一是兩半晶 體中的彈性應變能（主要分布于位錯核心之外）；另體中的彈性應變能（主要分布于位錯核心之外）；另

22、 一是滑移面兩側原子互作用能（錯排能）（基本集中一是滑移面兩側原子互作用能（錯排能）（基本集中 于位錯核心范圍內(nèi)）于位錯核心范圍內(nèi)） 2-2位錯位錯 三、位錯的運動三、位錯的運動 位錯的運動方式：位錯的運動方式： 刃型位錯：滑移：位錯線沿著滑移面移刃型位錯：滑移：位錯線沿著滑移面移 動；攀移：位錯線垂直于滑移面的移動。動；攀移：位錯線垂直于滑移面的移動。 螺型位錯：只作滑移螺型位錯：只作滑移 2-2位錯位錯 三、位錯的運動三、位錯的運動 ( (一一) )位錯的滑移位錯的滑移 三類位錯的滑移特性三類位錯的滑移特性 位錯滑移的驅(qū)動力：設想位錯受到一種力而運位錯滑移的驅(qū)動力：設想位錯受到一種力而運

23、動（實際上位錯是一種原子組態(tài)，力是作用于動（實際上位錯是一種原子組態(tài)，力是作用于 晶體中的原子）。使位錯發(fā)生運動的力。稱為晶體中的原子）。使位錯發(fā)生運動的力。稱為 位錯運動的驅(qū)動力。位錯運動的驅(qū)動力。 注意：驅(qū)動力不必一定是外力，晶體內(nèi)部質(zhì)點、注意：驅(qū)動力不必一定是外力，晶體內(nèi)部質(zhì)點、 界面或其它位錯引起的應力界面或其它位錯引起的應力 2-2位錯位錯 三、位錯的運動三、位錯的運動 點陣阻力：源于晶格結構的周期性，滑點陣阻力：源于晶格結構的周期性，滑 移面兩側原子之間的相互作用力移面兩側原子之間的相互作用力 派派-納應力：派納應力：派-納模型，提出了為克服納模型，提出了為克服 點陣阻力推動位錯前

24、進所必須的滑移力點陣阻力推動位錯前進所必須的滑移力 和相應的切應力：和相應的切應力： )/2exp( )1 ( 2 bw p 2-2位錯位錯 三、位錯的運動三、位錯的運動 ( (二二) )位錯攀移位錯攀移 位錯攀移特征：與滑移不同，位錯攀移時伴隨位錯攀移特征：與滑移不同，位錯攀移時伴隨 物質(zhì)遷移，需物質(zhì)遷移，需擴散實現(xiàn)。需要熱激活，比滑移擴散實現(xiàn)。需要熱激活，比滑移 需要更大的能量。另外，易在多余半原子面邊需要更大的能量。另外，易在多余半原子面邊 緣產(chǎn)生曲折緣產(chǎn)生曲折 單位長度位錯線所受的化學攀移力：單位長度位錯線所受的化學攀移力： 單位長度位錯線所受的彈性攀移驅(qū)動力：單位長度位錯線所受的彈性

25、攀移驅(qū)動力： 0 2 ln 1 C C kT b Fs b dy dyb Fc 2-2位錯位錯 四、位錯與缺陷的相互作用四、位錯與缺陷的相互作用 ( (一一) )位錯之間的相互作用位錯之間的相互作用 1 1、位錯間的彈性相互作用：位錯的彈性應力、位錯間的彈性相互作用：位錯的彈性應力 場間發(fā)生的干涉和相互作用，將影響到位錯的場間發(fā)生的干涉和相互作用，將影響到位錯的 分布和運動分布和運動 2 2、位錯塞積：許多位錯被迫堆積在某種障礙、位錯塞積：許多位錯被迫堆積在某種障礙 物前，它們來自同一位錯源，具相同的柏格斯物前，它們來自同一位錯源，具相同的柏格斯 矢量，障礙物如晶界矢量，障礙物如晶界 3.3.

26、位錯反應位錯反應 : :位錯之間的相互轉化。譬如位錯之間的相互轉化。譬如 一分為二或兩合為一，一分為二或兩合為一，bbb2 2-2位錯位錯 四、位錯與缺陷的相互作用四、位錯與缺陷的相互作用 ( (二二) )位錯與點缺陷的相互作用位錯與點缺陷的相互作用 位錯與溶質(zhì)原子的相互作用能位錯與溶質(zhì)原子的相互作用能 史諾克史諾克(Snoek)氣團氣團 柯垂耳柯垂耳(Cottrell)氣團氣團 電學相互作用電學相互作用 化學相互作用化學相互作用 空位、間隙原子和位錯的互相轉化空位、間隙原子和位錯的互相轉化 2-2位錯位錯 五、位錯源與位錯增殖五、位錯源與位錯增殖 （一）位錯的來源（一）位錯的來源 位錯產(chǎn)生位

27、錯產(chǎn)生 ( (二二) )位錯的增殖位錯的增殖 弗蘭克一瑞弗蘭克一瑞德德(Frank-Read)源源 弗蘭克弗蘭克-瑞德源需要施加的應力瑞德源需要施加的應力 弗蘭克弗蘭克-瑞德源開動的臨界瑞德源開動的臨界應力應力 雙交滑移增殖機構雙交滑移增殖機構 單點源單點源 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 一、晶體的表面一、晶體的表面 ( (一一) )表面力場表面力場 固體表面力固體表面力 分子間引力主要來源分子間引力主要來源 ( (二二) )晶體表面狀態(tài)晶體表面狀態(tài) 表面能表面能 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 一、晶體的表面一、晶體的表面 ( (三三)

28、)晶體表面的不均勻性晶體表面的不均勻性 完美晶格結構的晶體表面：完美晶格結構的晶體表面： 分成兩種類型：分成兩種類型： 緊密堆積表面：表面平坦，沒有波折，所有的原緊密堆積表面：表面平坦，沒有波折，所有的原 子距離該表面的平行平面的距離都相等子距離該表面的平行平面的距離都相等 不緊密堆積的表面：即臺階式的表面，表面有波不緊密堆積的表面：即臺階式的表面，表面有波 折。折。 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 二、晶界二、晶界 ( (一一) ) 晶界幾何晶界幾何 晶界分類：根據(jù)位向差晶界分類：根據(jù)位向差( ( ) )的不同，晶界分為兩類：的不同，晶界分為兩類： (1)(1)小角

29、度晶界小角度晶界- -兩相鄰晶粒的位向差約小于兩相鄰晶粒的位向差約小于1010 ； (2)(2)大角度晶界大角度晶界- -兩晶粒間的位向差較大，一般大于兩晶粒間的位向差較大，一般大于1010 以以 上。上。 ( (二二) )小角度晶界小角度晶界 傾側晶界傾側晶界 位錯間距位錯間距 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 二、晶界二、晶界 不對稱傾側晶界不對稱傾側晶界 扭轉晶界扭轉晶界 一般小角度晶界：旋轉軸和界面可任意取向，由一般小角度晶界：旋轉軸和界面可任意取向，由 刃型和螺型位錯組合構成。刃型和螺型位錯組合構成。 晶界能：晶界上原子排列畸變，增高的能量。主晶界能：晶界上原

30、子排列畸變，增高的能量。主 要要來自位錯能量（位錯密度又決定于晶粒間的來自位錯能量（位錯密度又決定于晶粒間的 位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于位向差），隨位向差增加而增大，僅適用于 15 。式中為常數(shù)，。式中為常數(shù)，A取決于位錯中心的原取決于位錯中心的原 子錯排能子錯排能 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 二、晶界二、晶界 ( (三三) )大角度晶界大角度晶界 “重合位置點陣重合位置點陣”模型模型 ( (四四) )晶界能晶界能 晶界能：金屬晶界能：金屬多晶體的晶界一般為大角度晶界，多晶體的晶界一般為大角度晶界， 金屬大角度晶界能約在金屬大角度晶界能約在0.251.

31、0J/m2范圍內(nèi)，范圍內(nèi)， 與晶粒之間的位向差無關，大體上為定值。與晶粒之間的位向差無關，大體上為定值。 ( (五五) )孿晶界孿晶界 2-3表面、界面結構及不完表面、界面結構及不完 整性整性 二、晶界二、晶界 孿晶面孿晶面 共格孿晶界共格孿晶界 非共格孿晶界非共格孿晶界 孿晶形成與堆垛層錯的關系孿晶形成與堆垛層錯的關系 孿晶面界面能孿晶面界面能 ( (六六) )晶界的特性晶界的特性 晶界的特性晶界的特性 第三章第三章 固溶體固溶體 3-1影響固溶度的因素影響固溶度的因素 3-2固溶體各論固溶體各論 第三章第三章 固溶體固溶體 固溶體固溶體 固溶度固溶度 中間相中間相 固溶體分類固溶體分類 溶

32、體的有序和無序分類溶體的有序和無序分類 有限和無限固溶體分類有限和無限固溶體分類 3-1影響固溶度的因素影響固溶度的因素 一、休姆一、休姆-羅瑟里羅瑟里(Hume- Rothery)規(guī)律規(guī)律 固溶體固溶度的一般規(guī)律：固溶體固溶度的一般規(guī)律： 1、尺寸因素、尺寸因素:當尺寸因素不利時，固溶度很??；當尺寸因素不利時，固溶度很??； 2、化學親和力、化學親和力:穩(wěn)定中間相（和組元的化學親和穩(wěn)定中間相（和組元的化學親和 力有關）會使一次固溶體的固溶度下降（中間相自由力有關）會使一次固溶體的固溶度下降（中間相自由 能曲線低）；能曲線低）； 3、電子濃度、電子濃度:電子濃度（價電子數(shù)和原子數(shù)的比電子濃度（價

33、電子數(shù)和原子數(shù)的比 值）影響固溶度和中間相穩(wěn)定性，值）影響固溶度和中間相穩(wěn)定性， （溶質(zhì)價為（溶質(zhì)價為v，溶劑價為，溶劑價為V）。還有適用于某些合金系）。還有適用于某些合金系 的的“相對價效應相對價效應” ，即高價元素在低價中的固溶度大，即高價元素在低價中的固溶度大 100 )100(vxxV a e 3-1影響固溶度的因素影響固溶度的因素 二、尺寸因素二、尺寸因素 尺寸與溶解度關系尺寸與溶解度關系 維伽定律維伽定律 靜位移靜位移 尺寸因素對固溶度的影響尺寸因素對固溶度的影響 15%15%規(guī)律規(guī)律 寬容系數(shù)寬容系數(shù) 3-1影響固溶度的因素影響固溶度的因素 三、電價因素三、電價因素 電子濃度與溶

34、解度電子濃度與溶解度 極限電子濃度與晶體結構類型極限電子濃度與晶體結構類型 固溶限度與平均族數(shù)固溶限度與平均族數(shù) 離子價對固溶體的影響離子價對固溶體的影響 3-1影響固溶度的因素影響固溶度的因素 四、電負性因素四、電負性因素 化學親和力對固溶體溶解度的影響化學親和力對固溶體溶解度的影響 化學親和力與固溶度化學親和力與固溶度 達肯經(jīng)驗規(guī)律達肯經(jīng)驗規(guī)律 場強與固溶度場強與固溶度 3-2固溶體各論固溶體各論 一、置換固溶體一、置換固溶體 三類固溶體的區(qū)分方法三類固溶體的區(qū)分方法 固溶體的計算確定固溶體的計算確定 關注關注 結構相容與置換結構相容與置換 尺寸因素分析尺寸因素分析 3-2固溶體各論固溶體

35、各論 二、間隙固溶體二、間隙固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 在金屬中：溶質(zhì)元素是半徑小于在金屬中：溶質(zhì)元素是半徑小于1A的一些非金屬元的一些非金屬元 素。即氫、硼、碳、氮、氧等素。即氫、硼、碳、氮、氧等 間隙形狀、大小與溶解度：間隙元素小間隙大，溶解度間隙形狀、大小與溶解度：間隙元素小間隙大，溶解度 相對較大，但與具體情況有關。相對較大，但與具體情況有關。 -Fe中溶入碳原子，八中溶入碳原子，八 面體間隙面體間隙0.535A，碳，碳0.77A，點陣畸變，溶解度受限，點陣畸變，溶解度受限， (1148 C)僅僅2.11wt%，約相當于，約相當于9.2atm%； -Fe中，雖四中，雖四 面體間隙大于

36、八面體間隙，但尺寸仍遠小于碳，溶解度面體間隙大于八面體間隙，但尺寸仍遠小于碳，溶解度 極小。且測定表明，碳在極小。且測定表明，碳在 -Fe八面體間隙中八面體間隙中 在無機非金屬材料中：可利用的空隙較多。面心立在無機非金屬材料中：可利用的空隙較多。面心立 方結構的方結構的MgO，四面體空隙可利用；，四面體空隙可利用；TiO2中還有八面體中還有八面體 空隙可利用；空隙可利用；CaF2結構中則有配位為八的較大空隙存在結構中則有配位為八的較大空隙存在 3-2固溶體各論固溶體各論 三、有序固溶體三、有序固溶體 （一）短程有序（一）短程有序-微觀不均勻性微觀不均勻性 1、無序分布、無序分布 2、偏聚狀態(tài)、

37、偏聚狀態(tài) 3、有序分布、有序分布 短程有序短程有序 “短程序參數(shù)短程序參數(shù)” 短程序參數(shù)短程序參數(shù) 3-2固溶體各論固溶體各論 三、有序固溶體三、有序固溶體 ( (二二) )長程有序長程有序 長程有序長程有序 長程序參數(shù)長程序參數(shù) 長程序和短程序的不同長程序和短程序的不同 3-2固溶體各論固溶體各論 四、固溶體的理論分析與計算四、固溶體的理論分析與計算 固溶體中的缺陷、固溶體的密度及晶格固溶體中的缺陷、固溶體的密度及晶格 參數(shù)參數(shù) 關注計算關注計算 1、生成置換型固溶體時的缺陷反應計算、生成置換型固溶體時的缺陷反應計算 （其中（其中 為為CaO的溶入摩爾數(shù)）的溶入摩爾數(shù)） 2、生成填隙型固溶體

38、時的缺陷反應計算、生成填隙型固溶體時的缺陷反應計算 （其中（其中 為為CaO的溶入摩爾數(shù)）的溶入摩爾數(shù)） 3-2固溶體各論固溶體各論 五、中間相五、中間相 中間相中間相 金屬中間相特點金屬中間相特點 金屬間化合物金屬間化合物 中間相分類中間相分類 3-2固溶體各論固溶體各論 五、中間相五、中間相 （一）電子化合物（一）電子化合物 電子相電子相 (二二)間隙相間隙相 間隙相間隙相 間隙相的晶體結構間隙相的晶體結構 (三三)間隙化合物間隙化合物 間隙化合物間隙化合物 間隙化合物的晶體結構間隙化合物的晶體結構 間隙化合物固溶體間隙化合物固溶體 3-2固溶體各論固溶體各論 五、中間相五、中間相 (四四

39、)拓撲密堆相拓撲密堆相 拓撲密堆相：由兩種大小不同的原子構成的一類中間拓撲密堆相：由兩種大小不同的原子構成的一類中間 相。大小原子通過適當配合構成空間利用率和配位數(shù)相。大小原子通過適當配合構成空間利用率和配位數(shù) 都很高的復雜結構，配位數(shù)可達都很高的復雜結構，配位數(shù)可達12、14、15及及16。具。具 有拓撲學特點有拓撲學特點 拓撲密堆相類型：有拓撲密堆相類型：有Cr3Si型相型相(Cr3Si、Nb3Sn、 Nb3Sb等等)，拉弗斯，拉弗斯(Laves)相相(MgCu2、MgZn2、 MgNi2等等)， 相相(Fe7W6、Fe7Mo6等等)，R相相 (Cr18Mo31Co)，P相相(Crl8Ni

40、40Mo42)， 相相(FeCr、 FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等等)等等。等等。 第四章第四章 非晶態(tài)固體非晶態(tài)固體 非晶態(tài)固體：原子在空間排布沒有長非晶態(tài)固體：原子在空間排布沒有長 程序的固體程序的固體 非晶態(tài)固體范疇：玻璃、非晶態(tài)金屬非晶態(tài)固體范疇：玻璃、非晶態(tài)金屬 及非晶態(tài)半導體等及非晶態(tài)半導體等 結構是認識和研究物質(zhì)的基礎，然而，結構是認識和研究物質(zhì)的基礎，然而， 非晶態(tài)固體的結構比晶體要復雜得多。非晶態(tài)固體的結構比晶體要復雜得多。 第四章第四章 非晶態(tài)固體非晶態(tài)固體 4-1非晶態(tài)固體的特征與表述非晶態(tài)固體的特征與表述 4-2非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 4-3非

41、晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬 4-4玻璃玻璃 4-5非晶態(tài)高分子非晶態(tài)高分子 4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述非晶態(tài)固體的特征與表述 一、非晶態(tài)固體的結構特征一、非晶態(tài)固體的結構特征 非晶態(tài)固體的微結構非晶態(tài)固體的微結構 無序態(tài)的類型無序態(tài)的類型 雙體相關函數(shù)雙體相關函數(shù) 4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述非晶態(tài)固體的特征與表述 二、非晶態(tài)固體的結構表征函數(shù)二、非晶態(tài)固體的結構表征函數(shù) （一）徑向分布函數(shù)（一）徑向分布函數(shù)RDF 原子徑向分布函數(shù)原子徑向分布函數(shù) 約化徑向分布函數(shù)約化徑向分布函數(shù) (二二)結構描述參數(shù)結構描述參數(shù) 結構精確描述參量結構精確描述參量 4-1 非晶態(tài)固體的特征與表述非晶態(tài)固體的特征

42、與表述 三、非晶態(tài)固體的短程序三、非晶態(tài)固體的短程序 短程序分類短程序分類 （一）化學短程序（一）化學短程序（CSRO） 化學短程序化學短程序 化學短程序參數(shù)化學短程序參數(shù) (二二)幾何短程序幾何短程序(GSRO)與局域結構參數(shù)與局域結構參數(shù) Voronoi多面體多面體 Voronoi多面體的指數(shù)多面體的指數(shù)(Fi)描述描述 Voronoi多面體與配位數(shù)及局域原子體積多面體與配位數(shù)及局域原子體積 4-2 非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 一、非晶半導體的結構模型一、非晶半導體的結構模型 結構原子間的幾何關系定義結構原子間的幾何關系定義 幾何短程有序幾何短程有序GSRO 幾何短程序局域結構參數(shù)幾何短程序

43、局域結構參數(shù) 1.非晶態(tài)固體內(nèi)的流體靜壓力非晶態(tài)固體內(nèi)的流體靜壓力P 2.Von Mises切應力切應力 3.與近鄰原子的球?qū)ΨQ性發(fā)生橢圓偏離與近鄰原子的球?qū)ΨQ性發(fā)生橢圓偏離 的度量參數(shù)的度量參數(shù) 4-2 非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 一、非晶半導體的結構模型一、非晶半導體的結構模型 蝕狀組態(tài)和交錯組態(tài)蝕狀組態(tài)和交錯組態(tài) 非晶半導體結構模型非晶半導體結構模型 微晶模型微晶模型 非晶子模型非晶子模型 連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡模型連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡模型(CRN) 描述非晶半導體的兩類參量：一類是局域原子描述非晶半導體的兩類參量：一類是局域原子 團，由短程有序參數(shù)確定；另一類參量表征局團，由短程有序參數(shù)確定；另一類參量表

44、征局 域原子團互連成網(wǎng)絡的拓撲特點。域原子團互連成網(wǎng)絡的拓撲特點。 4-2 非晶態(tài)半導體非晶態(tài)半導體 二、非晶半導體的微結構二、非晶半導體的微結構 硅和鍺的結構硅和鍺的結構 III-V族結構族結構 硫系非晶半導體結構硫系非晶半導體結構 a-Si:H薄膜結構薄膜結構 a-Si:H的兩相結構模型的兩相結構模型 4-3 非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬 一、非晶態(tài)金屬和合金一、非晶態(tài)金屬和合金 的結構模型的結構模型 微晶、非晶團模型及偏離微晶、非晶團模型及偏離 硬球無規(guī)密堆模型硬球無規(guī)密堆模型(DRPHS) 局域短程序特征的描述局域短程序特征的描述 Bernal空洞空洞 Voronoi多面體多面體 硬球無規(guī)密堆

45、的（僅僅）五種不同硬球無規(guī)密堆的（僅僅）五種不同Bernal空洞空洞 硬球無規(guī)密堆模型中的硬球無規(guī)密堆模型中的Voronoi多面體多面體 4-3 非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬 一、非晶態(tài)金屬和合金的結構一、非晶態(tài)金屬和合金的結構 模型模型 Gaske1l的過渡金屬類金屬多面體模的過渡金屬類金屬多面體模 型型三棱柱多面體三棱柱多面體 非晶結構中的局域結構單元與晶體的差非晶結構中的局域結構單元與晶體的差 別別 非晶體最近鄰分布的非晶體最近鄰分布的Voronoi多面體多面體 4-3 非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬 二、非晶態(tài)金屬的微結構二、非晶態(tài)金屬的微結構 非晶態(tài)材料的微結構非晶態(tài)材料的微結構 非晶態(tài)材料中的局域晶

46、場非晶態(tài)材料中的局域晶場 （一）幾何微結構（一）幾何微結構 非晶態(tài)金屬的幾何微結構非晶態(tài)金屬的幾何微結構 非晶態(tài)金屬中的應力與微結構非晶態(tài)金屬中的應力與微結構 (二二)化學微結構化學微結構 非晶態(tài)金屬的化學微結構非晶態(tài)金屬的化學微結構 (三三)磁各向異性與微結構磁各向異性與微結構 4-4 玻璃玻璃 一、玻璃結構理論一、玻璃結構理論 （一）玻璃結構的無規(guī)網(wǎng)絡學說（一）玻璃結構的無規(guī)網(wǎng)絡學說 氧化物玻璃結構氧化物玻璃結構 形成穩(wěn)定網(wǎng)絡結構滿足的四條規(guī)則形成穩(wěn)定網(wǎng)絡結構滿足的四條規(guī)則 玻璃的無規(guī)則網(wǎng)絡結構玻璃的無規(guī)則網(wǎng)絡結構 氧化物玻璃中的三種氧化物類型氧化物玻璃中的三種氧化物類型 (二二)玻璃結構

47、的微晶子學說玻璃結構的微晶子學說 列別捷夫晶子觀點列別捷夫晶子觀點 蘭德爾微晶學說蘭德爾微晶學說 4-4 玻璃玻璃 一、玻璃結構理論一、玻璃結構理論 玻璃結構的微晶學說玻璃結構的微晶學說 無規(guī)則網(wǎng)絡學說與微晶學說比較統(tǒng)一的看法無規(guī)則網(wǎng)絡學說與微晶學說比較統(tǒng)一的看法 (三三)常見玻璃的微觀結構常見玻璃的微觀結構 1、硅酸鹽玻璃、硅酸鹽玻璃 橋氧與網(wǎng)絡的關系橋氧與網(wǎng)絡的關系 “逆性玻璃逆性玻璃” 2、硼酸鹽玻璃：、硼酸鹽玻璃： 3、磷酸鹽玻璃：、磷酸鹽玻璃： 4-4 玻璃玻璃 二、玻璃的轉變二、玻璃的轉變 轉變溫度區(qū)轉變溫度區(qū) 轉變溫度范圍微觀過程轉變溫度范圍微觀過程 轉變溫度范圍附近的結構變化情

48、況轉變溫度范圍附近的結構變化情況 “假想溫度假想溫度” 4-4 玻璃玻璃 三、玻璃化的條件三、玻璃化的條件 （一）熱力學與動力學條件（一）熱力學與動力學條件 玻璃的不穩(wěn)（亞穩(wěn)）性玻璃的不穩(wěn)（亞穩(wěn)）性 玻璃的穩(wěn)定存在玻璃的穩(wěn)定存在 容積分率容積分率 玻璃形成能力的判斷玻璃形成能力的判斷三三T圖圖 在時間在時間t內(nèi)單位體積的結晶內(nèi)單位體積的結晶VL/V 玻璃生成的主要動力學因素玻璃生成的主要動力學因素 4-4 玻璃玻璃 三、玻璃化的條件三、玻璃化的條件 (二二)結晶化學條件結晶化學條件 陰離子集團對玻璃形成的影響陰離子集團對玻璃形成的影響 化學鍵性質(zhì)對玻璃的形成的影響化學鍵性質(zhì)對玻璃的形成的影響

49、化學鍵強度的影響化學鍵強度的影響 4-5非晶態(tài)高分子非晶態(tài)高分子 一、非晶態(tài)高分子的結構模型一、非晶態(tài)高分子的結構模型 (一一)無規(guī)線團模型無規(guī)線團模型 理論基礎是高分子溶液理論理論基礎是高分子溶液理論 非晶態(tài)高分子無規(guī)線團模型非晶態(tài)高分子無規(guī)線團模型 高分子的自由體積高分子的自由體積 (二二)局部有序模型局部有序模型 高分子的兩種結構單元高分子的兩種結構單元 粒子相與粒間相的形態(tài)粒子相與粒間相的形態(tài) 4-5非晶態(tài)高分子非晶態(tài)高分子 二、玻璃化轉變二、玻璃化轉變 玻璃化轉變玻璃化轉變 玻璃化轉變時的特性變化玻璃化轉變時的特性變化 自由體積理論自由體積理論 自由體積與溫度及熱膨脹的關系自由體積與

50、溫度及熱膨脹的關系 高彈態(tài)在某溫度高彈態(tài)在某溫度T時的自由體積時的自由體積 玻璃態(tài)自由體積狀態(tài)玻璃態(tài)自由體積狀態(tài) 第五章第五章 固體材料中的質(zhì)點固體材料中的質(zhì)點 運動與遷移運動與遷移 5-1晶格中原子的運動與擴散晶格中原子的運動與擴散 5-2擴散機制及影響擴散的因素擴散機制及影響擴散的因素 5-1 晶格中原子的運動與擴散晶格中原子的運動與擴散 一、熱缺陷的運動、產(chǎn)生與復合一、熱缺陷的運動、產(chǎn)生與復合 擴散現(xiàn)象的本質(zhì)擴散現(xiàn)象的本質(zhì) 1、通過填隙途徑遷移、通過填隙途徑遷移 2、通過空位的機構而遷移、通過空位的機構而遷移 5-1 晶格中原子的運動與擴散晶格中原子的運動與擴散 二、基本擴散定律二、基本

51、擴散定律菲克定律菲克定律 關注計算關注計算 （一）穩(wěn)態(tài)擴散（一）穩(wěn)態(tài)擴散菲克第一定律菲克第一定律 （二）非穩(wěn)態(tài)擴散（二）非穩(wěn)態(tài)擴散菲克第二定律菲克第二定律 5-1 晶格中原子的運動與擴散晶格中原子的運動與擴散 三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù) （一）自擴散系數(shù)（一）自擴散系數(shù) 擴散系數(shù)擴散系數(shù) 擴散的宏觀現(xiàn)象擴散的宏觀現(xiàn)象 擴散系數(shù)與原子遷移的關系擴散系數(shù)與原子遷移的關系 遷移頻率遷移頻率 實際擴散系數(shù)（對極稀的實際擴散系數(shù)（對極稀的fcc結構的間隙固結構的間隙固 溶體）溶體） 自擴散系數(shù)自擴散系數(shù) 5-1 晶格中原子的運動與擴散晶格中原子的運動與擴散 三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù) (二二)偏擴散系數(shù)偏擴散系數(shù) 偏擴散系數(shù)偏擴散系數(shù) 偏擴散系數(shù)的熱力學分析：例如偏擴散系數(shù)的熱力學分析：例如CoO和和 NiO二元系統(tǒng)的擴散二元系統(tǒng)的擴散 (三三)交互擴散系數(shù)交互擴散系數(shù)達肯方程達肯方程 1.克根達爾克根達爾(Kirkendall)效應效應 2、達肯、達肯(Darken)公式公式 5-2擴散機制及影響擴散的因素擴散機制及影響擴散的因素 一、擴散機制一、擴散機制 （一）空位擴散（一）空位擴散 空位擴散機制空位擴散機制 實現(xiàn)空位