晶體的結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1晶體的結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷晶體的結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷1.11.1晶體類型晶體類型 根據(jù)形成晶體的化合物的種類不同根據(jù)形成晶體的化合物的種類不同可以將晶體分為：離子晶體、分子晶可以將晶體分為：離子晶體、分子晶體、原子晶體和金屬晶體。體、原子晶體和金屬晶體。第1頁/共35頁1.21.2非晶體非晶體 非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有周期性特點(diǎn)，而是雜亂無章地排列，如：特點(diǎn)，而是雜亂無章地排列，如：玻璃、松香、明膠等等。非晶體不玻璃、松香、明膠等等。非晶體不 具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)具有晶體物質(zhì)的共性，某些非晶態(tài)物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)。物質(zhì)具有優(yōu)良的性質(zhì)。第2頁/共35頁1.3

2、1.3準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體 準(zhǔn)晶體是準(zhǔn)晶體是19841984年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新的物質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間質(zhì)聚集形態(tài)。一種介于晶體和非晶體之間的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然的固體。準(zhǔn)晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性，因而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對(duì)稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)稱性。而可以具有晶體所不允許的宏觀對(duì)稱性。例如五次對(duì)稱軸等。例如五次對(duì)稱軸等。第3頁/共35頁“晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)?！?注意： （1）一種物質(zhì)是否是晶體是由其內(nèi)部結(jié) 構(gòu)決定的，而非由外觀判斷； （2）周期性是

3、晶體結(jié)構(gòu)最基本的特征。1.41.4晶體的定義晶體的定義第4頁/共35頁 晶體不僅與我們的日常生活密不可分，而且在許多高科技領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。晶體的外觀和性質(zhì)都是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的： 決定 結(jié)構(gòu) 性能 反映第5頁/共35頁第6頁/共35頁第7頁/共35頁第8頁/共35頁習(xí)慣上選擇對(duì)稱性高的對(duì)稱軸或?qū)Τ龄系陌l(fā)現(xiàn)方向?yàn)樽鴺?biāo)軸，以能直觀地反映晶體對(duì)稱性的平行六面體作為晶胞，這樣選擇的警報(bào)叫做慣用晶胞，又叫做布喇菲胞。晶晶胞胞與與晶晶格格第9頁/共35頁第10頁/共35頁底心單斜簡單三斜簡單單斜第11頁/共35頁底心正交面心正交體心正交第12頁/共35頁簡單菱方簡單六方簡單四方體心四方第13頁/共3

4、5頁簡單立方體心立方面心立方第14頁/共35頁2.12.1晶體的宏觀對(duì)稱性晶體的宏觀對(duì)稱性1. 晶體的宏觀對(duì)稱元素2. 宏觀對(duì)稱元素的組合和32個(gè)點(diǎn)群3. 特征對(duì)稱元素與7個(gè)晶系第15頁/共35頁虛操作分子對(duì)稱性晶體宏觀對(duì)稱性對(duì)稱元素及符號(hào)對(duì)稱操作及符號(hào) 對(duì)稱元素及符號(hào)對(duì)稱操作及符號(hào)對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面反映反映面或鏡面反映對(duì)稱中心反演對(duì)稱中心倒反象轉(zhuǎn)軸旋軸反映反軸旋轉(zhuǎn)倒反以上 為基轉(zhuǎn)角.)(Lncinsnc ins nminIL )(MIn2 表1 描述晶體宏觀對(duì)稱性與分子對(duì)稱性時(shí)常用對(duì)稱元素及與其相應(yīng)的對(duì)稱操作對(duì)照表實(shí)操作第16頁/共35頁hnncs 晶體的對(duì)稱性 與有限分子的對(duì)稱性一

5、樣也是點(diǎn)對(duì)稱，具有點(diǎn)群的性質(zhì)，如都有對(duì)稱軸、對(duì)稱面、對(duì)稱中心等對(duì)稱元素。ns 在分子點(diǎn)在分子點(diǎn)群中有象轉(zhuǎn)軸 , 其對(duì)稱操作是旋轉(zhuǎn)反映，即：晶體的宏觀對(duì)稱元素晶體的宏觀對(duì)稱元素 但是，由于習(xí)慣的原因，討論晶體對(duì)稱性時(shí)所用的對(duì)稱元素和對(duì)稱操作的符號(hào)和名稱與討論分子對(duì)稱性時(shí)不完全相同，具體對(duì)比見上表。從表中我們發(fā)現(xiàn) 晶體學(xué)中我們常用反軸而不用象轉(zhuǎn)軸。 在晶體中反軸 對(duì)應(yīng)的操作是先繞(軸)線旋轉(zhuǎn)度，然后再通過線上(中心)點(diǎn)進(jìn)行倒反(或先倒反再旋轉(zhuǎn))，即能產(chǎn)生等價(jià)圖形。這種連續(xù)性操作的符號(hào)為 “ ”, 其中“ ”為倒反, “ ” 為旋轉(zhuǎn).)(LIL)(I由此可知， 與Sn都屬于復(fù)合對(duì)稱操作，且都由旋轉(zhuǎn)與

6、另一相連的操作組合而成。第17頁/共35頁除了對(duì)稱元素和對(duì)稱操作的符號(hào)和名稱的不完全相同外，晶體的宏觀對(duì)稱性與有限分子的對(duì)稱性最本質(zhì)的區(qū)別是：晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)使晶體的宏觀對(duì)稱性受到了限制，這種限制主要表現(xiàn)在兩方面：在晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，任何對(duì)稱軸(包括旋轉(zhuǎn)軸、反軸以及以后介紹的螺旋軸)都必與一組直線點(diǎn)陣平行，與一組平面點(diǎn)陣垂直(除一重軸外)；任何對(duì)稱面(包括鏡面及微觀對(duì)稱元素中的滑移面)都必與一組平面點(diǎn)陣平行，而與一組直線點(diǎn)陣垂直。晶體中的對(duì)稱軸(包括旋轉(zhuǎn)軸,反軸和螺旋軸)的軸次n并不是可以有任意多重，n僅為1,2,3,4,6，即在晶體結(jié)構(gòu)中，任何對(duì)稱軸或軸性對(duì)稱元素的軸次只有一重、二重、三重

7、、四重和六重這五種，不可能有五重和七重及更高的其它軸次，這一原理稱為“晶體的對(duì)稱性定律”。 所以，綜合前面的討論，由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的限制，晶體中實(shí)際存在的獨(dú)立的宏觀對(duì)稱元素總共只有八種，見表2第18頁/共35頁對(duì)稱元素國際符號(hào)對(duì)稱操作等同元素或組合成分對(duì)稱中心倒反反映面(鏡面)反映一重旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)二重旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)三重旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)四重旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)六重旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)四重反軸旋轉(zhuǎn)倒反im23464IM)0(L)180(L)120(L)90(L)60(LIL)90(21133i63m第19頁/共35頁 晶體的獨(dú)立的宏觀對(duì)稱元素只有八種，但在某一晶體中可以只存在一個(gè)獨(dú)立的宏觀對(duì)稱元素，也可能有由一種或幾種對(duì)稱元素按照組

8、合程序及其規(guī)律進(jìn)行合理組合的形式存在。(1)晶體多面體外形是有限圖形，故對(duì)稱元素組合時(shí)必通過質(zhì)心，即通過一個(gè)公共點(diǎn)。(2)任何對(duì)稱元素組合的結(jié)果不允許產(chǎn)生與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)不相容的對(duì)稱元素，如5、7、。對(duì)于宏觀對(duì)稱元素而言，這些元素組合時(shí)必受以下兩條的限制：組合程序： 組合時(shí)先進(jìn)行對(duì)稱軸與對(duì)稱軸的組合，再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行對(duì)稱軸與對(duì)稱面的組合，最后為對(duì)稱軸、對(duì)稱面與對(duì)稱中心的組合。兩條限制： 按照以上程序及限制進(jìn)行組合，我們可以得到的對(duì)稱元素系共32種，即32個(gè)點(diǎn)群：第20頁/共35頁對(duì)稱性的高低晶系特征對(duì)稱元素晶胞類型點(diǎn) 群對(duì)稱元素序號(hào)熊夫里斯記號(hào)國際記號(hào)低三斜無12單斜 或m345 正交兩個(gè)互相垂直的

9、m或三個(gè)互相垂的67 8中四方910 11 122223i490cba90cba90cba1cic2cschc22DvD2hD212m2m2222mm222mmmi2mim, 2, 22m,233,m4c4shc44D444m44, 4,mi, 4 4290cba1422第21頁/共35頁對(duì)稱性的高低晶系特征對(duì)稱元素晶胞類型點(diǎn)點(diǎn) 群群對(duì)稱元素序號(hào)熊夫里斯記號(hào)國際記號(hào)中四方131415三方菱面體晶胞161718六方晶胞1920im ,5,24,4vc4dD2hD4mm4m24224mmmm4,4m2,22,490cba4390120cba3cic33Dvc3dD3333m3323i ,323,3

10、m3,3im,3 ,23 , 312090cba2m續(xù)表：第22頁/共35頁對(duì)稱性的高低晶系特征對(duì)稱元素晶胞類型點(diǎn)點(diǎn) 群群對(duì)稱元素序號(hào)熊夫里斯記號(hào)國際記號(hào)中六方21222324252627高立方 在立方的體對(duì)角線方向2829303132mmm612090cba6chc3hc66Dvc6hD3hD6622mm626m226666m6),3(6mim, 626,6m6,6mm4 ,23), 3(6im ,7,26,64 390cbaThTOdThO2323m432m34423mm23,34im ,3,23,34m6,43,34im ,9,26,43,3426,43,34續(xù)表：第23頁/共35頁2.

11、22.2晶體的微觀對(duì)稱性晶體的微觀對(duì)稱性平移對(duì)稱性：平移對(duì)稱性： 在晶體的微觀空間中，在晶體的微觀空間中，原子呈周期性的整齊排列。原子呈周期性的整齊排列。對(duì)于理想的完美晶體，這種對(duì)于理想的完美晶體，這種周期性是單調(diào)的，不變的。周期性是單調(diào)的，不變的。在晶體中相隔一定的距離，在晶體中相隔一定的距離，總有完全相同的原子排列出總有完全相同的原子排列出現(xiàn)的現(xiàn)象叫做平移對(duì)稱性?，F(xiàn)的現(xiàn)象叫做平移對(duì)稱性。第24頁/共35頁 晶體的微觀結(jié)構(gòu)是晶體的微觀結(jié)構(gòu)是19121912年年LaueLaue開開始用始用X X射線進(jìn)行分析。射線進(jìn)行分析。第25頁/共35頁 非晶態(tài)不具有晶體微觀結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱性。非晶態(tài)不具有晶

12、體微觀結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱性。晶態(tài)與非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比晶態(tài)與非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比 圖中對(duì)比了晶態(tài)和非晶態(tài)?？梢?，晶體微觀空間的原子排列，無論是近程還是遠(yuǎn)程，都是周期性有序結(jié)構(gòu)，而非晶態(tài)只是近程有序而遠(yuǎn)程無序，無周期性規(guī)律。圖中對(duì)比了晶態(tài)和非晶態(tài)?？梢?，晶體微觀空間的原子排列，無論是近程還是遠(yuǎn)程，都是周期性有序結(jié)構(gòu)，而非晶態(tài)只是近程有序而遠(yuǎn)程無序，無周期性規(guī)律。第26頁/共35頁 指在一維方向上偏離理想晶體中的周指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種短。如各種位錯(cuò)（位錯(cuò)（dislocation），），如下圖如下圖所示。所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)性密切相關(guān)。 3 3、晶體中的位錯(cuò)、晶體中的位錯(cuò)第27頁/共35頁 (a) (b)第28頁/共35頁自由電子自由電子+金屬離金屬離子子金屬原子金屬原子位位錯(cuò)錯(cuò)+ + + + + + +第29頁/共35頁4 4、晶界、晶界晶界：兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面晶界：兩個(gè)空間位向不