第一章晶體的結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷

1、 第一章晶體結(jié)構(gòu)及晶體中的缺陷 根據(jù)材料組成原子、分子的排列規(guī)律，可以將材料分成晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體。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。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，而是雜亂無章地排列，如：特點，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

2、的性質(zhì)。1.31.3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的質(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)，然而又固體。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)有的平移對稱性，因而可以不具有晶體所應(yīng)有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。例如五次具有晶體所不允許的宏觀對稱性。例如五次對稱軸等。對稱軸等?！熬w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）周期性是晶

3、體結(jié)構(gòu)最基本的特征。1.41.4晶體的定義晶體的定義 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1.51.5晶體性質(zhì)晶體性質(zhì)均勻性各向異性自發(fā)地形成多面體外形 F+V=E+2 其中，F(xiàn)-晶面，V-頂點，E-晶棱有明顯確定的熔點有特定的對稱性使X射線產(chǎn)生衍射1.61.6晶胞晶胞 空間點陣必可選擇空間點陣必可選擇3 3個個不相平行不相平行的連結(jié)相鄰兩個點陣點的的連結(jié)相鄰兩個點陣點的單位矢量單位矢量a a，b b，c c，它們將點陣劃分成并置的平行六面體單位，它們將點陣劃分成并置的平行六面體單位，稱為點陣單

4、位。相應(yīng)地，按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的稱為點陣單位。相應(yīng)地，按照晶體結(jié)構(gòu)的周期性劃分所得的平行六面體單位稱為晶胞。矢量平行六面體單位稱為晶胞。矢量a a，b b，c c的長度的長度a a，b b，c c及其及其相互間的夾角相互間的夾角 ， ， 稱為稱為點陣參數(shù)點陣參數(shù)或晶胞參數(shù)?；蚓О麉?shù)。 晶胞是充分反映晶體對稱性的基本結(jié)構(gòu)單位。胞晶在三維晶胞是充分反映晶體對稱性的基本結(jié)構(gòu)單位。胞晶在三維空間空間有規(guī)則地重復(fù)排列有規(guī)則地重復(fù)排列組成了晶體。組成了晶體。晶胞結(jié)構(gòu)圖習(xí)慣上選擇對稱性高的對稱軸或?qū)Τ龄系陌l(fā)現(xiàn)方向為坐標(biāo)軸，以能直觀地反映晶體對稱性的平行六面體作為晶胞，這樣選擇的警報叫做慣用晶胞，

5、又叫做布喇菲胞。晶晶胞胞與與晶晶格格1.71.7晶系的類型晶系的類型根據(jù)晶體的對稱性，按有無某種特征對稱元素為標(biāo)準(zhǔn)，將晶體分成根據(jù)晶體的對稱性，按有無某種特征對稱元素為標(biāo)準(zhǔn)，將晶體分成7 7個晶系：個晶系：1. 1. 立方晶系立方晶系( (c c) )：在立方晶胞在立方晶胞4 4個方向體對角線上個方向體對角線上 均有三重旋轉(zhuǎn)軸均有三重旋轉(zhuǎn)軸( (a=b=ca=b=c, =90), =90)2. 2. 六方晶系六方晶系( (h h) )：有有1 1個六重對稱軸個六重對稱軸 ( (a=ba=b, = 90, , = 90, =120) =120)3. 3. 四方晶系四方晶系(t)(t)：有：有1

6、1個四重對稱軸個四重對稱軸(a=b, =90)(a=b, =90)4. 4. 三方晶系三方晶系(h)(h)：有：有1 1個三重對稱軸個三重對稱軸(a=b, =90, =120)(a=b, =90, =120)5. 5. 正交晶系正交晶系(o)(o)：有：有3 3個互相垂直的二重對稱軸或個互相垂直的二重對稱軸或2 2個互相垂直的對稱面?zhèn)€互相垂直的對稱面(=90)(=90)6. 6. 單斜晶系單斜晶系(m)(m)：有：有1 1個二重對稱軸或?qū)ΨQ面?zhèn)€二重對稱軸或?qū)ΨQ面(=90)(=90)7. 7. 三斜晶系三斜晶系(a)(a)：沒有特征對稱元素：沒有特征對稱元素底心單斜簡單三斜簡單單斜底心正交簡單正

7、交面心正交體心正交簡單菱方簡單六方簡單四方體心四方簡單立方體心立方面心立方2.12.1晶體的宏觀對稱性晶體的宏觀對稱性1. 晶體的宏觀對稱元素2.宏觀對稱元素的組合和32個點群3. 特征對稱元素與7個晶系虛操作分子對稱性晶體宏觀對稱性對稱元素及符號對稱操作及符號 對稱元素及符號對稱操作及符號對稱軸旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)對稱面反映反映面或鏡面反映對稱中心反演對稱中心倒反象轉(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 描述晶體宏觀對稱性與分子對稱性時常用對稱元素及與其相應(yīng)的對稱操作對照表實操作hnncs 晶體的對稱性 與有限分子的對稱性一樣也是點對

8、稱，具有點群的性質(zhì)，如都有對稱軸、對稱面、對稱中心等對稱元素。ns 在分子點在分子點群中有象轉(zhuǎn)軸 , 其對稱操作是旋轉(zhuǎn)反映，即：晶體的宏觀對稱元素晶體的宏觀對稱元素 但是，由于習(xí)慣的原因，討論晶體對稱性時所用的對稱元素和對稱操作的符號和名稱與討論分子對稱性時不完全相同，具體對比見上表。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 對應(yīng)的操作是先繞(軸)線旋轉(zhuǎn)度，然后再通過線上(中心)點進行倒反(或先倒反再旋轉(zhuǎn))，即能產(chǎn)生等價圖形。這種連續(xù)性操作的符號為 “ ”, 其中“ ”為倒反, “ ” 為旋轉(zhuǎn).)(LIL)(I由此可知， 與Sn都屬于復(fù)合對稱操作，且都由旋轉(zhuǎn)與另一相連的

9、操作組合而成。除了對稱元素和對稱操作的符號和名稱的不完全相同外，晶體的宏觀對稱性與有限分子的對稱性最本質(zhì)的區(qū)別是：晶體的點陣結(jié)構(gòu)使晶體的宏觀對稱性受到了限制，這種限制主要表現(xiàn)在兩方面：在晶體的空間點陣結(jié)構(gòu)中，任何對稱軸(包括旋轉(zhuǎn)軸、反軸以及以后介紹的螺旋軸)都必與一組直線點陣平行，與一組平面點陣垂直(除一重軸外)；任何對稱面(包括鏡面及微觀對稱元素中的滑移面)都必與一組平面點陣平行，而與一組直線點陣垂直。晶體中的對稱軸(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，任何對稱軸或軸性對稱元素的軸次只有一重、二重、三重、四重和六重這五種，不可能有

10、五重和七重及更高的其它軸次，這一原理稱為“晶體的對稱性定律”。 所以，綜合前面的討論，由于點陣結(jié)構(gòu)的限制，晶體中實際存在的獨立的宏觀對稱元素總共只有八種，見表2對稱元素國際符號對稱操作等同元素或組合成分對稱中心倒反反映面(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表表2 2 晶體中的宏觀對稱元素晶體中的宏觀對稱元素晶體宏觀對稱元素的組合晶體宏觀對稱元素的組合 晶體的獨立的宏觀對稱元素只有八種，但在某一晶體中可以只存在一個獨立的宏觀對稱元素，也

11、可能有由一種或幾種對稱元素按照組合程序及其規(guī)律進行合理組合的形式存在。(1)晶體多面體外形是有限圖形，故對稱元素組合時必通過質(zhì)心，即通過一個公共點。(2)任何對稱元素組合的結(jié)果不允許產(chǎn)生與點陣結(jié)構(gòu)不相容的對稱元素，如5、7、。對于宏觀對稱元素而言，這些元素組合時必受以下兩條的限制：組合程序： 組合時先進行對稱軸與對稱軸的組合，再在此基礎(chǔ)上進行對稱軸與對稱面的組合，最后為對稱軸、對稱面與對稱中心的組合。兩條限制： 按照以上程序及限制進行組合，我們可以得到的對稱元素系共32種，即32個點群：對稱性的高低晶系特征對稱元素晶胞類型點 群對稱元素序號熊夫里斯記號國際記號低三斜無12單斜 或m345 正交

12、兩個互相垂直的m或三個互相垂的67 8中四方910 11 122223i490cba90cba90cba1cic2cschc22DvD2hD212m2m2222mm222mmmi2mim, 2, 22m,233,m4c4shc44D444m44, 4,mi, 4 4290cba1422表表3 7個晶系的劃分和個晶系的劃分和32晶體學(xué)點群晶體學(xué)點群對稱性的高低晶系特征對稱元素晶胞類型點點 群群對稱元素序號熊夫里斯記號國際記號中四方131415三方菱面體晶胞161718六方晶胞1920im ,5,24,4vc4dD2hD4mm4m24224mmmm4,4m2,22,490cba4390120cba

13、3cic33Dvc3dD3333m3323i ,323,3m3,3im,3 ,23 , 312090cba2m續(xù)表：對稱性的高低晶系特征對稱元素晶胞類型點點 群群對稱元素序號熊夫里斯記號國際記號中六方21222324252627高立方 在立方的體對角線方向2829303132mmm612090cba6chc3hc66Dvc6hD3hD6622mm626m226666m6),3(6mim, 626,6m6,6mm4,23), 3(6im ,7,26,64 390cbaThTOdThO2323m432m34423mm23,34im ,3,23,34m6,43,34im ,9,26,43,3426,

14、43,34續(xù)表：2.22.2晶體的微觀對稱性晶體的微觀對稱性平移對稱性：平移對稱性： 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。對于理想的完美晶體，這種對于理想的完美晶體，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)象叫做平移對稱性?，F(xiàn)的現(xiàn)象叫做平移對稱性。 晶體的微觀結(jié)構(gòu)是晶體的微觀結(jié)構(gòu)是19121912年年LaueLaue開始用開始用X X射線進行分析。射線進行分析。 非晶態(tài)不具有晶體微觀結(jié)構(gòu)的平移對稱性。非晶態(tài)不具有晶體微觀結(jié)構(gòu)的平移

15、對稱性。晶態(tài)與非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對比晶態(tài)與非晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對比 圖中對比了晶態(tài)和非晶態(tài)?？梢?，晶圖中對比了晶態(tài)和非晶態(tài)?？梢姡w微觀空間的原子排列，無論是近程還是遠體微觀空間的原子排列，無論是近程還是遠程，都是周期性有序結(jié)構(gòu)，而非晶態(tài)只是近程，都是周期性有序結(jié)構(gòu)，而非晶態(tài)只是近程有序而遠程無序，無周期性規(guī)律。程有序而遠程無序，無周期性規(guī)律。 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，即缺陷尺期性、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，另外二維方向上很短。寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種如各種位錯（位錯（dislocation），），如下圖所示。如下圖所示。 線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆線缺陷的產(chǎn)生及運動與材料的韌性、脆性密切相關(guān)性密切相關(guān)。 3 3、晶體中的位錯、晶體中的位錯圖圖2-2 (a)刃位錯刃位錯(b)螺位錯螺位錯 (a) (b)自由電子自由電子+金屬離子金屬離子金屬原子金屬原子位錯位錯+ + + + + + +4 4、晶界、晶界晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。分類分類（1 1）大角度晶界）大角度晶界（2 2）小角度晶界）小角度晶界大角度晶界大角度晶界： 晶粒位向差大于