材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念課件

1、材料結(jié)構(gòu)（無機材料）晶體結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念參考書目固體物理導論基泰爾 化學工業(yè)出版社2005.6 固體物理學黃昆 北京大學出版社 2009.9材料的晶體結(jié)構(gòu)原理毛衛(wèi)民, 冶金工業(yè)出版社, 2007.8材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念主要內(nèi)容第1章 晶體結(jié)構(gòu)(4學時)：晶體學概述、原子的周期性、晶格的基本類型、各晶系空間群特征、國際表示和使用方法、常見的無機晶體結(jié)構(gòu)；第2章 晶體衍射和倒格子 (4學時)：晶體衍射、布里淵區(qū)與倒格子、X射線衍射基礎、常見無機晶體結(jié)構(gòu)的測定、中子衍射結(jié)構(gòu)分析；第3章 晶體結(jié)合與彈性常數(shù)(4學時)：惰性氣體晶體，離子晶體共價晶體，金屬晶體等，彈性應變的分析和立方晶體

2、中的彈性波；第4章 晶格振動與熱學性質(zhì)(2學時)：聲子與晶格振動，聲子比熱容，熱膨脹，導熱性；第5章 晶體中的缺陷和擴散 (2學時)：晶體結(jié)構(gòu)中點缺陷、點缺陷與擴散；第6章 能帶(2學時)：近自由電子模型，金屬與絕緣；材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念主要內(nèi)容第7章 金屬晶體(2學時)：電子氣的熱容，電導率和歐姆定律，無機材料中的電子導電規(guī)律也結(jié)構(gòu)特點；第8章 半導體晶體(2學時)：能隙，本征載流子，雜質(zhì)導電性，相關(guān)無機材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)規(guī)律；第9章 陶瓷磁性(2學時)：抗磁、順磁、鐵磁，反鐵磁，相關(guān)典型無機材料的結(jié)構(gòu)特點與規(guī)律；第10章 陶瓷光學性質(zhì)(2學時)：光學反射與拉曼效應；第11章 高溫超導體(2

3、學時)；基本規(guī)律，高溫超導體結(jié)構(gòu)特點與性能 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念上講主要內(nèi)容概述：課程的特點和內(nèi)容；結(jié)構(gòu)相關(guān)名詞；研究結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系；材料的研究手段和方法基本名詞：材料無機非金屬結(jié)構(gòu)晶格和缺陷電子結(jié)構(gòu)；電子結(jié)構(gòu)分析工具及其方法原理：量子力學初步知識第一性原理計算簡介MS Dmol3 演示操作材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念具體內(nèi)容包括材料的核心問題是結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，因此，結(jié)構(gòu)是材料研究的重要內(nèi)容之一；材料結(jié)構(gòu)主要分為理想結(jié)構(gòu)和非理想結(jié)構(gòu)，分別對應：晶格、缺陷等晶體概念，以及非晶體，納米，關(guān)聯(lián)等概念，對于無機材料（陶瓷）晶體結(jié)構(gòu)及其缺陷是我們重點關(guān)心的 結(jié)構(gòu)概念除了實際空間的晶格和缺陷概念外，還包

4、括動量空間以及能量空間等概念、方法和工具，這些也是課程的難點從電子到原子，從原子到分子晶體的結(jié)構(gòu)與什么有關(guān)；決定晶體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)因素是電子結(jié)構(gòu)，而通常研究它的工具是量子力學方法材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念主要問題分析電子結(jié)構(gòu)層次我們從H原子開始，由求解薛定諤方程得到電子分布的基態(tài)和激發(fā)態(tài)從原子到分子的研究同樣可以利用第一性原理計算工具進行分析，可以進行超級分子，甚至納米顆粒的精細研究；但是對于實際晶體材料，其邊界無限大，原子無限多，更重是其周期性的特點無法表達出來，因此，要從晶格的特征研究出發(fā)，根據(jù)其特點來研究是非常關(guān)鍵的引出晶體結(jié)構(gòu)研究材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念本章的主要問題什么是晶體結(jié)構(gòu)？這個概念

5、是如何而來的如何描述晶體結(jié)構(gòu)？晶體結(jié)構(gòu)是如何分類的？如何利用晶體結(jié)構(gòu)來分析問題？如何建立一個晶體結(jié)構(gòu)模型？材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念文獻中晶體結(jié)構(gòu)描述 LaNi5為CaCu5型立方結(jié)構(gòu)，空間群為D6hP6/mmm。 其晶體結(jié)構(gòu)見圖。每個單胞中含有兩種不同的原子：La和Ni，共6個原子，一個La原子占據(jù)1a位置，原子坐標為（0,0,0）；Ni占據(jù)兩種不同的原子位置：兩個Ni原子占據(jù)2c位置，（1/3，2/3，0）；三個Ni原子占據(jù)3g位置，（1/2，0，1/2）。點陣常數(shù)a=5.017，c=3.981。如何通過這些信息了解這個材料晶格結(jié)構(gòu)的特征，為我

6、們進一步的性能研究提供幫助材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶格概念的來源晶體結(jié)構(gòu)即晶體的微觀結(jié)構(gòu)，是指晶體中實際質(zhì)點（原子、離子或分子）的具體排列情況。自然界存在的固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩大類，如,固態(tài)的金屬與合金大都是晶體。晶體與非晶體的最本質(zhì)差別在于組成晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點是規(guī)則排列的（長程序），而非晶體中這些質(zhì)點除與其最近鄰外，基本上無規(guī)則地堆積在一起（短程序）。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念2.3.3 Structure & physical performance of crystal materials晶體的特征有哪些？（1）均勻性（2）各向異性（3）自發(fā)地形成多面體外形（4）晶體具

7、有明顯確定的熔點（5）晶體的對稱性 （6）晶體對X射線的衍射 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念2.2 Crystal & non-crystal非晶體晶體與非晶體的結(jié)構(gòu)和特點晶體原子或原子團、離子或分子在空間按一定規(guī)律呈周期性地排列構(gòu)成的固體原子、分子或離子無規(guī)則地堆積在一起所形成的固體材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念2.5 Noncrystal materials石英玻璃石英晶體同樣材料不同結(jié)構(gòu)，不同性能和應用材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念液晶晶體結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶體中其他問題 準晶體是1984年科學家發(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固體。準晶體具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶

8、體所應有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的宏觀對稱性。例如五次對稱軸等。準晶體的發(fā)現(xiàn)一方面極大地深化了我們對晶體學、衍射物理和凝聚態(tài)物理地的認識。另一方面，準晶體的各種獨特性質(zhì)使準晶體具有潛在的應用價值。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)概念晶體結(jié)構(gòu)：具有周期性的理想晶體，是無機非金屬材料（陶瓷）的主要構(gòu)成；與理想晶體相對應的非理想晶體結(jié)構(gòu)也是材料結(jié)構(gòu)的重要研究課題，如非晶和準晶等概念，以及納米和低維結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)晶體結(jié)構(gòu)引申出的缺陷也是重要的結(jié)構(gòu)特征，是材料性能分析的重要方面凝聚態(tài)（固體）材料無機非金屬陶瓷晶相為其結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)特征理想晶體晶格缺陷結(jié)構(gòu)特點相關(guān)性質(zhì)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶

9、體中的其他結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)的范圍包括理想晶體和非理想晶體，無機非金屬（其中的陶瓷材料）理想晶體概念非常重要，但晶體結(jié)構(gòu)中進一步還存在著不同形式的缺陷：單晶和多晶；孿晶和層錯；位錯螺旋位錯，刃型位錯；點缺陷空位，雜質(zhì)，間隙等；缺陷也是結(jié)構(gòu)中的重要概念，在某些性質(zhì)中起關(guān)鍵的作用材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念問題的提出晶格概念最為基礎和重要，它是學習和研究缺陷和非理想晶體概念的前提：理想晶體是如何描述的.晶胞（原胞）是如何引入的？ 以及描述晶體特點的對稱操作是什么？7晶系14個布拉維格子230空間群，這幾個描述結(jié)構(gòu)名詞之間的差異？材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念理想晶體：晶胞(unit cell) 晶體中最小的結(jié)構(gòu)重

10、復單元，形狀為平行六面體，其三邊長度a,b,c不一定相等，也不一定垂直。整個晶體是由晶胞并置堆砌而成。 劃分晶胞要遵循2個原則：一是盡可能反映晶體內(nèi)結(jié)構(gòu)的對稱性；二是盡可能小。 平移對稱性材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念 長方形、正三角形、正方形和正六方形可以在平面內(nèi)周期性重復排列。正五邊形及其它正 n 邊形則不能作周期性重復排列。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念Unit cella、b、c : 確定晶胞大小 、 : 確定晶胞形狀晶胞參數(shù)晶胞 Unit Cell 晶胞中各原子(分子、離子)的坐標平移對稱性材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶胞的分類 7大晶系 晶系 晶軸 軸間夾角 實例 立方 a = b = c = 9

11、00 Cu, NaCl 四方 a = b c = 900 Sn, SiO2 正交 a = b c = 900 I2, BaCO3 三方 a = b = c = 900 As, Al2O3 a = b c = 900 ， = 1200 單斜 a b c = = 900 ， 900 KClO3 三斜 a b c 900 K2CrO7 六方 a = b c = 900， =1200 Mg,CuS材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念14種布拉維格子從晶體形態(tài)的對稱規(guī)律得到啟發(fā)，人們嘗試著進入到晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 1855年法國晶體學家布拉維（Bravais A, 1811-1863）運用嚴格

12、的數(shù)學方法推導出晶體的空間格子（即：晶體結(jié)構(gòu)中的平移重復規(guī)律）只有14種，這就是著名的14種布拉維格子，它描述了晶體結(jié)構(gòu)中的平移對稱。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念英文立方四方正交六方單斜三斜三方材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念無機化合物按照晶系統(tǒng)計材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念為什么還要提出新的表示方法?材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念 包含著深刻物理含義的數(shù)學形式 對稱性就是物體或圖像中各部分間所具有的相似性，物體以及圖像的對稱性可定義為經(jīng)過某一不改變其中任何兩點間距離的操作后能復原的性質(zhì)。對稱元素： 對稱操作中所憑借的元素(點、線、面)。對稱操

13、作：使物體沒有變化的操作，可分為點操作和空間操作。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念旋轉(zhuǎn)Cn繞軸旋轉(zhuǎn)2/2角，分子可得“重現(xiàn)” 如果分子沿順時針方向繞一軸旋轉(zhuǎn)2/n角后能夠復原，就稱此操作為旋轉(zhuǎn)操作，上述旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸就稱作n次旋轉(zhuǎn)軸，記做Cn。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念反演與反映1. 對稱中心(i)與反演操作(i)(i) 從分子中任一原子至分子中心連一直線，如果在其延長線的相等距離處有一個相同原子，并且對分子中所有的原子都成立，則稱此分子具有對稱中心i，通過對稱中心使分子復原的操作叫反演。如：材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念2. 對稱面(鏡面)與反映操作 如果分子被一平面等分為兩半，任一

14、半中的每個原子通過此平面的反映后，能在另一半（映象）中與其相同的原子重合，則稱此對稱分子具有一對稱面，用表示。據(jù)此進行的操作叫對稱面反映操作，或簡稱反映。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念旋轉(zhuǎn)反映 如果一個分子繞軸旋轉(zhuǎn)后，再作垂直此軸的平面反映，使分子的取向與原來的相重合，則稱此分子具有旋轉(zhuǎn)反映軸，以Sn表示。旋轉(zhuǎn)反映軸又叫反軸，有時又叫非真軸，如：AAS4軸材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念 旋轉(zhuǎn)反映操作是一個復合操作，即先經(jīng)Cn旋轉(zhuǎn)，然后再經(jīng)垂直Cn軸的平面的反映，可表示為Cn過程. 如：n=2時， C2S2，由于S2效果等同于i，則S2 C2i；材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶

15、體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念繼續(xù)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念接上，繼續(xù)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念不要忽視基元材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念典型的無機晶體結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念典型的晶體結(jié)構(gòu)介紹簡單立方；體心立方；面心立方；密堆六方；材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念（1）簡單立方堆積形成簡單立方晶胞，空間利用率較低52 ，金屬釙（Po）采取這種堆積方式。材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念（2）體心立方堆積（bcc ，A2）堿金屬、-Fe 、 難熔金屬（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念a ：晶

16、胞單位長度 R ：原子半徑單位晶胞原子數(shù) n = 2bcc分析晶格尺寸與原子半徑關(guān)系材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念（3）面心立方堆積(fcc ，A1)Al，Ni， Pb，Pd， Pt，貴金屬 以及 奧氏體不銹鋼等 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念fccn = 4材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念hcp材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念（4）六方堆積（hcp， A3）-Ti， -Co， -Zr， Zn，Mg 等 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念平行六面體的底是個平行四邊形，各邊為a=2R,平行四邊形的面積 平行六面體的高材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念(5)金剛石型堆積（A4）材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)

17、概念(6)離子晶體CsCl型: (CsCl, CsBr, CsI, NH4Cl) 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念CaF2型 材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念NaCl型:材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念計算晶體的理論密度NiO晶體的結(jié)構(gòu)型式與NaCl晶體的結(jié)構(gòu)型式完全相同，Ni2與最鄰近的O2的核間距為a10-10m。試計算NiO晶體的密度。（已知NiO的摩爾質(zhì)量為74.7g.mol-1）材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念用晶體結(jié)構(gòu)研究材料性質(zhì)的例子分析討論結(jié)構(gòu)特征；理論密度計算；擴散遷移機理與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系分析替換元素的關(guān)口尺寸與離子遷移規(guī)律；局部結(jié)構(gòu)與晶體穩(wěn)定性關(guān)系；離子遷移通道分析研究；以上是簡單的晶體結(jié)構(gòu)體系，如何找到我們研究所用的晶體結(jié)構(gòu)信息呢？材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶體結(jié)構(gòu)信息資源介紹重要的晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)站材料結(jié)構(gòu)無機晶體結(jié)構(gòu)概念晶體表述形式的差異晶體結(jié)構(gòu)包括：7晶系14個布拉維格子230空間群；7晶系適合和方便描述晶體，討論相關(guān)空間位置和方向，14個布拉