材料化學chapter1-2-晶體學基礎(chǔ)

1、2.1 概述2.2 晶體與非晶體2.3 晶體的結(jié)構(gòu)與性能2.4 晶體缺陷及其對性能的影響2.5 非晶態(tài)材料的結(jié)構(gòu)與性能2.6 材料結(jié)構(gòu)的表征12.3 晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1規(guī)則的幾何外形2晶面角守恒3有固定的熔點4物理性質(zhì)的各向異性2.3.1 晶體的宏觀特性2石英晶體的若干外形圖石英晶體的不同樣品中，a、c晶面間夾角總是113o08，b、c晶面夾角總是120o00，所以晶面角才是晶體外形的特征因素。這個普遍的規(guī)律被概括為晶面角守恒定律：屬于同一晶種的晶體，兩個對應(yīng)晶面間的夾角恒定不變，晶面角守恒表明同一種晶體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)則性是相同的。32.3.2 布拉格點陣與晶系格子的結(jié)點：點陣結(jié)構(gòu)點陣的質(zhì)點

2、：原子、分子、離子、原子團每個結(jié)點有完全想同的周圍環(huán)境（1） 布拉格點陣4NaCl的晶體結(jié)構(gòu)晶體的晶胞參數(shù)晶胞參數(shù)a、b、c、5晶體結(jié)構(gòu)點陣+結(jié)構(gòu)基元基元點陣圖6（2） 晶系7晶面指數(shù)82.4 晶體缺陷及對其性能的影響2.4.1 缺陷的分類2.4.2 缺陷對晶體性質(zhì)的影響2.4.3 非整比化合物92.4 晶體缺陷及對其性能的影響理想晶體？1011所謂平移對稱性就是指對空間點陣，任選一個最小的基本單元，在空間三維方向進行平移，這個單元能夠無一遺漏的完全復(fù)制所有空間格點。由于局部地方格點的破壞導致平移操作無法完整地復(fù)制全部的二維點陣。這樣的晶體，我們就稱之為含缺陷的晶體，對稱性破壞的局部區(qū)域稱為晶

3、體缺陷。122.4 .1 晶體缺陷的分類結(jié)構(gòu)缺陷（本征缺陷）點缺陷面缺陷線缺陷體缺陷13點缺陷：發(fā)生在晶格中一個原子尺寸范圍內(nèi)的一類缺陷，亦稱零維缺陷，例如空位、間隙原子等線缺陷：缺陷只在一個方向上延伸，或稱一維缺陷，主要是各種形式的“位錯”，例如晶格中缺少一列原子即形成線缺陷面缺陷：晶體內(nèi)一個晶面不按規(guī)定的方式來堆積，部偏離周期性點陣結(jié)構(gòu)的二維缺陷，即在堆積過程中偶爾有一個晶面不按規(guī)定的方式來堆積，于是這一層之間就產(chǎn)生了面缺陷。體缺陷：指在三維方向上相對尺寸較大的缺陷，例如完整的晶格中可能存在著空洞或夾雜有包裹物等，使得晶體內(nèi)部的空間點陣結(jié)構(gòu)整體中出現(xiàn)了異性形式的缺陷142.4 .1.1 點

4、缺陷（1） 概念空位間隙原子15六十年代Kroger等建立了比較完整的缺陷研究理論，主要用于研究晶體內(nèi)的點缺陷。缺陷化學的基本假設(shè)：將晶體看作稀溶液，將缺陷看成溶質(zhì)，用熱力學的方法研究各種缺陷在一定條件下的平衡。也就是將缺陷看作是一種化學物質(zhì)，他們可以參與化學反應(yīng)準化學反應(yīng)，一定條件下，這種反應(yīng)達到平衡狀態(tài)。1617在晶體中，位于點陣結(jié)點上的原子并非靜止的，而是以平衡位置為中心作熱振動。原子的振動能是按幾率分布，有起伏漲落的。當某一原子具有足夠大的震動能而使振幅增大到一定限度時，就可能克服周圍原子對它的制約作用，跳離其原來的位置，使點陣中形成空結(jié)點，稱為空位。18離開平衡位置的原子有三個去處：

5、一是遷移到晶體表面或內(nèi)表面的正常結(jié)點位置上；使晶體內(nèi)部留下空位，稱為Schottky空位二是擠入點陣的間隙位置，在晶體中同時形成數(shù)目相等的空位和間隙原子，稱為Frenkel缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或空位遷移；四是一定條件下，晶體表面的原子也可能跑到晶體內(nèi)部的間隙位置形成間隙原子；對于高分子晶體除了上述的空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等點缺陷外，還有其特有的點缺陷。19 晶體中的原子正是由于空位和間隙原子不斷的產(chǎn)生與復(fù)合才不聽地由一處向另一處做無規(guī)則的布朗運動，這就是晶體中原子的自擴散，是固體相變、表面化學熱處理、蠕變、燒結(jié)等物理化學過程的基礎(chǔ)。2021熱致缺陷摻雜造成缺陷與環(huán)境雜質(zhì)交換引

6、起缺陷外部作用引起缺陷（2） 成因22（3） 缺陷對晶體性質(zhì)的影響23（3） 缺陷對晶體性質(zhì)的影響（1） 對力學性質(zhì)的影響（2）對催化性能影響（3）對電化學性質(zhì)的影響（4）對光學性質(zhì)的影響（5）對晶體顏色的影響241對力學性質(zhì)的影響由于結(jié)構(gòu)缺陷的存在，使得晶體的機械強度大大降低。2. 對光學性質(zhì)的影響晶體缺陷對晶體的光學性質(zhì)有很大影響。如雜質(zhì)原子就會對閃爍晶體材料的性能產(chǎn)生重大影響。BGO是化合物Bi4Ge3O4的簡稱。BGO晶體無色透明，室溫時在光和X射線輻照下有很強的發(fā)光性質(zhì)，是性能優(yōu)異的新一代閃爍晶體材料，可以用于探測X射線、Y射線、正電子和帶電粒子等，在核物理，高能物理，核醫(yī)學和石油勘

7、探等有廣泛應(yīng)用，但如果含千分之幾的雜質(zhì)，發(fā)光新能就會受到嚴重的影響。25 3對電學性質(zhì)的影響 由于晶格中空位缺陷的存在，對各類晶體的電導率產(chǎn)生不同的影響。 因為在電場作用下，離子會通過空位而移動，從而增高了離子晶體的電導率； 但對電子導電的金屬體而言，則因其內(nèi)部缺陷濃度的增加而導致了電阻率的增高。 雜質(zhì)對于晶體，特別是對半導體材料的電學性質(zhì)的影響十分顯著。這主要是由于雜質(zhì)元素的引入改變了半導體的能帶結(jié)構(gòu)。因此許多半導體原料在制成器件前都要“摻雜”，控制摻雜元素的種類和濃度，即可得到不同類型的、電阻率范圍不同的半導體材料。264對晶體顏色的影響晶體的顏色與晶體缺陷密切相關(guān)。如Cr2O3本身是綠色

8、，當摻入Al2O3即變成紅色。5對催化性能的影響固相催化刑的催化性能與晶體表面有關(guān)。272.4 .1.2 位錯28從滑移的角度看，位錯是滑移面上上已滑移和未滑移部分的交界，即晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。晶體中的線缺陷是各種類型的位錯，其特點是原子發(fā)生錯排的范圍，在一個方向上尺寸較大，而在另外兩個方向上尺寸較小，是一個直徑約在3-5個原子間距、長幾百到幾萬個原子間距的管狀原子畸變區(qū)2930刃型位錯線可理解為晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線。它可以是直線、折現(xiàn)或曲線，但必須與滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量?；泼姹囟ㄊ峭瑫r包含有位錯線和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于

9、在刃型位錯中，位錯線和滑移矢量相互垂直，因此他們所構(gòu)成的平面只有一個。對于高分子晶體除了上述的空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等點缺陷外，還有其特有的點缺陷。313233由于剪應(yīng)力的作用使晶體互相滑移，晶體中滑移部分的相交位錯線是和滑移面方向平行的，因為位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡面，古稱為螺旋位錯。342.4 .1.3 面缺陷35材料的表面是最顯而易見的面缺陷。在垂直于表面方向上，平移對稱性被破壞了。由于材料是通過表面與環(huán)境及其他材料發(fā)生相互作用，所以表面的存在對材料的物理性能有重要的影響。常見的氧化、腐蝕、磨損等自然現(xiàn)象都與表面狀態(tài)有關(guān)。36原子偏離周期排列的三維缺陷。一般指材料

10、中的空洞、夾雜物等，這種體缺陷對材料性能的影響一方面與它的幾何尺寸的大小有關(guān)；另一方面也與其數(shù)量、分布有關(guān)；它們的存在常常是有害的2.4 .2 體缺陷372.4 .3 非整比化合物產(chǎn)生原因一種原子的一部分從有規(guī)則的結(jié)構(gòu)位置中失去；存在著超過結(jié)構(gòu)所需數(shù)量的原子被另一種原子所取代38高溫超導材料392.5 非晶體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.5.1 非晶體的結(jié)構(gòu)特點402.5.2 非晶體材料的性能412.6 材料結(jié)構(gòu)的表征2.6.1 材料化學組成的表征化學分析法儀器分析法422.6.2 材料結(jié)構(gòu)的表征（1）晶體結(jié)構(gòu)的研究和表征（2）材料顯微結(jié)構(gòu)的研究43形貌的觀察及物相（組成、含量）分析；固體結(jié)構(gòu)（類型、點陣常數(shù)）的測定；固體結(jié)合鍵的類型；雜質(zhì)含量及分布情況晶粒形態(tài)、大小、取向及分布特征；晶粒中的晶格畸變相缺陷情況；晶體結(jié)構(gòu)和相結(jié)構(gòu)及分布特征；材料的應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變。442.6.3 材料結(jié)構(gòu)的表征的幾種方法4546透射電子- -透射電子顯微鏡（TEM