2021-2022學(xué)年高二物理競賽課件：晶體的概念及其特性

1、晶體的概念及其特性概 念：晶 體：規(guī)則結(jié)構(gòu)，分子或原子按一定的周期性排列。長程有序性、有固體的熔點。例如：水晶、巖鹽非晶體：非規(guī)則結(jié)構(gòu)，分子或原子的排列沒有明確的周期性。短程有序性，沒有固定的熔點。 例如：玻璃、橡膠準(zhǔn)晶體：有長程的取向序但沒有長程的平移對稱序（長程周期性）。取向序具有晶體周期性所不允許的點群對稱性。例如：Al-Mn合金1-1 晶體的概念及其特性1-1 晶體的概念及其特性晶體特性：物 理：* 固定熔點（熔化時，晶態(tài)固體的長程有序解體時對應(yīng)一定的熔點）* 原子排列長程有序（微米量級的范圍是有序排列的）* 解理性 （ Si的解理面為(111) ）幾何外形：* 最顯著的特點是晶面有規(guī)

2、則、對稱地配置* 凸多面體，晶棱平行，晶面夾角守恒* 一個理想完整的晶體，相應(yīng)的晶面的面積相等金剛石：復(fù)式面心立方結(jié)構(gòu)，最堅硬固體，絕緣體石墨：層狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟，潤滑性好，導(dǎo)體石墨烯：單層碳原子，優(yōu)異電輸運性能晶體結(jié)構(gòu)決定物理性能！金剛石石墨石墨烯1-1 晶體的概念及其特性怎樣描述不同的晶體結(jié)構(gòu)？每一個原子的坐標(biāo)都寫出來？原子數(shù)目1023cm-3量級，不可行！尋找規(guī)律！規(guī)律：金，銀，銅雖然化學(xué)成分不同，如果不查究其化學(xué)成分，即不管原子是金或銀還是銅，不管原子之間間距的大小，那他們是完全相同的，就是他們的結(jié)構(gòu)完全相同！數(shù)學(xué)方法抽象描寫：不區(qū)分物理、化學(xué)成分，每個原子都是不可區(qū)分的，只有原子（數(shù)學(xué)上

3、僅僅是一個幾何點）的相對幾何排列有意義。金剛石（立方）石墨（六方）石墨烯（六方）晶格：晶體中原子排列的具體形式一般稱為晶體格子，簡稱為晶格。理想晶體：實際晶體的數(shù)學(xué)抽象以完全相同的基本結(jié)構(gòu)單元（基元）規(guī)則地，重復(fù)的以完全相同的方式無限地排列而成格點（結(jié)點）：基元位置，代表基元的幾何點晶格（點陣）：格點（結(jié)點）的總和原子種類和間距不同，但有相同的排列規(guī)則，則這些原子構(gòu)成的晶體具有相同的晶格簡立方(cubic)，面心立方(fcc), 體心立方(bcc),六方(hcp)點陣基元晶體晶體結(jié)構(gòu) = 點陣（數(shù)學(xué)幾何點） + 基元（物理） 原胞 (Primitive cell)：晶格的最小周期性單元。又稱初

4、基晶胞。 基矢：原胞的邊矢量 單胞 (Unit cell)：晶體學(xué)中，為了反映晶格的對稱性，選取較 大的周期性單元，又稱晶胞。單胞不一定是原胞原胞選取不唯一，但有習(xí)慣的選取方式。如三維晶格原胞通常是平行六面體。晶格周期性的描述：原胞和基矢原胞是最小周期性單元，將原胞沿著基矢進(jìn)行平移便可填充整個空間得到相應(yīng)晶體。之所以在原胞之上選取了更大的單胞作為研究對象，是因為單胞能更好的反映晶體的對稱性，這會在我們分析問題時提供便利。 以某個格點為中心，作其與鄰近格點的中垂面，這些中垂面所包含最小體積的區(qū)域為維格納-賽茲原胞 對稱性原胞，不依賴于基矢的選擇，與相應(yīng)的布拉伐格子有完全相同的對稱性特點：1.僅包

5、含一個格點，體積與慣用原胞相等2.保留了晶格所有的對稱性3.平常很少用，在能帶理論中對應(yīng)布里淵區(qū)Wigner-Seitz 原胞簡單立方晶格(Simple Cubic)如何判斷所選取的原胞是正確的，即最小周期單元？計算原胞體積所對應(yīng)的原子數(shù)。原胞中只包含一個原子基矢原胞體積一些簡單的晶格原胞基矢原胞體積單胞基矢單胞體積單胞內(nèi)原子數(shù)：4原胞內(nèi)原子數(shù)：1單胞內(nèi)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：（0,0,0）(1/2,0,1/2)(1/2,1/2,0)(0,1/2,1/2)面心立方晶格(Face-centered Cubic)一些簡單的晶格單胞內(nèi)原子數(shù)：2原胞內(nèi)原子數(shù)：1原胞基矢原胞體積單胞基矢單胞體積單胞內(nèi)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：（0,0,0）(1/2,1/2,1/2)一些簡單的晶格體心立方晶格(Body-centered Cubic)六角密排晶格的原胞和單胞一樣* 一個原胞中包含A層 和B層原子各一個* 共兩個原子基矢：