晶體結構和晶體缺陷

晶體結構和晶體缺陷第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

晶體(crystal):內部微粒(原子、分子或離子)在空間按一定規(guī)律周期性排列構成的固體。1.晶體結構的特征與晶格理論4.4.1晶體結構特征和類型非晶體(amorphoussolid):內部微粒在空間作無規(guī)則排列構成的固體。第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體非晶體第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體非晶體規(guī)則幾何外形無定形確定的熔點各向異性各向同性無確定的熔點對X射線的衍射效應無對稱性無

晶體與非晶體的區(qū)別第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月將晶體內的微粒視為幾何上的點,這些點所組成的幾何構型稱為晶格(crystallattice)。而微粒所占有的位置稱為晶格結點(latticepoint)。晶胞(Unitcell)：晶體的最小重復單元，通過晶胞在空間平移無隙地堆砌而成晶體。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月由晶胞參數(shù)a，b，c，α，β，γ表示，a，b，c為六面體邊長，α，β，γ分別是bcca,ab所形成的三個夾角。晶胞的兩個要素：

(1)晶胞的大小與形狀：第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)晶胞的內容：粒子的種類，數(shù)目及它在晶胞中的相對位置。按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系。

按帶心型式分類，將七大晶系分為14種型式。例如，立方晶系分為簡單立方、體心立方和面心立方三種型式。第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格的14種型式簡單立方體心立方面心立方簡單四方體心四方簡單六方簡單菱形第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單正交底心正交體心正交面心正交簡單單斜底心單斜簡單三斜第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶(singlecrystal)：單個晶體構成的物體。在單晶體中所有晶胞均呈相同的位向。一般所謂的晶體都是泛指單晶體。多晶(polycrystals)：由許多晶體(晶粒)構成的物體?；蛘哒f多晶體是由許多取向不同而隨機排布的小晶體組成。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)六方密堆積:(hexagonalclosestpacking,

hcp)配位數(shù)：12

同層每個球周圍有六個球，第三層與第一層對齊，形成ABAB…排列方式。2.球的密堆積第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)面心立方密堆積:(cubicclosestpacking,ccp)配位數(shù)：12

第三層與第一層不是對齊的，有錯位，以ABCABC…方式排列。第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)體心立方堆積:(boydcenteredcubicpacking,bcc)配位數(shù)：8立方體的中心和8個頂角各為一個球占據(jù)。第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月密堆積結構中存在許多空隙四面體空隙八面體空隙第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月離子晶體(ioniccrystal)：正、負離子交替排列在晶格結點上，相互間以離子鍵結合而構成的晶體。(1)

離子晶體特征結構：配位數(shù)高，晶體中沒有獨立的分子存在。離子在晶體中采取緊密堆積方式。陰離子：大球，密堆積，形成空隙。陽離子：小球，填充空隙。規(guī)則：陰陽離子相互接觸穩(wěn)定；配位數(shù)大，穩(wěn)定。3.晶體類型第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月三種典型的離子晶體NaCl型晶胞中離子的個數(shù):晶格:面心立方配位比:6:6(紅球－Na+,

綠球－Cl-)第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月CsCl型晶胞中離子的個數(shù):晶格:簡單立方配位比:8:8(紅球－Cs+,

綠球－Cl-)第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶胞中離子的個數(shù):ZnS型(立方型)晶格:面心立方配位比:4:4(紅球－Zn2+,

綠球－S2-)第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月半徑比(r+/r-)規(guī)則:NaCl晶體:其中一層橫截面:第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月r+/r-<0.414r+/r->0.414理想的穩(wěn)定結構(NaCl)第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù)構型0.225→0.414

4ZnS型0.414→0.732

6NaCl型0.732→1.00

8CsCl型

離子半徑比與配位數(shù)的關系第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格能U

(latticeenergy)：在標準狀態(tài)下，由離子晶體變?yōu)闅鈶B(tài)的正、負離子時所吸收的能量。單位：kJ·mol-1晶格能可用于衡量晶體離子鍵的強弱U(g)Cl+(g)NaNaCl(s)-+例如：第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月影響晶格能的因素：①離子的電荷(晶體類型相同時)②離子的半徑(晶體類型相同時)Z↑,U↑例:U(NaCl)<U(MgO)R↑,U↓例:U(MgO)>U(CaO)特征物性：有較高的熔點、硬度，是電的良導體，但延展性差,較脆。第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格能對離子晶體物理性質的影響第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)原子晶體原子晶體(atomcrystal):由原子排列在晶格結點上，相互間以共價鍵結合而構成的晶體。特征結構：共價鍵有方向性和飽和性,不是緊密堆積,配位數(shù)低。晶體中沒有獨立的分子存在。例如：金剛石晶體第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月特征物性：有較高的熔點、硬度，是電的不良導體，在一般溶劑中都不溶解，延展性差。常見的原子晶體有金剛石、SiC、SiO2、Si、Ge等。第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)分子晶體分子晶體(molecularcrystal):由分子排列在晶格結點上，相互間以分子間力結合而構成的晶體。特征結構：采取緊密堆積，配位數(shù)高，晶體中有獨立的分子存在。特征物性：熔點、沸點低，硬度小，某些極性分子的水溶液能夠導電，延展性也很差。第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：干冰的晶體結構第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬晶體(metalliccrystal):由金屬原子或正離子排列在晶格結點上，以金屬鍵結合而構成的晶體。結構特征：等徑球的緊密堆積，配位數(shù)高，晶體中沒有獨立的分子存在。(4)金屬晶體第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬晶體中粒子的排列方式常見的有三種：六方密堆積(HexgonalclosePacking)；面心立方密堆積(Face-centredCubicclodePacking)；體心立方堆積(Body-centredCubicPacking)。特征物性：具有良好的導電性、導熱性和延展性，金屬光澤。熔、沸點，硬度差異較大。第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體基本類型晶體類型原子晶體離子晶體金屬晶體分子晶體實例晶體結點微粒結合力原子正、負離子原子、離子分子共價鍵離子鍵金屬鍵分子間力、氫鍵結構特點方向性明顯，配位數(shù)少無方向性，配位數(shù)較大無方向性，配位數(shù)大，密度大無方向性時配位數(shù)大力學性質熱學性質電學性質溶解性質硬度大、脆、無延展性硬度較大、脆、無延展性硬度各不相同，有延展性疏松質軟熔點高，膨脹系數(shù)小熔點較高，膨脹系數(shù)較小熔點高低不等，導電性好熔點低，膨脹系數(shù)大，易揮發(fā)絕緣體（半導體）絕緣體熔體為導體溶液為導體導電性良好絕緣體,有的水溶液為導體在大多數(shù)溶劑中不溶大多數(shù)溶于極性溶劑難溶結構相似者相溶NaCl,CaOCu,Ag,合金冰,干冰,N2,He金剛石,SiC第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)混合型晶體?層狀結構晶體例如：

層間為分子間力石墨的結構第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

同一層：C－C鍵長為142pm，C原子采用sp2

雜化軌道，與周圍三個C原子形成三個σ鍵，鍵角為1200，每個C原子還有一個2p軌道，垂直于sp2

雜化軌道平面，2p電子參與形成了π鍵，這種包含著很多原子的π鍵稱為大π鍵。層與層間：距離為335pm，靠分子間力結合起來。石墨晶體既有共價鍵，又有分子間力，是混合鍵型的晶體。第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月?鏈狀結構晶體

單鏈雙鏈鏈狀結構的硅酸鹽第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月微晶(crystallite)：具有晶體的輪廓,但生長還不完全的晶體顆粒。尺寸小到約0.1微米至數(shù)十微米的晶體。如:磁記錄材料γ—Fe2O3磁粉，其顆粒線度約為0.1μm。由于微晶比其他單晶體小千百倍以上，因而具有比表面高，吸附性能強，表面活性突出等特性。碳黑是石墨的微晶體，其顆粒線度相當于幾個至幾十個晶胞邊長的長度。(6)微晶第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月顯微鏡下純凈燧石是一種無色的微晶石英集合體。顏色因含雜質不同而變。

第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月液晶(liquidcrystal):當晶體受熱熔融或被溶解后，外觀呈液態(tài)，微觀仍保留晶體的有序排列，且物理性質各向異性。是介于晶體和液體之間的一種過渡相態(tài)。處于這種相態(tài)的物質稱為液晶。(7)液晶第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

按分子排列的結構不同，液晶可分為相列型(Nematic)、膽甾型(Cholesteric)和近晶型(Smectic)三種類型。相列型近晶型膽甾型第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

具有液晶性質的分子已發(fā)現(xiàn)有六、七千種，都是有機化合物。如：R－－CH＝N－－CNR－－C－O－－CN

‖OR－－C＝CH－－R?

‖R′

液晶顯示是平面顯示中發(fā)展最快、應用最廣泛的新技術。第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷(crystaldisfigurement):晶體中某些區(qū)域粒子的排列不象理想晶體那樣規(guī)則和完整，這種偏離完整性的區(qū)域，或者說晶體中一切偏離理想的晶格結構稱做晶體缺陷。4.4.2晶體缺陷第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月按照缺陷的形成和結構分類：

本征缺陷(固有缺陷)：指不是由外來雜質原子形成，而是由于晶體結構本身偏離晶格結構造成的缺陷。雜質缺陷：指雜質原子進入基質晶體中所形成的缺陷。按照缺陷的幾何特征分類：

點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月點缺陷：晶格結點粒子發(fā)生局部錯亂的現(xiàn)象。

按引起點缺陷的粒子不同，可分為：錯位粒子、間隙粒子、雜質粒子和空位。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月雜質粒子缺陷間隙粒子缺陷空位缺陷錯位粒子缺陷本征缺陷雜質缺陷第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月線缺陷：晶體中某些區(qū)域發(fā)生一列或若干列粒子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象稱為線缺陷,又稱位錯。

線缺陷有兩種基本類型：

刃型位錯螺型位錯

線缺陷第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

理想晶體原子面堆積含有刃型位錯晶體原子面堆積含有螺型位錯晶體原子面堆積第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

面缺陷面缺陷：由點缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少整個一層的粒子,形成了層錯現(xiàn)象;也可以看成是整個一層的粒子所構成的晶面錯開形成的缺陷。按照兩側晶體間的幾何關系，面缺陷可分為：

平移界面(堆垛層錯)孿晶界面位錯界面(晶粒邊界)第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

體缺陷體缺陷：

由點缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在著空洞或夾雜有包裹物等,使晶體內部的空間晶格結構整體上出現(xiàn)了一定形式的缺陷。第48頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷引起晶格局部彈性變形稱