固體化學-緒論

分子或原子不停地、自由地作長距離運動即流動性，氣體和液體具有流動性。氣體：無確定的體積和形狀；液體：有一定的體積但無確定的形狀；固體：分子或原子處于完全確定的平衡位置作熱振動，具有確定的形狀和穩(wěn)定的結構即固體性。1.1固體化學的研究內容固體特性：第一頁2023/10/17第二頁，共26頁。1.1固體化學的研究內容定義：固體化學是主要研究固體物質的合成、反應、組成和性能及其相關現(xiàn)象與規(guī)律的科學。研究內容：固體物質的合成、固體的組成與結構、固相化學反應、固體缺陷、固體表面化學、固體的性質、新材科等。固體化學與固體物理：固體物理側重研究構成固體物質的原子、離子及電子的運動和相互作用，提出各種模型和理論，以闡明固體結構和物性。固體化學則側重研究固體物質的合成方法、化學反應、單晶生長、化學組成和晶體結構，研究固體中缺陷形成及其對固體的物理化學性質的影響等。第二頁2023/10/17第三頁，共26頁。1.2固體物質概述

固體物質————材料固體物質的分類：

按照其原子排列的有序程度可分為晶態(tài)和非晶態(tài)，晶態(tài)物質具有長程有序的點陣結構，非晶態(tài)物質的結構基元處于長程無序、短程有序狀態(tài)。

按照固體中原子之間結合的化學鍵來給固體物質分類，可把固體物質分為離子晶體、共價晶體、金屬晶體、分子晶體和氫鍵晶體等，各類晶體物質均具有各自在結構與性質方面的典型特點。第三頁2023/10/17第四頁，共26頁。各類晶體的特征結構：正負離子最緊密堆積，靠靜電力結合，鍵能較高（800kJ/mol）。性質：熔點高，強度高，硬度大，質地脆；低溫下為絕緣體，熔體導電，某些晶體有離子導電現(xiàn)象；大多為無色透明，折射率較高。結構：組成原子之間靠共價鍵結合，鍵能由中到高（80kJ/mol）。性質：熔點高，強度和硬度由中到高，質地脆；絕緣體或半導體，熔體不導電，透明晶體具有高折射率。離子晶體共價晶體第四頁2023/10/17第五頁，共26頁。各類晶體的特征結構：正離子最緊密堆積，以自由電子為結合力，鍵無方向性，鍵能約80kJ/mol。性質：熔點由低到高，熱傳導性良好，具有各種強度和硬度，壓延性好；固體和熔體均為良電導體；金屬不透明，折射率高。結構：組成分子之間靠范德華力結合，鍵能低（8-40kJ/mol）。性質：熔點低，熱膨脹率高，強度低，可以壓縮，硬度低；固體和熔體均為絕緣體，呈現(xiàn)組成分子的性質。金屬晶體分子晶體第五頁2023/10/17第六頁，共26頁。各類晶體的特征氫鍵晶體：結構基元

H3BO3靠氫鍵結合，形成層狀結構。熔點較低，強度和硬度較低；硼酸晶體呈片狀，有解理性，可作為潤滑劑，是形成玻璃的主要成分，在熱水中部分氫鍵斷裂而溶解度增大。混合鍵晶體：在石墨晶體中，每一層內的每個碳原子以三個電子與鄰近的三個碳原子以共價鍵結合，組成片狀六角形的平面蜂巢結溝，另一個價電子為該層內所有碳原子所共有，形成金屬踺；層與層之間則以范德華力相互作用，因此石墨晶體中既包含有共價鍵，也包含金屬鍵和范德華力，從而使石墨表現(xiàn)出固體物質的多重性質。氫鍵晶體分子晶體第六頁2023/10/17第七頁，共26頁。0.1.1材料按化學組成分類0.1.2根據(jù)材料的性能分類0.1.3材料按應用領域來分類0.1.4材料按結晶狀態(tài)分類0.1.5材料按材料的尺寸分類

0.1材料分類

1.3材料概述第七頁2023/10/17第八頁，共26頁。1.3材料概述分類1：從材料的化學組成來分，主要分金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料及復合材料。分類2：若按照材料的使用性能可分為結構材料和功能材料兩大類，結構材料主要使用材料的力學性能，功能材料則主要使用光、電、磁、熱、聲等功能特性。分類3：從材料的應用對象可分為信息材料、智能材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航天航空材料等。第八頁2023/10/17第九頁，共26頁。按物理性質可分為：導電材料、絕緣材料、半導體材料、磁性材料、透光材料、高強度材料、高溫材料、超硬材料等。按物理效應分為：壓電材料、熱電材料、鐵電材料、非線性光學材料、磁光材料、電光材料、聲光材料、激光材料等。按用途分為：電子材料、電工材料、光學材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、結構材料、包裝材料等。1.3材料概述第九頁2023/10/17第十頁，共26頁。

激光材料發(fā)光材料非線性光學材料聲光材料磁光材料壓電材料超導材料功能材料···材料分類第十頁2023/10/17第十一頁，共26頁。1.4現(xiàn)代材料科學的若干熱點領域光電信息功能材料：現(xiàn)代信息技術迫切需要各種性能優(yōu)異的光電信息功能材料，以實現(xiàn)大容量、高靈敏的信息處理，包括信息的產生、傳輸、收集、存貯和顯示等技術環(huán)節(jié)。光電能量轉換材料：在新能源領域，為利用射到地面上的太陽光能量，需要制備出更穩(wěn)定高效的光電能量轉換材料，為開發(fā)推廣綠色太陽能技術提供材料技術基礎。納米材料：納米材料是介于宏觀物質與微觀原子、分子中間的新的研究領域，具有許多不同于宏觀物質的性質，它開拓了人們認識物質世界的新層次，將逐漸在眾多技術領域獲得重要應用。半導體材料：半導體材料在發(fā)展現(xiàn)代微電子、光電子技術方面起到關鍵性基礎作用，已有的硅、鍺等傳統(tǒng)半導體依然具有巨大的產業(yè)需求，砷化鎵、磷化銦等化合物半導體正在進入日益廣闊的應用領域，碳化硅單晶等開發(fā)具有引人入勝的應用前景。第十一頁2023/10/17第十二頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域1、固體無機化合物與材料的新合成方法軟化學合成：近年來提出的軟化學合成方法最為引人注目，它力求在中低溫或溶液中使反應物在分子狀態(tài)上均勻混合，進行可控的反應步驟，經過生成前驅體或中間體，最后生成具有特定組成、結構和形貌的材料。軟化學法可用于合成多種發(fā)光材料、磁性材料、金屬間化合物、玻璃陶瓷、高溫結構材料等。組合合成：該方法可以一次性成批量獲得很大數(shù)量的類似化合物——化合物庫，以供高通量篩選，尋找先導化物．采用這種方法，可以大大增加尋找具有特殊功能新化合物的機會，因而成為一種新的提供篩選底物的有效途徑。如采用此方法已經成功地從25000個化合物中合成出一種具有一維鏈狀結構的新型發(fā)光材料——Sr2CeO4。第十二頁2023/10/17第十三頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域2、低溫固相化學反應

近10年來忻新泉等對室溫或低熱下固相反應進行了系統(tǒng)研究，探討了低熱溫固—固反應的機理，用實驗證實了固相反應的四個階段，即擴散—反應—成核—生長，總結了固相反應的特有規(guī)律。利用低溫固相反應將可能合成新的化物，并為新材料制備提供新的途徑，可能成為綠色合成化學的重要合成手段。第十三頁2023/10/17第十四頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域3、超微粒子與納米相功能材料

超微粒子或納米晶是在原子和分子范疇與凝聚態(tài)固體之間的一類由納米尺寸的微粒構成的固體，這類材料具有持殊的結構和性質，特別是表現(xiàn)出與常見凝聚態(tài)固體不同的性質。納米晶的出現(xiàn)開拓了人們認識物質世界的新層次，而成為很有發(fā)展前途的新領域。隨著研究開發(fā)的深入，納米材料逐漸在眾多技術領域獲得重要應用，此類材料被視為21世紀具有極大開發(fā)潛力的新材料。第十四頁2023/10/17第十五頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域4、層狀化合物與高溫超導材料

繼80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導體鑭鋇銅氧，證實此化合物的組成為(La1-XBa）2CuO4，屬于層狀的K2NiF4結構，全球掀起了尋找高溫超導體的熱潮。1987年繼而發(fā)現(xiàn)了釔系高溫超導體YBa2Cu3O7-x

，臨界溫度躍至液氮溫區(qū)的90K。研究發(fā)現(xiàn)YBa2Cu3O7-x是一個非化學計量比的、具有氧缺位的ABO3型鈣鈦礦型層狀結構的化合物，由于三價稀土離子和二價堿土金屬離子在A位的不等價取代，導致B位的銅產生Cu2+和Cu3+的混合價態(tài)，離域的載流子沿層狀的CuO面輸運而產生超導現(xiàn)象，成為空穴型的高溫超導體。隨后還發(fā)現(xiàn)了鉍系、鉈系和汞系等層狀高溫超導體。高溫超導材料的應用正在帶來工業(yè)技術的重要革新，目前超導材料已經獲得許多新的實際應用．如超導列車、超導核磁共振儀、超導線材等。第十五頁2023/10/17第十六頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域5、原子簇化合物與C60

1985年Kroto等發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的碳原子團簇，C60是由60個碳原子構成的球形三十二面體，內含多個不飽和雙鍵。高度共軛的C60易于發(fā)生加成反應，借此引入許多新的特性，如導電性、超導性和催化性能等。繼籠狀結構的碳團簇C60、

C70、C84，還制備出管狀、層狀、片狀、洋蔥狀等特殊形狀的團簇。90年代以來國內外學者還開展了碳納米管的研究，碳納米管是具有納米級管徑的一維量子材料，它具有很大的表面、極高的強度、導熱率及導電性，該類材料已經成為功能材料的研究熱點，我國學者在納米管的研究方面具有較大學術影響，特別是在納米管的制備技術方面獲得了獨具特色的研究成果，如首次在硅襯底上實現(xiàn)碳納米管陣列的自組裝生長，利用化學氣相法制備純凈碳納米管，合成出大面積定向納米管陣列。第十六頁2023/10/17第十七頁，共26頁。1.5固體化學發(fā)展的若干前沿領域6、生物無機固體化學

生物無機固體化學是生命科學、材料科學和固體化學的新興交叉學科，它研究在生物體系中無機物質的結構、性質與功能之間的關系，特別是生物礦化過程的機理的研究，將為探索新型功能無機生物材料提供重要的學術借鑒，如模擬生物體中的礦化過程，可能獲得具有光、電、磁、熱、聲等功能的特殊生物材料。第十七頁2023/10/17第十八頁，共26頁。1.6其它：國家重點實驗室培育基地無機光電功能晶體材料的分子設計與制備以固體功能物質的分子工程學與晶體工程學為核心研究課題，設計和合成結構新穎、具有功能性質的化合物，應用現(xiàn)代測試技術對化合物進行結構與性能的表征，遴選出具有應用價值的化合物進行單晶材料的制備，開展晶體生長、晶體的微觀缺陷、宏觀性能和晶體質量的多維關系的研究，探索晶體材料的生長規(guī)律，開展若干具有重要應用前景功能晶體制備的研究。本研究方向將力圖在探索新型功能材料的分子設計方面獲得高水平的原創(chuàng)性學術成果；發(fā)展優(yōu)質大尺寸光電單晶材料的生長技術，為晶體材料在光電器件方面的應用奠定基礎。第十八頁2023/10/17第十九頁，共26頁。1.6其它：國家重點實驗室培育基地有機/聚合物光電功能材料

本研究方向的研究重點為：（1）窄能帶共軛體系的結構與性能：研究醌式共軛結構中

電子的流動性與共軛長度的關系；調節(jié)分子平面形構象以達到分子間通過

軌道最大重疊而產生強相互作用的目的；引入分子自組裝技術，使共軛單元作有序化排列，在超分子層面上優(yōu)化材料的功能性與可加工性。（2）新型低維聚合物功能材料的設計、制備與應用：以多相聚合物體系為對象，用新的物理手段獲得周期性微帶結構；探索微帶結構形成過程中的熱力學與動力學機制，以實現(xiàn)對特定結構的設計與控制；研究微帶結構的特殊性質，開發(fā)其在納微電子器件制造方面的應用。第十九頁2023/10/17第二十頁，共26頁。1.6其它：國家重點實驗室培育基地微納米磁性功能材料及其制備根據(jù)國際上磁性材料研究發(fā)展趨勢，以寧波市乃至浙江省磁性材料行業(yè)的需求為導向，探索新型磁性功能化合物及其制備科學問題，研究納米晶磁性材料晶粒尺寸變化對磁性能的影響規(guī)律、不同相之間的磁交換耦合作用、介觀系統(tǒng)的電子輸運等科學問題，研究各向異性納米晶塊體的制備科學問題；研究尺寸均勻可控的納米晶粒的粉體和塊體的制備科學問題；對現(xiàn)有微米晶磁性材料重點開展制備新技術的應用基礎研究。第二十頁2023/10/17第二十一頁，共26頁。1.6其它：國家重點實驗室培育基地新型光學功能材料及其制備以現(xiàn)代光通信技術為主要應用背景，開展新型光學功能材料的研究，解決光信息處理過程所涉及的關鍵材料科學問題，制備新型特種光學功能材料，通過對這些材料的組成、結構、光譜以及激光特性的研究，遴選具有優(yōu)異性能的光纖放大器、光纖激光器、光波導放大器、光纖傳感器的基質材料；研究玻璃預制棒制備、光纖拉制的核心技術；對光纖傳輸?shù)南嚓P機理進行理論分析和數(shù)字模擬，設計光纖、放大器和傳感器的結構，研究相關光學器件的性能。本研究方向力圖開發(fā)出新型光學功能材料與器件的制備技術，為迅速發(fā)展光通信技術提供所需要的關鍵功能材料，推動地方以光通信為主的電子信息產業(yè)的技術進步。第二十一頁2023/10/17第二十二頁，共26頁。1.6其它：學術會議第二十二頁2023/10/17第二十三頁，共26頁。第二十三頁2023/10/17第二十四頁，共26頁。1.6其它：學術期刊AdvancedMateri