第一章 晶體緒言.ppt

1、晶 體,什么是晶體學(xué)? 晶體的概念 晶體點(diǎn)陣 非晶體和準(zhǔn)晶體 晶體的基本性質(zhì),a regular geometric solid bounded by smooth surfaces,結(jié)晶學(xué)（晶體學(xué)）發(fā)展歷史及分支學(xué)科簡(jiǎn)介：,結(jié)晶學(xué)始于17世紀(jì)中葉人類的礦業(yè)活動(dòng)，與天文學(xué)一起成為人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界發(fā)展最早的兩門自然科學(xué)。 1718世紀(jì)：以研究晶體形態(tài)為主，也初步推測(cè)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律； 1669年斯丹諾面角守恒定律。 1784年阿羽依提出晶胞學(xué)說。 1805年魏斯晶體對(duì)稱定律。 1818年米勒提出晶面符號(hào)。 1830年德國(guó)赫賽爾總結(jié)出描述晶體外形對(duì)稱性的32種點(diǎn)群。 1869年俄國(guó)多加林

2、用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法證明了晶體外形的對(duì)稱性只有32種，即32種點(diǎn)群。 1855年，布拉威提出空間格子學(xué)說。,19世紀(jì)末20世紀(jì)初：X射線的發(fā)現(xiàn)及其對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)量，進(jìn)入晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究階段； 1885年1890年俄國(guó)費(fèi)德洛夫和德國(guó)的圣佛利斯分別推導(dǎo)出描述晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)稱的230種空間群。 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。 1912年勞埃將X射線用于晶體結(jié)構(gòu)研究。 布拉格、德拜、謝樂、鮑里晶體結(jié)構(gòu)研究。 （諾貝爾獎(jiǎng)）,06:33,3,20世紀(jì)70年代以來：透射電鏡研究晶體內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)； 20世紀(jì)80年代，發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體，開辟了晶體對(duì)稱理論新領(lǐng)域。,06:33,4,分支學(xué)科： 幾何結(jié)晶學(xué)研究晶體宏觀形態(tài)幾何

3、規(guī)律，主要是對(duì)稱規(guī)律。 晶體結(jié)構(gòu)學(xué)研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何規(guī)律及缺陷。 晶體化學(xué)研究晶體成分與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 晶體生長(zhǎng)學(xué)研究晶體生長(zhǎng)機(jī)理及其影響因素。 晶體物理學(xué)研究晶體物理性質(zhì)及其產(chǎn)生機(jī)理。,本課程介紹晶體學(xué)基礎(chǔ)，涉及基本概念、名詞、表示符號(hào)。建立一些知識(shí)體系幫助大家理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)。,06:33,6,為什么要學(xué)習(xí)晶體化學(xué),06:33,7,壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原理,為什么要學(xué)習(xí)晶體化學(xué),06:33,9,晶體學(xué)相關(guān)學(xué)科：化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、礦物學(xué),生活中常見晶體,06:33,10,天然紅寶石,綠/黑碳化硅砂（金剛砂）,20 世紀(jì)80 年代初, 中科院上海硅酸鹽研究所采用坩堝下降法成功地生長(zhǎng)

4、了大尺寸鍺酸鉍(Bi4Ge3O12) 單晶。由于這種晶體阻擋高能射線能力強(qiáng)、分辨率高, 因而特別適合于高能粒子和高能射線的探測(cè), 在基本粒子、空間物理和高能物理等研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用, 并已十分成功地用于歐洲核子研究中心L3 正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的電磁量能器上。,06:33,11,06:33,12,晶體生長(zhǎng)：提拉法，坩堝下降法，都稱作“拉單晶”,晶體的概念,晶體具有格子構(gòu)造的固體, 或內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間成周期性重復(fù)排列的固體。 即晶體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)排列具有周期性(長(zhǎng)程有序, long-range order); 在原子近鄰具有的周期性, 叫短程有序(short-range order), 液體具有短程有

5、序; 氣體既無長(zhǎng)程, 也無短程有序。 The homogeneous solid containing long-range order in Three-dimensional space 晶體可以是單質(zhì)或化合物；可以是金屬或非金屬，高分子。 是固體, 而非液體或氣體。 如何理解格子構(gòu)造(空間點(diǎn)陣)?,06:33,14,NaCl晶體的有序結(jié)構(gòu),思考理解：長(zhǎng)程有序、短程有序,晶體點(diǎn)陣,基本術(shù)語 質(zhì)點(diǎn) 陣點(diǎn)(lattice point)或結(jié)點(diǎn)(node) 行列(row)和結(jié)點(diǎn)間距(row-spacing) 面網(wǎng)(net), 面網(wǎng)密度(reticular density)和面網(wǎng)間距(interpl

6、anar spacing) 空間格子或空間點(diǎn)陣(space lattice) 平行六面體和單位晶胞(unit cell),晶體點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣,一維圖案 ANaCl中沿y軸Na+和Cl-排列的情況 BNa+的直線排列 C抽象為直線點(diǎn)陣 R= m a （R：直線上所有陣點(diǎn)的集合，a：?jiǎn)挝黄揭剖噶?，m:任意整數(shù)）,直線點(diǎn)陣,排列1: 排列2: 排列3: (表示單個(gè)原子),(表示BCl3 等三角形分子),（表示雙原子分子）把其中環(huán)境相同的點(diǎn)抽象出來即形成一維點(diǎn)陣： 點(diǎn)陣排列 排列3 和1、2 相比，點(diǎn)陣點(diǎn)之間的距離不同。直線點(diǎn)陣只能有一種形式，直線點(diǎn)陣的不同僅在于陣點(diǎn)間距的不同。,06:33,17,結(jié)構(gòu)

7、單元,晶體學(xué)中，把陣點(diǎn)所代表的內(nèi)容稱為平移結(jié)構(gòu)基元(Translation Motif)，簡(jiǎn)稱為結(jié)構(gòu)基元。 晶體結(jié)構(gòu)即組成該物質(zhì)的微粒（原子/原子團(tuán)，分子/分子團(tuán)，離子/離子團(tuán)）在空間的排列有規(guī)則（周期性排列）。 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是將原子/原子團(tuán)，分子/分子團(tuán)，離子/離子團(tuán)抽象為點(diǎn)而構(gòu)成的陣列，以便于研究及表述。,06:33,18,基元是晶體中原子抽象出來的點(diǎn)。 問： 基元可以代表1個(gè)原子嗎？ 基元可以代表多個(gè)原子嗎？ 基元的位置點(diǎn)與原子的位置點(diǎn)有何關(guān)系？ （一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體位置？）,06:33,19,晶體結(jié)構(gòu)(Pattern) = 點(diǎn)陣(Lattice) + 平移結(jié)構(gòu)基元(Translation

8、Motif) 晶體結(jié)構(gòu)的不同完全在于晶體中的結(jié)構(gòu)基元和（或）點(diǎn)陣的不同。 晶體化學(xué)中幾何晶體學(xué)部分主要就是介紹描述點(diǎn)陣的方法。,06:33,20,二維圖案 (a)NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情況 (b)Na+或Cl-的平面排列 下抽象為平面點(diǎn)陣 R = m a + n b,晶體點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣,導(dǎo)出空間格子的方法：,首先在晶體結(jié)構(gòu)中找出相當(dāng)點(diǎn)，再將相當(dāng)點(diǎn)按照一定的規(guī)律連接起來就形成了空間格子。 相當(dāng)點(diǎn)（兩個(gè)條件：1、性質(zhì)相同，2、周圍環(huán)境相同。）,三維圖案 左NaCl中Na+和Cl-排列的情況; 右抽象為空間點(diǎn)陣 R = m a + n b + p c,晶體點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣,平行六面體對(duì)應(yīng)的

9、實(shí)際晶體中相應(yīng)的范圍叫晶胞。,石墨放在掃描隧道顯微鏡(STM，Scanning Tunneling Microscopy)下觀察，可以看到石墨中原子的排列情況。,06:33,24,06:33,25,超導(dǎo)材料TlBa2Ca3Cu4O11 的高分辨透射電子顯微鏡照片,空間點(diǎn)陣的基本規(guī)律,分布在同一直線上的結(jié)點(diǎn)（陣點(diǎn)）構(gòu)成一個(gè)行列。在一個(gè)空間點(diǎn)陣中，可以有無窮多不同方向的行列，相互平行的行列，其結(jié)點(diǎn)間距心定相等。 聯(lián)接分布在同一平面內(nèi)的結(jié)點(diǎn)則構(gòu)成一個(gè)面網(wǎng)。在一個(gè)空間點(diǎn)陣中，可以有無窮多不同方向的面網(wǎng)，但相互平行的面網(wǎng)，其點(diǎn)陣密度reticular density和面間距inter-planar sp

10、acing也必定相等；,聯(lián)接分布在三維空間內(nèi)的結(jié)點(diǎn)就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣?？臻g點(diǎn)陣本身將被三組相交行列劃分成一系列平行疊置的平行六面體，結(jié)點(diǎn)就分布在它們的角頂上。平行六面體的大小和形狀可由結(jié)點(diǎn)間距a、b、c及其相互之間的交角a、b、g表示，它們被稱為點(diǎn)陣參數(shù)（圖1-10）。,06:33,27,06:33,28,相互平行的面網(wǎng)面網(wǎng)間距與面網(wǎng)密度相等 面網(wǎng)間距越大，面網(wǎng)密度也就越大，反之亦然,06:33,29,結(jié)點(diǎn)間距a、b、c及其相互之間的交角a、b、g稱為點(diǎn)陣參數(shù)或晶胞參數(shù),30,晶棱符號(hào),用簡(jiǎn)單數(shù)字符號(hào)形式表達(dá) 晶棱符號(hào)只涉及方向, 不涉及具體位置 表達(dá)為u v w u:v:w = MR/a :

11、MK/b : MF/c,此例：u v w = 1 2 3,31,晶面符號(hào),晶面符號(hào)的確定: 晶體上任意一個(gè)晶面，若它在三個(gè)結(jié)晶軸X軸、Y軸、Z軸上的截距依次為OA、OB、OC, 已知軸率為abc，則該晶面在晶軸上的截距系數(shù)p, q, r分別為: p = OX/a, q = OY/b, r = OZ/c 其倒數(shù)比 1/p:1/q:1/r = h : k : l 晶面指數(shù)(米氏指數(shù)): 取h:k:l的最簡(jiǎn)單整數(shù)比, 此時(shí)的h, k, l就稱為晶面指數(shù);,32,晶面符號(hào),米氏指數(shù)(Miller indices)是指：用來表達(dá)晶面在晶體上之方向的一組無公約數(shù)的整數(shù)，它們的具體數(shù)值等于該晶面在結(jié)晶軸上所

12、截截距系數(shù)的倒數(shù)比。 如果將米氏指數(shù)按順序連寫，并置于園括號(hào)內(nèi), 表達(dá)為(h k l), 便構(gòu)成了晶面的米氏符號(hào)。 按X、Y、Z軸順序，不得顛倒！ 晶軸有正負(fù)方向，指數(shù)的負(fù)號(hào)寫在上面 晶面可與晶軸垂直, 平行或斜交 考察若干模型晶面的晶面符號(hào),非晶體和準(zhǔn)晶體,非晶體(non-crystal): 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間不成周期性重復(fù)排列的固體。不具有l(wèi)ong-range order,非晶體和準(zhǔn)晶體,準(zhǔn)晶體(quasi-crystal): 具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的固體。 平移準(zhǔn)周期不同于晶體中的平移周期, 但具有自相似性(放大或縮小) 。,非晶體和準(zhǔn)晶體,目前推導(dǎo)的準(zhǔn)晶體點(diǎn)群共28種, 單形42個(gè),

13、5個(gè)晶系。,均一性: 晶體內(nèi)部任意兩個(gè)部分的化學(xué)組成和物理性質(zhì)是等同的。可以用數(shù)學(xué)公式來表示, 設(shè)在晶體的x處和x + x處取得小晶體, 則 F(x) F (x + x) 此處F表示化學(xué)組成和性質(zhì)等物理量度; 異向性: 晶體的幾何量度和物理性質(zhì)與其方向性有關(guān)。設(shè)在晶體任意取兩個(gè)方向n1和n2, 則有 F(n1) F(n2) 即在不同方向上, 晶體的幾何量度和物理性質(zhì)均有所差異。,晶體的基本性質(zhì),對(duì)稱性: 如果n1、n2、甚至nn的方向可由對(duì)稱操作而重合, 則有 F(n1) = F(n2) = = F(nn) 即說明晶體的性能F是關(guān)于n1、n2、nn呈對(duì)稱配置。 自范(自限)異向性: 指晶體能自

14、發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體外形的特性，滿足歐拉定律 F + V = E + 2 最小內(nèi)能性: 在相同的熱力學(xué)條件下, 與同種化學(xué)成分的氣體、液體及非晶質(zhì)體相比, 以晶體的內(nèi)能為最小。 穩(wěn)定性: 在相同的熱力學(xué)條件下, 與具有相同化學(xué)成分的非晶質(zhì)體相比, 晶體是穩(wěn)定的。,晶體的基本性質(zhì),思考,倒易點(diǎn)陣（了解） 空間點(diǎn)陣是從實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)中抽象出來的，它與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系可以表達(dá)為：晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)基元 倒易點(diǎn)陣也是一種點(diǎn)陣，它同樣也從晶體點(diǎn)陣中來抽象出的，并與晶體點(diǎn)陣有著某種關(guān)系的一種點(diǎn)陣。 a*a = 1, a*b = 0, a*c = 0 b*a = 0, b*b = 1, b*c = 0

15、 c*a = 0, c*b = 0, c*c = 1,06:33,39,06:33,40,本章重點(diǎn)總結(jié),了解對(duì)晶體學(xué)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家。 1669年斯丹諾面角守恒定律。 1784年阿羽依提出晶胞學(xué)說。 1805年魏斯晶體對(duì)稱定律。 1818年米勒提出晶面符號(hào)。 1830年德國(guó)赫賽爾總結(jié)出描述晶體外形對(duì)稱性的32種點(diǎn)群。 1869年俄國(guó)多加林用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法證明了晶體外形的對(duì)稱性只有32種，即32種點(diǎn)群。 1855年，布拉威提出空間格子學(xué)說。 1885年1890年俄國(guó)費(fèi)德洛夫和德國(guó)的圣佛利斯分別推導(dǎo)出描述晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)稱的230種空間群。 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。 1912年勞埃將X射線用于晶體結(jié)構(gòu)研究。 布拉格、德拜、謝樂、鮑里晶體結(jié)構(gòu)研究。 （諾貝爾獎(jiǎng)）,06:33,41