晶体的结构及晶体中的缺陷PPT教案

1、会计学1晶体的结构及晶体中的缺陷晶体的结构及晶体中的缺陷1.11.1晶体类型晶体类型 根据形成晶体的化合物的种类不同根据形成晶体的化合物的种类不同可以将晶体分为：离子晶体、分子晶可以将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体。体、原子晶体和金属晶体。第1页/共35页1.21.2非晶体非晶体 非晶态物质内部结构没有周期性非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不玻璃、松香、明胶等等。非晶体不 具有晶体物质的共性，某些非晶态具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。物质具有优良的性质。第2页/共35页1.3

2、1.3准晶体准晶体 准晶体是准晶体是19841984年科学家发现的一种新的物年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。例如五次对称轴等。第3页/共35页“晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。” 注意： （1）一种物质是否是晶体是由其内部结 构决定的，而非由外观判断； （2）周期性是

3、晶体结构最基本的特征。1.41.4晶体的定义晶体的定义第4页/共35页 晶体不仅与我们的日常生活密不可分，而且在许多高科技领域也有着重要的应用。晶体的外观和性质都是由其内部结构决定的： 决定 结构 性能 反映第5页/共35页第6页/共35页第7页/共35页第8页/共35页习惯上选择对称性高的对称轴或对沉湎的发现方向为坐标轴，以能直观地反映晶体对称性的平行六面体作为晶胞，这样选择的警报叫做惯用晶胞，又叫做布喇菲胞。晶晶胞胞与与晶晶格格第9页/共35页第10页/共35页底心单斜简单三斜简单单斜第11页/共35页底心正交面心正交体心正交第12页/共35页简单菱方简单六方简单四方体心四方第13页/共3

4、5页简单立方体心立方面心立方第14页/共35页2.12.1晶体的宏观对称性晶体的宏观对称性1. 晶体的宏观对称元素2. 宏观对称元素的组合和32个点群3. 特征对称元素与7个晶系第15页/共35页虚操作分子对称性晶体宏观对称性对称元素及符号对称操作及符号 对称元素及符号对称操作及符号对称轴旋转旋转轴旋转对称面反映反映面或镜面反映对称中心反演对称中心倒反象转轴旋轴反映反轴旋转倒反以上 为基转角.)(Lncinsnc ins nminIL )(MIn2 表1 描述晶体宏观对称性与分子对称性时常用对称元素及与其相应的对称操作对照表实操作第16页/共35页hnncs 晶体的对称性 与有限分子的对称性一

5、样也是点对称，具有点群的性质，如都有对称轴、对称面、对称中心等对称元素。ns 在分子点在分子点群中有象转轴 , 其对称操作是旋转反映，即：晶体的宏观对称元素晶体的宏观对称元素 但是，由于习惯的原因，讨论晶体对称性时所用的对称元素和对称操作的符号和名称与讨论分子对称性时不完全相同，具体对比见上表。从表中我们发现 晶体学中我们常用反轴而不用象转轴。 在晶体中反轴 对应的操作是先绕(轴)线旋转度，然后再通过线上(中心)点进行倒反(或先倒反再旋转)，即能产生等价图形。这种连续性操作的符号为 “ ”, 其中“ ”为倒反, “ ” 为旋转.)(LIL)(I由此可知， 与Sn都属于复合对称操作，且都由旋转与

6、另一相连的操作组合而成。第17页/共35页除了对称元素和对称操作的符号和名称的不完全相同外，晶体的宏观对称性与有限分子的对称性最本质的区别是：晶体的点阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制，这种限制主要表现在两方面：在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴以及以后介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组平面点阵垂直(除一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对称元素中的滑移面)都必与一组平面点阵平行，而与一组直线点阵垂直。晶体中的对称轴(包括旋转轴,反轴和螺旋轴)的轴次n并不是可以有任意多重，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何对称轴或轴性对称元素的轴次只有一重、二重、三重

7、、四重和六重这五种，不可能有五重和七重及更高的其它轴次，这一原理称为“晶体的对称性定律”。 所以，综合前面的讨论，由于点阵结构的限制，晶体中实际存在的独立的宏观对称元素总共只有八种，见表2第18页/共35页对称元素国际符号对称操作等同元素或组合成分对称中心倒反反映面(镜面)反映一重旋转轴旋转二重旋转轴旋转三重旋转轴旋转四重旋转轴旋转六重旋转轴旋转四重反轴旋转倒反im23464IM)0(L)180(L)120(L)90(L)60(LIL)90(21133i63m第19页/共35页 晶体的独立的宏观对称元素只有八种，但在某一晶体中可以只存在一个独立的宏观对称元素，也可能有由一种或几种对称元素按照组

8、合程序及其规律进行合理组合的形式存在。(1)晶体多面体外形是有限图形，故对称元素组合时必通过质心，即通过一个公共点。(2)任何对称元素组合的结果不允许产生与点阵结构不相容的对称元素，如5、7、。对于宏观对称元素而言，这些元素组合时必受以下两条的限制：组合程序： 组合时先进行对称轴与对称轴的组合，再在此基础上进行对称轴与对称面的组合，最后为对称轴、对称面与对称中心的组合。两条限制： 按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元素系共32种，即32个点群：第20页/共35页对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点 群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号低三斜无12单斜 或m345 正交两个互相垂直的

9、m或三个互相垂的67 8中四方910 11 122223i490cba90cba90cba1cic2cschc22DvD2hD212m2m2222mm222mmmi2mim, 2, 22m,233,m4c4shc44D444m44, 4,mi, 4 4290cba1422第21页/共35页对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点点 群群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号中四方131415三方菱面体晶胞161718六方晶胞1920im ,5,24,4vc4dD2hD4mm4m24224mmmm4,4m2,22,490cba4390120cba3cic33Dvc3dD3333m3323i ,323,3

10、m3,3im,3 ,23 , 312090cba2m续表：第22页/共35页对称性的高低晶系特征对称元素晶胞类型点点 群群对称元素序号熊夫里斯记号国际记号中六方21222324252627高立方 在立方的体对角线方向2829303132mmm612090cba6chc3hc66Dvc6hD3hD6622mm626m226666m6),3(6mim, 626,6m6,6mm4 ,23), 3(6im ,7,26,64 390cbaThTOdThO2323m432m34423mm23,34im ,3,23,34m6,43,34im ,9,26,43,3426,43,34续表：第23页/共35页2.

11、22.2晶体的微观对称性晶体的微观对称性平移对称性：平移对称性： 在晶体的微观空间中，在晶体的微观空间中，原子呈周期性的整齐排列。原子呈周期性的整齐排列。对于理想的完美晶体，这种对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的，不变的。周期性是单调的，不变的。在晶体中相隔一定的距离，在晶体中相隔一定的距离，总有完全相同的原子排列出总有完全相同的原子排列出现的现象叫做平移对称性。现的现象叫做平移对称性。第24页/共35页 晶体的微观结构是晶体的微观结构是19121912年年LaueLaue开开始用始用X X射线进行分析。射线进行分析。第25页/共35页 非晶态不具有晶体微观结构的平移对称性。非晶态不具有晶

12、体微观结构的平移对称性。晶态与非晶态微观结构对比晶态与非晶态微观结构对比 图中对比了晶态和非晶态。可见，晶体微观空间的原子排列，无论是近程还是远程，都是周期性有序结构，而非晶态只是近程有序而远程无序，无周期性规律。图中对比了晶态和非晶态。可见，晶体微观空间的原子排列，无论是近程还是远程，都是周期性有序结构，而非晶态只是近程有序而远程无序，无周期性规律。第26页/共35页 指在一维方向上偏离理想晶体中的周指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种短。如各种位错（位错（dislocation），），如下图如下图所示。所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关性密切相关。 3 3、晶体中的位错、晶体中的位错第27页/共35页 (a) (b)第28页/共35页自由电子自由电子+金属离金属离子子金属原子金属原子位位错错+ + + + + + +第29页/共35页4 4、晶界、晶界晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面晶界：两个空间位向不