第2讲晶体材料的结构及缺陷

1、天然金刚石天然金刚石天然冰糖天然冰糖粗盐粗盐传统定义：外形具有规则几何传统定义：外形具有规则几何多面体多面体形状的形状的 固体。固体。固体固体材料材料晶态晶态非晶态非晶态原子排列的原子排列的有序程度有序程度SiO2 玻 璃 态三维无规网络非晶非晶Si的微观结构示意图的微观结构示意图原子间距原子间距配位数配位数最近邻原子最近邻原子次近邻原子次近邻原子在原子尺度上，晶体结构中在原子尺度上，晶体结构中相同部分相同部分具有直线周期平移具有直线周期平移的特点。的特点。空间点阵空间点阵NaCl的晶体结构的晶体结构NaCl 晶体结构中等同点的分布，及其相应晶体结构中等同点的分布，及其相应导出的二维点阵导出的

2、二维点阵空间点阵空间点阵 结构基元结构基元 晶体结构晶体结构结点结点空间空间对称性对称性空间点阵的最基本单元。空间点阵的最基本单元。在在空间点阵中空间点阵中截取一个截取一个 有有代表性代表性的平行六面体的平行六面体，（将其沿三维方向平行堆积（将其沿三维方向平行堆积 空间点阵晶格）空间点阵晶格）晶胞晶胞xyabcxyzg ga ab bzBravais通过数学运算指出：依据晶胞参数之间关系的不通过数学运算指出：依据晶胞参数之间关系的不同，可以把所有晶体的空间点阵划归为同，可以把所有晶体的空间点阵划归为7类，即类，即7个晶系。个晶系。1234567 简单格子:只有八个顶点处有结点体心格子：除 8

3、个顶点外，六面体中心处还有 1 个结点底心格子：除了 8 个顶点外，上下两个表面的中心处各有 1 个结点。面心格子：除了 8 个顶点外，六个表面的中心处各有 1 个结点。(1) 立方格子立方格子 3 个：简单、体心、面心个：简单、体心、面心(2) 四方格子四方格子 2 个：简单、体心个：简单、体心(3) 正交格子正交格子 4 个：简单、体心、底心、面心个：简单、体心、底心、面心(4) 单斜格子单斜格子 2 个：简单、底心个：简单、底心(5) 三斜格子三斜格子 1 个：简单个：简单(6) 六方格子六方格子 1 个：简单个：简单(7) 菱方格子菱方格子 1 个：简单个：简单简单立方简单立方体心立方

4、体心立方面心立方面心立方简单四方简单四方体心四方体心四方简单菱方简单菱方简单六方简单六方简单正交简单正交面心正交面心正交体心正交体心正交底心正交底心正交底心单斜底心单斜简单单斜简单单斜简单三斜简单三斜a: 5.4568 b: 16.4355c: 5.4382晶体材料的基本结构分析仪器晶体材料的基本结构分析仪器X-射线射线单晶单晶衍射仪衍射仪 L Kcos b b 仪器使用描述：仪器使用描述：The crystallinity and phase purity of the products wereexamined by XRD measurement. Figure 1 shows a ty

5、pical XRD pattern of the as-synthesized products. All of reflections can be indexed to pure orthorhombic-phase Bi2WO6 space group B2cb, which is in good agreement with the reported data (JCPDS No. 73-1126). After refinement, the crystal lattice parameters of Bi2WO6 were calculated: a=0.5456 nm, b=1.

6、6445 nm, and c=0.5444 nm. Widened diffraction peaks show that the size of the crystalline grain is small. According to the Scherrer equation, the crystalline size is ca. 35 nm.表征结果描述：表征结果描述：Photocatalytic Activity Enhancement for Bi2WO6 by Fluorine Substitution晶晶格格畸畸变：变：ndsin2通过结构表征解释性能变化通过结构表征解释性能变

7、化构效关系构效关系结构的其它描述参数：结构的其它描述参数：晶向、晶向族，晶向、晶向族，晶面、晶面族，晶面、晶面族，晶面间距晶面间距空间点阵中任意两结点连线的方向，表示晶向方位的符号空间点阵中任意两结点连线的方向，表示晶向方位的符号NaCl 晶体点阵结构中的晶向举例晶体点阵结构中的晶向举例（4）将此值乘以最小公倍数）将此值乘以最小公倍数u、v、w， 加上方括号，加上方括号，uvw即是所求晶向的晶向指数。即是所求晶向的晶向指数。结点为结点为 原点，三棱为方向，点阵原点，三棱为方向，点阵 常数为单位常数为单位 ；（2）过坐标原点）过坐标原点， 使其与待求晶向平行；使其与待求晶向平行；（3）在该直线上

8、任）在该直线上任一一， 并并该点的该点的（x，y，z）；）；111110 xyzuvw代表一组晶向还是一个晶相？代表一组晶向还是一个晶相？原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。晶向的集合。用用表示表示 。空间点阵的结点所处平面。空间点阵的结点所处平面。：表示晶面方位的符号，常称密勒指数，以表示晶面方位的符号，常称密勒指数，以（hkl）来表示。（除六方晶系）来表示。（除六方晶系）建坐标系建坐标系求截距求截距取倒数取倒数？化整化整三轴坐标：（三轴坐标：（100）（）（110）四轴坐标：（四轴坐标：（1010）（）（1100）(110)(111)(1

9、00)XYZhkl) 代表相互平行的一组晶面代表相互平行的一组晶面原子排列情况相同，但空间位向不同的一组原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶晶面的集合面的集合。 用花括号用花括号 hklhkl 表示表示。 ：(110)XYZ(111)XY：=90 时，时，简单晶胞简单晶胞（格子）（格子）(hkl)晶面之间晶面之间的晶面间距的晶面间距dhkl 如下：如下：说明：对于复杂晶胞，如体心立方、面心立方，在计算说明：对于复杂晶胞，如体心立方、面心立方，在计算时需要考虑晶面层数的影响。在时需要考虑晶面层数的影响。在d计算中要作一定修正。计算中要作一定修正。ndsin2晶体从液体中自由成晶体从液体中自由

10、成长为多面体外形时的长为多面体外形时的暴露晶面？暴露晶面？原子密度最大的晶面原子密度最大的晶面-能量最低、最稳定能量最低、最稳定晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：N=Ni+Nf/2+Nc/8 具有面心立方晶格的金属有具有面心立方晶格的金属有g g-Fe、（以面心立方（以面心立方fccfcc为例）：为例）：配位数和致密度：配位数和致密度：晶体中原子排列的紧密程度。晶体中原子排列的紧密程度。晶体结构中，与任一原子晶体结构中，与任一原子最近邻最近邻并且并且等距等距的原子数。的原子数。fcc中，配位数中，配位数=12 致密度致密度=0.74晶胞中原子体积晶胞中原子体积晶胞体积晶胞体积：材料晶体材料晶体结

11、构致密度结构致密度与与性能性能的关系？的关系？八面体间隙八面体间隙 & & 四面体间隙四面体间隙对材料的性能、扩散、相变等有重要影响。对材料的性能、扩散、相变等有重要影响。4 4个个8 8个个晶型晶型NaClCsCl立方立方ZnS六方六方ZnS萤石萤石CaF2金红石金红石TiO2配位数配位数68448、46、3对于二元离子晶体，按不等径钢球的密对于二元离子晶体，按不等径钢球的密堆积理论，可归纳为堆积理论，可归纳为6 6种种基本结构类型基本结构类型: :NaCl型型CaF2型型共价晶体的结构共价晶体的结构共价键具有共价键具有饱和性和方向性饱和性和方向性，共价晶体中原子，共价晶体中原子的配位数的配

12、位数小小。典型共价晶体典型共价晶体：金刚石（单质型）金刚石（单质型）ZnS（AB型）型）SiO2（ AB2型）型）金刚石金刚石Si、Ge、-SnSiO2结构结构（硅石）（硅石）Si16O1812-形成的环状硅酸盐形成的环状硅酸盐Si2O52-形成的层状硅酸盐形成的层状硅酸盐B-Si: p-type半导体半导体P-Si: n-type半导体半导体 ZrO222O4e2O2222O2H4H O4e2222HO2H O-加快质点的扩散迁移加快质点的扩散迁移若燃料气体为天然气，电极方程式如下：若燃料气体为天然气，电极方程式如下：22O4e2O24222OCH2H OCO8e24222OCH2H OCOZrO2ZrO2O2-在两侧浓度差驱动力作用下，通过电解质中