材料化学chapter1-2-晶体学基础

1、2.1 概述2.2 晶体与非晶体2.3 晶体的结构与性能2.4 晶体缺陷及其对性能的影响2.5 非晶态材料的结构与性能2.6 材料结构的表征12.3 晶体的结构和性质1规则的几何外形2晶面角守恒3有固定的熔点4物理性质的各向异性2.3.1 晶体的宏观特性2石英晶体的若干外形图石英晶体的不同样品中，a、c晶面间夹角总是113o08，b、c晶面夹角总是120o00，所以晶面角才是晶体外形的特征因素。这个普遍的规律被概括为晶面角守恒定律：属于同一晶种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变，晶面角守恒表明同一种晶体，其内部结构的规则性是相同的。32.3.2 布拉格点阵与晶系格子的结点：点阵结构点阵的质点

2、：原子、分子、离子、原子团每个结点有完全想同的周围环境（1） 布拉格点阵4NaCl的晶体结构晶体的晶胞参数晶胞参数a、b、c、5晶体结构点阵+结构基元基元点阵图6（2） 晶系7晶面指数82.4 晶体缺陷及对其性能的影响2.4.1 缺陷的分类2.4.2 缺陷对晶体性质的影响2.4.3 非整比化合物92.4 晶体缺陷及对其性能的影响理想晶体？1011所谓平移对称性就是指对空间点阵，任选一个最小的基本单元，在空间三维方向进行平移，这个单元能够无一遗漏的完全复制所有空间格点。由于局部地方格点的破坏导致平移操作无法完整地复制全部的二维点阵。这样的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体，对称性破坏的局部区域称为晶

3、体缺陷。122.4 .1 晶体缺陷的分类结构缺陷（本征缺陷）点缺陷面缺陷线缺陷体缺陷13点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦称零维缺陷，例如空位、间隙原子等线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是各种形式的“位错”，例如晶格中缺少一列原子即形成线缺陷面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部偏离周期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。体缺陷：指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷，例如完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内部的空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷142.4 .1.1 点

4、缺陷（1） 概念空位间隙原子15六十年代Kroger等建立了比较完整的缺陷研究理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。缺陷化学的基本假设：将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平衡。也就是将缺陷看作是一种化学物质，他们可以参与化学反应准化学反应，一定条件下，这种反应达到平衡状态。1617在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止的，而是以平衡位置为中心作热振动。原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。18离开平衡位置的原子有三个去处：

5、一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上；使晶体内部留下空位，称为Schottky空位二是挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为Frenkel缺陷；三是跑到其他空位中，使空位消失或空位迁移；四是一定条件下，晶体表面的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置形成间隙原子；对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。19 晶体中的原子正是由于空位和间隙原子不断的产生与复合才不听地由一处向另一处做无规则的布朗运动，这就是晶体中原子的自扩散，是固体相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。2021热致缺陷掺杂造成缺陷与环境杂质交换引

6、起缺陷外部作用引起缺陷（2） 成因22（3） 缺陷对晶体性质的影响23（3） 缺陷对晶体性质的影响（1） 对力学性质的影响（2）对催化性能影响（3）对电化学性质的影响（4）对光学性质的影响（5）对晶体颜色的影响241对力学性质的影响由于结构缺陷的存在，使得晶体的机械强度大大降低。2. 对光学性质的影响晶体缺陷对晶体的光学性质有很大影响。如杂质原子就会对闪烁晶体材料的性能产生重大影响。BGO是化合物Bi4Ge3O4的简称。BGO晶体无色透明，室温时在光和X射线辐照下有很强的发光性质，是性能优异的新一代闪烁晶体材料，可以用于探测X射线、Y射线、正电子和带电粒子等，在核物理，高能物理，核医学和石油勘

7、探等有广泛应用，但如果含千分之几的杂质，发光新能就会受到严重的影响。25 3对电学性质的影响 由于晶格中空位缺陷的存在，对各类晶体的电导率产生不同的影响。 因为在电场作用下，离子会通过空位而移动，从而增高了离子晶体的电导率； 但对电子导电的金属体而言，则因其内部缺陷浓度的增加而导致了电阻率的增高。 杂质对于晶体，特别是对半导体材料的电学性质的影响十分显著。这主要是由于杂质元素的引入改变了半导体的能带结构。因此许多半导体原料在制成器件前都要“掺杂”，控制掺杂元素的种类和浓度，即可得到不同类型的、电阻率范围不同的半导体材料。264对晶体颜色的影响晶体的颜色与晶体缺陷密切相关。如Cr2O3本身是绿色

8、，当掺入Al2O3即变成红色。5对催化性能的影响固相催化刑的催化性能与晶体表面有关。272.4 .1.2 位错28从滑移的角度看，位错是滑移面上上已滑移和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸较小，是一个直径约在3-5个原子间距、长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区2930刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑移方向垂直，也垂直于滑移矢量。滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于

9、在刃型位错中，位错线和滑移矢量相互垂直，因此他们所构成的平面只有一个。对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。313233由于剪应力的作用使晶体互相滑移，晶体中滑移部分的相交位错线是和滑移面方向平行的，因为位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，古称为螺旋位错。342.4 .1.3 面缺陷35材料的表面是最显而易见的面缺陷。在垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。由于材料是通过表面与环境及其他材料发生相互作用，所以表面的存在对材料的物理性能有重要的影响。常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。36原子偏离周期排列的三维缺陷。一般指材料

10、中的空洞、夹杂物等，这种体缺陷对材料性能的影响一方面与它的几何尺寸的大小有关；另一方面也与其数量、分布有关；它们的存在常常是有害的2.4 .2 体缺陷372.4 .3 非整比化合物产生原因一种原子的一部分从有规则的结构位置中失去；存在着超过结构所需数量的原子被另一种原子所取代38高温超导材料392.5 非晶体的结构和性质2.5.1 非晶体的结构特点402.5.2 非晶体材料的性能412.6 材料结构的表征2.6.1 材料化学组成的表征化学分析法仪器分析法422.6.2 材料结构的表征（1）晶体结构的研究和表征（2）材料显微结构的研究43形貌的观察及物相（组成、含量）分析；固体结构（类型、点阵常数）的测定；固体结合键的类型；杂质含量及分布情况晶粒形态、大小、取向及分布特征；晶粒中的晶格畸变相缺陷情况；晶体结构和相结构及分布特征；材料的应力状态及应变。442.6.3 材料结构的表征的几种方法4546透射电子- -透射电子显微镜（TEM