第一章 晶体学基础

第一章晶体学基础第一页，共二十二页，2022年，8月28日现代科学技术赖以发展的各种光学、电学、磁学材料，主要的存在形式是固体物质。固体物质可以按照其组成粒子排列程度分为晶态、准晶态和非晶态。晶态固体具有长程有序的点阵结构，即其中组成单元是处于一定格式空间排列的状态。非晶态固体的内部结构类似液体，只在几个原子间距的范围内或者在短程范围内处于有序状态，而长程范围原子的排列没有一定的格式。第二页，共二十二页，2022年，8月28日1.1晶体结构的周期性1.1.1晶体结构的周期性与点阵1、晶体的周期性：晶体是一种内部粒子或粒子集团在空间按一定规律周期性重复排列而成的固体。结构基元和大小方向为二个要素。2、点阵结构与点阵：将晶体结构中的每个结构基元抽象成一个点，将这些点按照周期性重复的方式排列，就可构成点阵。第三页，共二十二页，2022年，8月28日3、点阵的基本性质：凡是能够抽取出点阵的结构可称为点阵结构；点阵结构可以被与它相对应的平移群所重复。第四页，共二十二页，2022年，8月28日第五页，共二十二页，2022年，8月28日第六页，共二十二页，2022年，8月28日一个点阵点中只有一个基本结构的点阵称为素单元点阵。如上述直线点阵。一个点阵点中含有二个或二个以上基本结构的点阵你复合点阵，如石墨晶体。第七页，共二十二页，2022年，8月28日第八页，共二十二页，2022年，8月28日3.点阵的基本性质：按连接任意两点所得的向量平移拮能够复原的一组点为点阵。点阵的二个必要条件：（1）点数无限多；（2）各点所处环境完全相同。第九页，共二十二页，2022年，8月28日点阵和平移群之间的联系：1）连接任意两点阵点所得的向量必属于平移群；2）属于平移群的任一向量的一端落在与其对应的点阵点时，其另一端必落在此点阵中的另一点阵点上。因此，点阵、点阵结构及晶体之间存在着一一对应的关系：点阵中每一点阵点对应着点阵结构中的一个结构基元，在晶体中则是一些组成晶体的实物微粒，即原子、分子或离子等，或是这些微粒的集团；空间点阵中的基本单位是一个个小的平行六面体，在点阵结构中就是把每个点阵点恢复了它代表的结构基元后的实体单位，在晶体中即为晶胞。相应的，素单位和复单位则分别对应着素晶胞和复晶胞。第十页，共二十二页，2022年，8月28日1.1.2晶体的结构参数第十一页，共二十二页，2022年，8月28日1.1.3晶体缺陷1、理想晶体与实际晶体晶体的基本特征是具有周期性的点阵结构。因此可以认为，按照点阵式的周期性在空间无限伸展的晶体就是理想晶体。但这种理想晶体在自然界中同一切完全理想的事物一样，是不可能存在的，真正存在的实际晶体，并不具有理想的、完整的、无限的理想结构，往往存在偏离理想晶体的状况存在。第十二页，共二十二页，2022年，8月28日实际晶体偏离理想晶体的原因：（1）实际晶体中的微粒数量是有限的；（2）晶体中所有的微粒并非处在晶格中相应位置静止不动，而是在其平衡位置附近不停的振动；（3）实际晶体中多少存在一定的缺陷。这些缺陷是指偏离理想的点阵结构情况。晶体的结构缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等情况。第十三页，共二十二页，2022年，8月28日第十四页，共二十二页，2022年，8月28日晶体的点缺陷包括空位、杂质原子、间隙原子、错位原子和变价原子。晶体在一定温度下原子在振动过程中可能克服其势垒，离开其平衡位置而挤入间隙位置，形成一对空位和间隙原子的缺陷，这类缺陷称为Frenkel缺陷。而一对正负离子同时离开其平衡位置在而迁移到晶体表面，出现了正负离子空位并存的现象称为Schottky缺陷。晶体中含有微量杂质原子时，当杂质原子取代了正常原子的位置时，则形成杂质原子缺陷。第十五页，共二十二页，2022年，8月28日晶体的线缺陷的主要形式是各种形式的位错。从而导致晶体中点阵结构的不严格。线缺陷严重时可使实际晶体变为多晶，即晶体是由许多微小的晶块组成。面缺陷和体缺陷是涉及平面点阵和空间点阵的缺陷。面缺陷是指晶体中可能缺少某一层的粒子，形成了层错现象。体缺陷则指在晶体中出现空洞、气泡、包裹物和沉积物等。第十六页，共二十二页，2022年，8月28日层错现象第十七页，共二十二页，2022年，8月28日

在实际晶体中缺陷和畸变的存在使正常的点阵结构受到了一定程度的破坏或扰乱，对晶体的生长，晶体的力学性能、电学性能、磁学性能和光学性能等到都有很大的影响，在生产和科研中非常重要，是固体物理、固体化学和材料科学等领域的重要内容。第十八页，共二十二页，2022年，8月28日２、单晶体、多晶体与微晶体

若一个固体基本上为一个空间点阵结构所贯穿，则称之为单晶；同一种晶体中的两部分或几部分相互之间不是由同一点阵所贯穿，但它们却是规则地连生在一起而形成晶体，称为双晶，又称孪晶。有些晶体是由许多不同的单晶体以不同的取向聚集而成，称为多晶体。最常见的多晶体就是金属及合金。第十九页，共二十二页，2022年，8月28日３、同质多晶和类质多晶一些组成固定的化合物，由于其内部微粒可以以不同的方式堆积，因而产生不同种类的晶体，我们把这种同一化合组成存在两种或两种以上晶体结构形式的现象为同质多晶现象。

同种化合物的不同晶型，在其物理、化学性质上可能差别很大，如金刚石与石墨。就物理性质熔点与硬度来看，通常晶体的熔点由结构中最强的键决定，而晶体的硬度则由晶体中最弱的相互作用力来决定。第二十页，共二十二页，2022年，8月28日

在两个或多个化合物中，如果化学式相似，晶体结构形式相同，并能互相置换的现象，我们称之为类质同晶现象。１.２晶体结构的对称性内容由结构化学介绍第二十一页