晶体结构及氧化铝晶体特点

1、晶体结构&氧化铝晶体结构简介,1.1 晶体的宏观特征,1.2 晶格的微观结构及常见的晶体结构,1.3 晶格周期性的描述,1.4 典型晶体结构的原胞和晶胞,1.5 晶向&晶面及标记,1.6 七大晶系&14种原胞,1.7 氧化铝晶体结构简介,1.1 晶体的宏观特征,晶体：粒子（原子、离子或分子）在空间周期性地长程有 序排列形成的固体,1、晶体与非晶体,be2o3晶体,非晶体：粒子在空间中无长程序排列形成的固体,be2o3玻璃,2、晶体的宏观特征,自范性： 晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发的成长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。 本质是晶体中粒子微观空间

2、里呈现周期性的有序排列的宏观表象。,晶面角守恒： 对于一定类型的晶体来说，不论外形如何，其外表的晶面间总有一特性的夹角。 a,b面，b,c面，a,c面三个夹角分别为141o47，120o00，113o08,几种不同外形的石英晶体,晶体外形图,解理性：晶体受外力作用时，具有沿某一个或几个特定晶面劈裂的性质。如云母很容易沿自然层状结构平行方向劈为平面，这些劈裂面称为解理面。,各向异性：晶体的物理性质随观测方向而变化的现象。包括压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。如石墨的电导率沿晶体不同方向测时，数值不同。,均匀性：晶体的宏观性质不随内部位置的变化而异。,对称性：晶体的宏观性质在不同方向有规律

3、地重复出现的现象。,最低内能：从气态、液态、非晶态到晶态都要放热。反方向的变化都要吸热。表明晶体内能最小，因此晶体最稳定。,熔点固定：当加热晶体到某一特定的温度是，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度不变，直至晶体全部溶化后，温度才又开始上升。,1.2 晶体微观结构,2，晶格或点阵 晶体中的原子都是周期性地长程有序排列的，若把晶体内部的微粒看成是几何学上的点，这些点按一定规则组成的空间格子称为晶格（或点阵） 。,1，基元 晶体可以由一种或多种原子（或离子）组成，它们构成晶体的基本结构单元，称为基元。,晶格,基元,+,晶体,晶格,1、 简单立方,1）将原子球在一个平面内按正方排列形成原子层,2）

4、将原子层按图所示沿垂直层面方向叠加起来就得到简单立方结构，其最小的重复结构单元如图,3）用原点表示原子的位置，即得到简单立方格子,常见的晶体的结构,最小单元,简单立方 格子,2、 体心立方,1）原子球按正方形式铺开形成一原子层，计为原子层，类似排列形成另一原子层，计为原子层,2）将b层原子放在层四个原子的间隙里，第二层的每个球和第一层的四个球紧密相切，如图，按ab ab ab .次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到体心立方。体心立方单元如图所示,3）用原点表示原子的位置，即得到体心立方格子,li、na、k、rb、cs、fe等金属为典型的具有体心立方晶格的金属,3、 面心立方,1）面心立方晶体的原

5、胞和简单立方相似，所不同的是，除立方体顶角上有原子外，在立方体的六个面的中心还有六个原子。,2）用原点表示原子的位置，即得到面心立方格子,cu、al、ni等具有面心立方结构。,4、 六角密排结构,1）原子球平铺在平面上，任意一个球都与六个球相切，每三个相切的球的中心构成一等边三角形，且每个球的周围有六个空隙，这样构成一原子层，计为原子层。,3）将b层的球放在层相间的3个空隙里，b层每个球和a层三个球紧密相切，如图。,2）类似排列形成另一原子层，计为原子层。,4）按ab ab ab .次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到六角密排结构,5）用原点表示原子的位置，即得到六角密积格子,be、mg、zn、

6、cd等具有六角密排晶格结构。,b,a,5、 金刚石结构,金刚石由碳原子构成，其结构可以看成是由面心立方结构演变而来的，即：在一个面心立方原胞的基础上在体内再额外加四个原子，体内四个原子分别位于四个空间对角的1/4处。,面心立方,金刚石,重要的半导体材料，如ge、si等，都有四个价电子，其晶体结构和金刚石相同,6、闪锌矿结构,和金刚石结构相似，所不同的是，在立方体顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。,许多重要的化合物半导体，如insb、zns、gaas、inp等均是闪锌矿结构。,1、晶格周期性的描述,原胞,一个晶格中最小的周期性单元（重复单元）,晶格的共同特点是具有周期性，可以用原胞

7、和基矢来描述这一周期性,二维布喇菲格子,原胞，由相邻的四个原子构成的面积最小的平行四边形,晶格周期性的描述,二维布喇菲格子,基矢,基矢,原胞的边矢量,三维格子的重复单元是平行六面体,基矢,是原胞的三个边矢量,原胞对应体积最小的重复单元,三维布喇菲格子,晶胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期，代表晶胞三个边的矢量称为晶胞基矢，用、 、表示，这 三个矢量的长度a、b和c实际上就是所谓的晶格常数。,原胞是晶格的最小周期性单元，但是很多情况下原胞不能反映晶格的对称性。因此，为了同时反映晶格的对称性，往往会取较大的周期单元。结晶学中选取的单元称为结晶学单胞，简称晶胞。,晶胞,在一些情况下，晶胞就

8、是原胞,而在另一些情况下，晶胞不是原胞,原胞,晶胞,原胞,晶胞,例如简单立方晶格,例如面心立方晶格,2、晶格周期性的描述格矢,对于简单格子，一旦基矢被确定，则任一原子a的位置可由下列格矢表示,任意两个格点间的位移矢量，即格矢量，简称格矢,例如,l1、l2、l3为一组整数,因此，可以用表示一个空间格子,即一组（l1、l2、l3）的取值表示一个格点，所有（l1、l2、l3）可能取值的集合就表示一个空间格子，这个空间格子又称为布喇菲格子。,晶体可以看成是布喇菲格子的每一个格点上放上基元构成的,晶体布喇菲格子基元,复式格子,如果晶体包含两种或两种以上的原子，则不同的原子各自构成自身的布喇菲格子（子晶格

9、），若干个相同的布喇菲格子相互位移套构而形成所谓的复式格子。,整个金刚石晶格可以看成是由沿体对角线相互位移四分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。,整个nacl晶格可以看成是由沿体对角线相互位移二分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。,对于复式格子，任一原子a的位置可由下列格矢表示,l1、l2、l3为一组整数 1，2，3.,例如：金刚石晶格,对角线上的原子（红色）位置,面心立方位置上（绿色）的原子位置,是原胞中各种等价原子之间的相对位移,1.4 常见晶体结构的原胞和晶胞,（1）简单立方,体积,原子数,1,原胞,晶胞,晶胞原胞,体积,原胞只含一个原子,基矢,（2）体心立方,体积,原子

10、数,2,晶胞,原胞,由立方体的中心到三个顶点引三个基矢,基矢,原胞只含一个原子,体积,（3）面心立方,原胞,晶胞,原子数,4,体积,原胞只含一个原子,体积,基矢,由立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢,基矢,（4）六方结构,原胞基矢 、 在密排面内，互成1200角 沿垂直密排面的方向。,基矢,1.5 晶向晶面和它们的标记,通过任何两个格点连一直线，则这直线上包含无限个相同的格点，这样的直线称为晶体的晶列。,相互平行的晶列，叫做一族晶列。整个晶体可以看作是由一族晶列组成的。一族晶列不但方向不同而且格点分布的周期也相同。不同方向的晶列不但方向不同而且晶列上格点排列的周期也不同,晶列,晶体具有方向

11、性，沿晶格不同方向晶体性质不同，如何区别和标志晶格中不同的方向。,一族晶列定义了一个方向，称为晶向。,确定晶向的一组参数l1、l2、l3,晶向,晶向指数,l1、l2、l3为一组整数,以晶列上任一格点o为原点，以原胞的3个单位矢量,为轴建立坐标系,则在该晶列上任取1格点a，其位矢可表示为：,很明显，晶列oa的取向被l1、l2、l3三个整数所确定。,若l1、l2、l3为互质整数，则可直接用这三个互质整数来表示该晶列的方向,称为晶向指数,若l1、l2、l3不为互质整数，则先要将这三个数简约为互质整数,确定晶向指数方法,简立方格子立方边oa、面对角线ob和体对角线oc的晶向指数,立方边oa的晶向指数为

12、100 立方边共有6个不同的晶向，晶向指数分别为,由于立方晶格的对称性，每一组晶向中所有晶向是等效的，因此，常常用表示边的晶向。,数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的属于同一族晶向。,体对角线oc的晶向指数为111 体对角线共有8个不同的晶向,面对角线ob的晶向指数为110 面对角线共有12个不同的晶向,同理，由于立方晶格的对称性，常常用和分别表示边、面对角和体对角线的晶向。,晶格中同一平面上的各点所构成的平面,晶面,晶面指数,确定晶面空间取向的一组参数（hkl），也叫密勒指数,密勒指数的确认方法,晶格中任选一格点为原点，以晶胞的3个棱边为坐标轴，组成坐标系，求出任一晶面在三根轴上的截距（p

13、qr），求倒数（1/p, 1/q, 1/r）,约化为为质数（最小整数）（hkl）即为密勒指数,截距p=3a，q=2b，r=1c,所以,对如图所示的基矢，求： abc晶面的密勒指数； defg晶面的密勒指数,(1),abc晶面在三个基矢方向上的截距分别为4a、b、c，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为(144),(2),defg晶面在三个基矢方向上的截距分别为2a、3b、，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为(320),简立方格子典型晶面的密勒指数,1、(100)晶面,在三个基矢方向上的截距分别为a、，因此截距的倒数为,由于立方晶格的对称性，这三组晶面是等效的，因此，常常用100来

14、表示(100)、(010)和(001) 三个等效的晶面。,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有(010)、(001),在三个基矢方向上的截距分别为a、b、，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有6个，密勒指数分别为,记为110,2、(110)晶面,3、(111)晶面,在三个基矢方向上的截距分别为a、b、c，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有4个，密勒指数分别为,记为111,说明：六角密排结构4指数表示晶向和晶面,夹角为60o的密排方向是等价的， 但晶向指数却为100和110.,解决方法： 引入四指数，即引入4个坐标轴,(hkl)(hkil),晶面指数,

15、i=-(h+k),1010=(1010), (1100), (0110),晶向指数,(uvw)(uvtw) u=(2u-v)/3, v=(2v-u)/3, t=-(u+v) , w=w 1002110 110112 0,1.6 七大晶系14种原胞,根据晶体的宏观对称性，可以把晶体划分为7大晶系，14种布喇菲原胞,1)、三斜晶系 abc 90,因为a、b和是互相倾斜的，所以称为三斜系,2)、单斜晶系 abc 90 ,因为只有a和是互相倾斜的，所以称为单斜系,1. 简单单斜 abc 90 ,2.底心单斜 abc 90 ,3)、正交晶系 abc 90,因为a、b和是互相正交的，所以称为正交系,1、简

16、单正交 abc 90,2、底心正交 abc 90,3、体心正交 abc 90,4、面心正交 abc 90,4)、正方晶系 （又称四角晶系） abc 90,1、简单四角abc 90,2、体心四角abc 90,6)、三角晶系 abc 90,5)、六角晶系 abc 90120,7)、立方晶系 abc 90,1、简单立方abc 90,2、体心立方abc 90,3、面心立方abc 90,简单立方,体心立方,面心立方,xrd 检测晶体结构,布喇格定律,(1),(1),1.7 al2o3晶体结构简介,-al2o3,-al2o3,-al2o3,-al2o3,-al2o3,-al2o3,氢氧化铝在高温下完全脱水

17、变成稳定的最终产物-al2o3，在此之前由于温度、压力、蒸汽分压的不同可形成多种不同的晶型，这些晶型可以看作是中间（或过渡）形态。目前已知的al2o3结晶形态有8种。,高温,低温,-al2o3,-al2o3,刚玉,-al2o3,al2o3各种晶型的晶体性质,o2-,al3+,空格,-al2o3晶体结构,o2 以六角密排方式排列，al3+处于氧离子的缝隙中，处于一个八面体 的中心位置，但只有2/3的缝隙填有al3+,六方晶胞,晶胞常数：a=4.75 a，c=12.97 a c/a=2.73,由于al3+处于氧离子的缝隙中，但只有2/3的缝隙填有al3+，其余1/3的间隙是空着的。因此， al3+的分布必须有一定的规律，其原则就是在同一层及层与层之间， al3+的之间的距离应保持最远。,经分析有al3+层与氧离子层交互排列至第 13层时才出现重复，如图所示为六方晶胞。,如果将-al2o3晶体的结构做层次分析，可以看到o2-排列在一个平面上，这个平面垂直于晶体的光轴c3。,菱面体晶胞,菱面体晶胞：边长5.124 a，平面角55o17 每个晶胞2个分子，即10个离子，6个al3+和4个o2-,严格来说，离子晶体不存在分子基元。但为了方便理解，将菱面体8个顶角及中心均放置一个al