高中化学-晶体结构.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,状元365答疑网,中小学在线互动答疑领导品牌,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,状元365答疑网,中小学在线互动答疑领导品牌,*,状元365答疑网,第1页,第1页,为学之道，莫先于穷理；穷理之要，必在于读书；读书之法，莫贵于,循序而致精,；而致精之本，则又在于居敬而持志。朱熹,窥天地之奥而达造化之极。,李时珍,状元365答疑网,第2页,第2页,主要参考书,黄昆，韩汝琦.固体物理,高教出版社.,Charles Kittel.Introduction to solid state physics.(中文版第8版,或直接看英文原版）,方俊鑫，陆栋.固体物理学（上）,上海科学技术出版社.,阎守胜.固体物理基础,北京大学出版社.,状元365答疑网,第3页,第3页,一、固体物理学研究对象,绪 论,固体结构及其构成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间互相作用与运动规律，以阐明其性能和用途。,固体物理是固体材料和器件基础学科，是新材料、新器件,生长点,。,固体是由大量原子（或离子）构成，10,23,个原子/cm,3,。,固体结构就是指这些原子排列方式。,状元365答疑网,第4页,第4页,固体分类,晶 体:规则结构，分子或原子按一定周期性排列。,长程有序性,，有固体熔点。E.g.水晶,岩盐,非晶体：非规则结构，分子或原子排列没有一定周期性。,短程有序性,，没有固定熔点。玻璃 橡胶,准晶体:有长程取向序，沿取向序对称轴方向 有准周期性，但无长程周期性,没有缺点和杂质晶体叫做抱负晶体。缺点:缺点是指微量不规则性。,状元365答疑网,第5页,第5页,规则网络,无规网络,晶体,非晶体,状元365答疑网,第6页,第6页,准 晶,Al,65,Co,25,Cu,10,合金,状元365答疑网,第7页,第7页,二、固体物理学发展历史,规则几何外形,内部规则性,阿羽依,魏德曼-弗兰兹定律表征金属导电率和导热率之间关系。为金属电子论打下了基础。,十九世纪中叶，布拉伐（Bravais）提出空间点阵学说，提供了经验规律。,20世纪初，在,X射线衍射试验,和量子力学理论基础上，建立了固体电子态理论和晶格动力学。,结果：半导体 纳米材料 超导体,状元365答疑网,第8页,第8页,二、学科领域,形成许多分支学科。,固体物理研究固体材料中那些最基本、有普遍意义问题。,固体物理,晶格理论,电子理论,输运理论,固体物理分论,晶格结构,晶格动力学,晶格热力学,实际晶格理论,抱负晶格,能带理论（包括电磁场中电子运动）,金属中自由电子气,功函数、接触电势等,：电子与晶格互相作用,半导体、磁学、超导、非线性光学,状元365答疑网,第9页,第9页,本课程学习内容,1、描述晶体周期性基本办法，典型晶格结构。,2、固体结合力（四种）,3、晶格动力学,4、晶体中电子运动规律（能带理论，自由电子气）,5、简介一些典型固体材料性质,状元365答疑网,第10页,第10页,第一章 晶体结构,状元365答疑网,第11页,第11页,晶体宏观性质,周期性,从原子排列角度来讲(,均一性,从宏观理化性质角度来讲）；,宏观对称性,；,3,.,各向异性,和,解理性,。比如，云母解理性；,4,.,有,固定熔点,。,状元365答疑网,第12页,第12页,几种常见晶体结构,1.,元素晶体,一维,二维,二维密排,堆积,二维正方,堆积,11 一些晶格实例,状元365答疑网,第13页,第13页,a.较松散堆积,体心立方（body-centered cubic,bcc,）,堆积,简朴立方（simple cubic,sc,）堆积,典型晶体：Li、Na、K、,-Fe,三维,配位数：一个原子周围最近邻原子数目。,对于体心立方（,bcc,）配位数为,8,。,状元365答疑网,第14页,第14页,面心立方（face-centered cubic,fcc,）堆积 排列方式：A,B,C,A,B,C,(立方密堆积),典型晶体：Cu、Ag、Au、Ca、Sr、Al、,b.,密堆积,：,fcc,配位数为,12,；,状元365答疑网,第15页,第15页,典型晶体：Be、Mg、Zn、Cd、Ti,密排六方（hexagonal close-packed,hcp,）,堆积,排列方式：,A,B,A,B,A,B,(,六方密堆积),hcp,配位数为,12,；,状元365答疑网,第16页,第16页,状元365答疑网,第17页,第17页,典型晶体：金刚石、Si、Ge,c.金刚石结构,：,金刚石,配位数为,4,；,金刚石结构,状元365答疑网,第18页,第18页,2.简朴化合物晶体,NaCl,结构,典型晶体：NaCl、LiF、KBr,状元365答疑网,第19页,第19页,CsCl结构,典型晶体：CsCl、CsBr、CsI,状元365答疑网,第20页,第20页,闪锌矿结构,许多主要半导体化合物都是闪锌矿结构。,典型晶体：ZnS、CdS、GaAs、-SiC,在晶胞顶角和面心处原子与体内原子分别属于不同元素。,状元365答疑网,第21页,第21页,1,.2 晶格周期性,一、晶格与布拉伐格子,晶格：,晶体中原子（或离子）排列详细形式。,2.布拉伐格子(空间点阵）,布拉伐格子：一个数学上,抽象,，是,点,在空间中周期性规则排列,。,基元：每一个格点所代表物理实体。,格点：空间点阵中周期排列几何点。所有点在化学、物理和几何环,境上完全相同。,状元365答疑网,第22页,第22页,布拉伐格子一共有14 种。,sc,bcc,fcc,立方晶系布拉伐格子,状元365答疑网,第23页,第23页,实际晶格=布拉伐格子+基元,若格点上基元只包括一个原子，那么晶格为,简朴晶格,。,若格点上基元包括两个或两个以上原子（或离子），那么晶格为,复式晶格,。,晶格中,所有原子在化学、物理和几何环境上都是完全等同。,简朴晶格必须由同种原子构成；反之，由同种原子构成晶格却不一定是简朴晶格。如,金刚石,和,hcp,晶格都是复式晶格。,状元365答疑网,第24页,第24页,SC +双原子基元,fcc+双原子基元,复式晶格,由同种原子构成金刚石晶格也是复式晶格。,状元365答疑网,第25页,第25页,A类碳原子共价键方向,B类碳原子共价键方向,状元365答疑网,第26页,第26页,hcp也是复式晶格。,复式晶格包含多个等价原子，不同等价原子简朴晶格相同。复式晶格是由等价原子简朴晶格嵌套而成。,状元365答疑网,第27页,第27页,R,l,0,a,1,a,2,二、基矢和原胞,状元365答疑网,第28页,第28页,2.基矢：,任一格矢 ，,1.格矢:,假如全部l1、l2和l3均为整数，则称这组坐标基 、和 为基矢。对于一个空间点阵，基矢选择不是唯一，能够有各种不同选择方式。,状元365答疑网,第29页,第29页,R,l,0,a,1,a,2,状元365答疑网,第30页,第30页,原胞体积：,原胞,空间点阵,最小重复单元,每个空间点阵原胞中只含有,一个格点,对于同一空间点阵，原胞有各种不同取法（Wigner-Seitz原胞），但原胞体积均相等,空间点阵原胞,晶格原胞 空间点阵原胞基元,状元365答疑网,第31页,第31页,Wigner-Seitz原胞（对称原胞）,状元365答疑网,第32页,第32页,引入Wigner-Seitz原胞原因,长处：,（1）Wigner-Seitz原胞本身保持了布拉伐格子对称性；,（2）该取法此后要用到。,缺点,：,（1）Wigner-Seitz原胞体积等计算不以便；,（2）平移对称性反而不直观。,状元365答疑网,第33页,第33页,基元中原子数目能够是一个，也能够是多个。基元中第j个原子中心位置相对于一个格点，能够表示为：,状元365答疑网,第34页,第34页,晶胞,除了周期性外，每种晶体尚有自己特殊,对称性,。为了同时反应晶格对称性，往往会取最小重复单元一倍或几倍晶格单位作为原胞。结晶学中惯用这种办法选取原胞，故称为,结晶学原胞，简称晶胞,（也称为单胞）。,例：二维三角晶格,状元365答疑网,第35页,第35页,晶胞三个棱边矢量用 ，表示，称为轴矢（或晶胞基矢），其长度a，b，c称为晶格常数。,下面对结晶学中属于立方晶系布拉格原胞简立方、体心立方和面心立方固体物理原胞进行分析。,sc,晶胞：,基矢,体积,原胞：,基矢,体积,状元365答疑网,第36页,第36页,bcc,原子个数,2,晶胞：,基矢,体积,状元365答疑网,第37页,第37页,原胞：,基矢,体积,原子个数,1,由一个顶点向三个体心引基矢。,状元365答疑网,第38页,第38页,bcc原胞示意图,状元365答疑网,第39页,第39页,原子个数,4,晶胞：,基矢,体积,fcc,状元365答疑网,第40页,第40页,原胞：,基矢,体积,原子个数,1,由一个顶点向三个面心引基矢。,状元365答疑网,第41页,第41页,hcp,两者之间夹角为120,0,状元365答疑网,第42页,第42页,堆积系数,晶 胞 体 积,晶胞中原子所占体积,fcc结构,a,每个晶胞有 81/8+61/2=4个原子,状元365答疑网,第43页,第43页,一、晶列,晶列：互相平行直线系。,1,.3,晶列和晶面指数,晶体性质各向异性，表明晶体结构含有方向性。,状元365答疑网,第44页,第44页,晶列特点,（1）一族平行晶列把所有格点包括无遗。,（2）在一平面中，同族相邻晶列之间距离相等。,（3）通过一格点能够有无限 多个晶列，其中每一晶列都有一族平行晶列与之相应。,（4）有无限多族平行晶列。,二、晶向,原子沿晶向到最近邻为,(、为互质整数）,晶向记为,称为晶列指数。,状元365答疑网,第45页,第45页,三、晶面,晶面 晶体内三个非共线结点构成平面。,在一晶面外过其它格点作一系列与原晶面平行晶面，可得到一组等距晶面，各晶面上结点分布情况是相同。这组等距晶面称为一族晶面。,面间距同族晶面中，相邻两晶面距离。,（晶面概念是以格点构成互相平行平面，再构成晶体。）,状元365答疑网,第46页,第46页,通惯用密勒指数来标识不同晶面。,拟定密勒指数环节：,1）选任一结点为原点，作 、轴线。,2）求出晶面族中离原点最近第一个晶面在 、,、轴上截距 、。,3）将 、取倒数并化为互质整数 、,，则 即为密勒指数。,状元365答疑网,第47页,第47页,例：立方晶系几种晶面,状元365答疑网,第48页,第48页,状元365答疑网,第49页,第49页,状元365答疑网,第50页,第50页,状元365答疑网,第51页,第51页,状元365答疑网,第52页,第52页,状元365答疑网,第53页,第53页,1.4 倒格子,为了以后计算上以便，我们引入一个新概念倒格子。,倒格子并非物理上格子，只是一个数学处理办法，它在分析与晶体周期性相关各种问题中起着主要作用。,状元365答疑网,第54页,第54页,一、倒格子定义,假设晶格原胞基矢为 、，原胞体积为 ，建立一个实空间，其基矢为,由这组基矢构成格子称为相应于以 、,为基矢正格子倒易格子(简称倒格子），、称为倒格子基矢。,状元365答疑网,第55页,第55页,从数学上讲，倒易点阵和布喇菲点阵是互相相应傅里叶空间。,倒易空间格矢量：,状元365答疑网,第56页,第56页,例1：简立方格子倒格子。,例2：,二维四方格子，其基矢为 。,此时可假设一个垂直于平面单位矢量,再计算,、。,状元365答疑网,第57页,第57页,二、倒格子基矢性质,1、正倒格子基矢关系,(为倒格子原胞体积。）,2、倒格子原胞体积是正格子原胞体积倒数(2),3,倍。,3、倒格矢 是晶面指数为 所相应,晶面族法线。,4、倒格矢 与晶面间距 关系为,5、正格矢 与倒格矢 关系,（m为整数）,状元365答疑网,第58页,第58页,推论：,1、假如有一矢量与正格矢点乘后等于2整数,倍，这个矢量一定是倒格矢。,2、假如有一矢量与正格矢点乘后为一个没有量纲,数，这个矢量一定能在倒空间中表示出来。,状元365答疑网,第59页,第59页,倒格矢性质：,1）,是密勒指数为 所相应晶面族法线,。,2）,条件：不包括体心和面心一切晶胞。,3）,其中,因此倒格矢 能够代表 晶面。,状元365答疑网,第60页,第60页,简朴三斜,简朴单斜,底心单斜,返回,状元365答疑网,第61页,第61页,底心正交,简朴正交,面心正交,体心正交,返回,状元365答疑网,第62页,第62页,简朴菱方,简朴六方,简朴四方,体心四方,返回,状元365答疑网,第63页,第63页,简朴立方,体心立方,面心立方,返回,状元365答疑网,第64页,第64页,返回,状元365答疑网,第65页,第65页,