晶体结构与空间点阵.ppt

1 晶体结构与空间点阵2 晶向 晶面及指标3 晶面间距4 晶面族5 倒易点阵 第二章晶体学基础 燕山大学材料科学与工程学院材料现代分析测试方法课程教学团队王利民教授 博导 通过本章学习 掌握表达晶体周期性结构与它的点阵的各种概念 掌握晶面指数与晶向指数的标定 晶面间距与晶面夹角的表达 倒易点阵 晶体结构周期性与点阵 7个晶系和14种Bravias空间格子 晶胞 晶带 晶向 晶面 晶面间距 晶面夹角 4 倒易点阵 学时 2学时 2 1 1空间点阵 SpaceLattice 晶体结构的几何特征是其结构基元 原子 离子 分子或其它原子集团 一定周期性的排列 通常将结构基元看成一个相应的几何点 而不考虑实际物质内容 这样就可以将晶体结构抽象成一组无限多个作周期性排列的几何点 这种从晶体结构抽象出来的 描述结构基元空间分布周期性的几何点 称为晶体的空间点阵 几何点为阵点 2 1 晶体结构与空间点阵 点阵点是代表结构基元在空间重复排列方式的抽象的点 如果在晶体点阵中各点阵点位置上 按同一种方式安置结构基元 就得整个晶体的结构 所以可简单地将晶体结构示意表示为 晶体结构 点阵 结构基元 结构基元 在晶体的点阵结构中每个阵点所代表的具体内容 包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构 称为晶体的结构基元 结构基元是指重复周期中的具体内容 点阵点 2 1 2基本矢量与晶胞 一个结点在空间三个方向上 以a b c重复出现即可建立空间点阵 重复周期的矢量a b c称为点阵的基本矢量 由基本矢量构成的平行六面体称为点阵的单位晶胞 同一个点阵可以由不同的平行六面体晶胞叠成 即可以任意选择不同的坐标系与基本矢量来表示 为了表达最简单 应该选择最理想 最适当的基本矢量作为坐标系统 即是以结点作为坐标原点 1 选取基本矢量长度相等的数目最多 2 其夹角为直角的数目最多 且 3 晶胞体积最小 这样的基本矢量构成的晶胞称为布拉菲 BRAVAIS 晶胞 布拉菲晶胞 每一个点阵只有一个最理想的晶胞即布拉菲晶胞 2 1 3布拉菲点阵 法国晶体学家A Bravais研究表明 按照上述三原则选取的晶胞只有14种 称为14种布拉菲点阵 14种布拉菲点阵分属7个晶系中 14种空间点阵形式 按晶胞中阵点位置的不同可将14种布拉菲点阵分为四类 简单 P 体心 I 面心 F 底心 C 阵点坐标的表示方法 以晶胞的任意顶点为坐标原点 以与原点相交的三个棱边为坐标轴 分别用点阵周期 a b c 为度量单位 晶胞中的原子计数 在晶胞不同位置的原子由不同数目的晶胞分享 顶角原子 1 8棱上原子 1 4面上原子 1 2晶胞内部 1 简单点阵 P 只在晶胞的顶点上有阵点 每个晶胞只有一个阵点 阵点坐标为000 体心点阵 I除8个顶点外 体心上还有一个阵点 因此 每个阵胞含有两个阵点 000 1 21 21 2 面心点阵 F除8个顶点外 每个面心上有一个阵点 每个阵胞上有4个阵点 其坐标分别为000 1 21 20 1 201 2 01 21 2 底心点阵 C除八个顶点上有阵点外 两个相对的面心上有阵点 面心上的阵点为两个相邻的平行六面体所共有 因此 每个阵胞占有两个阵点 阵点坐标为000 1 21 20 2 1 4点阵常数 平行六面体的三个棱长a b c和及其夹角 可决定平行六面体尺寸和形状 这六个量亦称为点阵常数 按点阵参数可将晶体点阵分为七个晶系 七个晶系及有关特征 七个晶系及有关特征 2 2 晶向 晶面及晶向 晶面指标 2 2 1晶向与晶向指标任意两结点的结点列称为晶向 与此晶向相对应 一定有一组相互平行而且具有同一重复周期的结点列 晶体学中阵点平面与阵点直线的空间取向分别用晶面指数与晶向指数来表示 或者 1 在一族相互平行的阵点直线中引出过坐标原点的阵点直线 2 在该直线上任取一点 量出坐标 并用点阵周期a b c表示 3 将三个坐标值用同一个数乘或除 划归互质整数 并加方括号 晶向的表示方法 取其中通过原点的一根结点列 求该列最近原点的结点的指数 u v w 并用方括号标记 uvw 晶向指数的确定 建立坐标系 结点为原点 三棱为方向 点阵常数为单位 在晶向上任两点的坐标 x1 y1 z1 x2 y2 z2 若平移晶向或坐标 让在第一点在原点则下一步更简单 计算x2 x1 y2 y1 z2 z1 化成最小 整数比u v w 放在方括号 uvw 中 不加逗号 负号记在上方 红线由两个结点的坐标之差确定 在点阵中由结点构成的平面称为晶面 空间点阵划分为平面点阵的方式是多种多样的 不同的划法划出的晶面 点阵面 的阵点密度是不相同的 意味着不同面上的作用力不相同 所以给不同面以相应的指标 hkl 2 2 2晶面及晶面指标 国际上通用的是密勒 Miller 指数 即用三个数字来表示晶面指数 标定方法 1 在一组相互平行的晶面中任选一个晶面 量出它在三个坐标轴上的截距 并用点阵周期a b c来度量 假设截距为r s t 2 取截距的倒数1 r 1 s 1 t 3 将这些倒数乘以分母的最小公倍数 把他们化为三个简单整数h k l 并用圆括号括起来 使h k l 1 r 1 s 1 t 则 hkl 就是待标晶面的晶面指数 我们说 553 晶面 实际是指一组平行的晶面 习题 1 截距r s t分别为3 3 5 2 1 r 1 s 1 t 1 3 1 3 1 5 3 最小公倍数15 4 于是 1 r 1 s 1 t分别乘15得到5 5 3 因此 晶面指标为 553 1 所有相互平行的晶面 其晶面指数相同 或者三个符号均相反 可见 晶面指数所代表的不仅是某一晶面 而且代表着一组相互平行的晶面 2 晶面指数中h k l是互质的整数 3 最靠近原点的晶面与X Y Z坐标轴的截距为a h b k c l 晶面指数特征 即与原点位置无关 每一指数对应一组平行的晶面 立方晶系几组晶面及其晶面指标 100 晶面表示晶面与a轴相截与b轴 c轴平行 110 晶面表示与a和b轴相截 与c轴平行 111 晶面则与a b c轴相截 截距之比为1 1 1 100 110 111 在点阵中的取向 思考题 晶体的晶面指数的个数有上限吗 例如 111 100 1 这样的晶面有吗 理论上讲 晶面指数的个数是无限的 只要能找到极端复杂的晶胞 但对实际的一个晶体 晶面的数目是一定的 如果取a1 a2 和c为晶轴 按上述三轴定向的方法确定面指数 六个柱面的面指数为 100 010 1 10 1 00 01 0 11 0 但是 这种方法所确定的晶面指数不能显示出六次对称及等同面的特征 因此 对六方晶系往往采用四轴定向方法 称为密勒 布拉菲指数 选取四个坐标轴 其中a1 a2 a3在同一水平面上 之间的夹角为120 c轴与这个平面垂直 这样求出的晶面指数由四个数字组成 用 hkil 表示 其中前三个数字存在如下关系 h k i用四轴定向方法求出的六个柱面的晶面指数为 101 0 011 0 1 100 1 010 01 10 11 00 六方体系的晶面指数 这样的晶面指数可以明显地显示出六方对称及等同晶面的特征 六方晶系的晶面和晶向指数表示方法与其它晶系不同 六方晶系中如果用三轴定向表示晶向指数用 UVW 四轴定向的晶向指数用 uvtw 来表示 三轴和四轴晶向指数之间的关系 六方体系的晶向指数 它与晶胞参数和晶面指标有关 一组平行晶面 hkl 中两个相邻平面间的垂直距离称为晶面间距 用dhkl表示 2 3 晶面间距d hkl 晶面与晶面间距是晶体X射线衍射结构分析中所围绕的内容 立方晶系 六方晶系 面间距dhkl与晶胞点阵参数之间的关系 hkl 代表一组相互平行的晶面 任意两个相邻的晶面的面间距都相等 对正交晶系 5 1 5 2 5 3 晶面指标越高 面间距越小 晶面上粒子的密度 或阵点的密度 也越小 只有 h k l 小 dh k l 大 即阵点密度大的晶面 粒子间距离近 作用能大 稳定 才能被保留下来 习题 金属镍立方晶胞中 111 晶面的晶面间距d111为2 035 求其 220 晶面间距d220 2 4晶面族 晶面族 在同一晶体点阵中 有若干组晶面是可以通过一定的对称变化重复出现的等同晶面 它们的面间距与晶面上结点分布完全相同 这些空间位向性质完全相同的晶面的集合 称为晶面族 表示方法 用 hkl 表示 例如 立方晶系中 100 晶面族包括六个晶面 100 010 001 100 0 10 00 1 注意 在其他晶系中 通过数字位置互换而得到的晶面不一定属于同一晶面族 例如 正方晶系中a b c 因此 100 晶面族分为两组 一个包含 100 010 100 0 10 晶面 另一个包含 001 00 1 两个晶面 思考 为什么要强调晶面族的概念 与衍射分析有什么关系 2 5 倒易点阵 教学难点 2 5 1为什么要引入倒易点阵概念 天下本无事 庸人自扰之 非常有用 1 考试要考 考研更要考 2 能简化 1 晶面与晶面指数表达 2 衍射原理的表达 3 与实验测量结果直接关联 尤其是电子衍射部分 倒易点阵是在晶体点阵的基础上按一定对应关系建立起来的空间几何图形 是晶体点阵的另一种表达形式 为了区别有时把晶体点阵空间称为正空间 倒易空间中的结点称为倒易点 2 5 2倒易点阵的概念 表达形式 1 倒易点阵的定义 倒易点阵与正点阵的转换关系 倒易点阵参数 a b c 其中 a b c 为正点阵参数 因此 倒易点阵的基本矢量垂直于正点阵中异名矢量构成的平面 a 垂直于b与c两个矢量构成的平面 同样b 或c 垂直于a与c a与b 两个矢量构成的平面 如果 90o 或者 a 垂直 100 晶面 b 垂直 010 晶面 c 垂直 001 晶面 1 2 倒易点阵参数的方向与大小 倒易点阵是晶体结构周期性在傅立叶空间中的数学抽象 如果把晶体点阵本身理解为周期函数 则倒易点阵就是晶体点阵的傅立叶变换 反之晶体点阵就是倒易点阵的傅立叶逆变换 所以 倒易点阵只是晶体点阵在不同空间 波矢空间 的反映 2 倒易点阵的本质 2 5 3倒易矢量 1 定义 从倒易点阵原点向任一倒易阵点所连接的矢量叫倒易矢量 表示为 r ha kb lc 倒易阵点用它所代表的晶面指数标定 倒易点阵 正点阵 立方正空间点阵的倒易变换 2 倒易矢量的两个基本性质 1 倒易矢量的方向垂直于正点阵中的 hkl 晶面 2 倒易矢量的长度等于 hkl 晶面的晶面间距dhkl的倒数 如果正点阵与倒易点阵具有同一坐标原点 则正点阵中的一个晶面在倒易点阵中就变成了一个阵点 倒易点 正点阵中晶面取向和面间距只须倒易矢量一个参量就能表示 从倒易矢量的定义 OM垂直于晶面 交点为M 于是有 证明2 倒易矢量的长度等于 hkl 晶面的晶面间距dhkl的倒数 因为性质一成立 则有倒易矢量垂直于ABC面 即倒易矢量在OM方向上 这样可以通过有倒易矢量给出单位矢量 为OM方向上的单位矢量 3 用倒易矢量推导晶面间距和晶面夹角的计算公式 晶面间距计算公式晶面夹角计算公式 晶面间距计算公式 已知r ha kb lc 则 立方晶系 晶面夹角计算公式 已知r1 h1a k1b l1c r2 h2a k2b l2c 则 晶面夹角可以用晶面法线间的夹角来表示 因此 两个晶面 h1klll h2k2l2 间的夹角可以用它们所对应的倒易矢量r1 与r2 间的夹角来表示 对于立方体系 同样需要三个基本矢量之间的夹角 习题 1 在晶体结构或空间点阵