材料设计与计算方法(李鸿)第二章晶体的几何结构和分类课件

第二章晶体的几何结构与分类,北方工业大学机械与材料工程学院,第一性原理计算,读文献建结构计算写论文第一性原理计算（从头算法），只需要知道结构就行。,北方工业大学机械与材料工程学院,用MS建结构,回顾：导入一个结构File/Import/Structures,北方工业大学机械与材料工程学院,作业：用MS做表面,北方工业大学机械与材料工程学院,抓一副图发给我,晶体的结合形式,固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质有密切联系。按照晶体间粒子的相互作用力，一般晶体的结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子性结合（即范德瓦尔斯结合）。实际晶体的结合可以兼有几种结合形式可以具有两种结合之间的过渡性质,北方工业大学机械与材料工程学院,离子性结合,靠离子键结合的晶体称为离子晶体或极性晶体。最典型的离子晶体是碱金属元素Li，Na，K，Ru，Cs和卤族元素F，Cl，B、I之间形成的化合物。基本特点：以离子而不是原子为结合单元。如NaCl晶体是以Na+和Cl+为单元结合成的晶体。,北方工业大学机械与材料工程学院,离子性结合,离子晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,离子性结合,离子晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,离子性结合,离子晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,共价结合,北方工业大学机械与材料工程学院,共价结合,北方工业大学机械与材料工程学院,共价结合,共价晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,共价结合,共价晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,例如，在p态的价电子云具有哑铃的形状，因此便是在对称轴的方向上形成共价价。,共价结合,共价晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,电子在杂化轨道能量比基态提高了，也就是说轨道杂化需要一定的能量，但形成共价键时能量的下降足以补偿轨道杂化的能量。,共价结合,共价晶体结合的特点：,北方工业大学机械与材料工程学院,金属性结合,北方工业大学机械与材料工程学院,金属的特性，如导电性，导热性，金属光泽，都是和共有化电子可以在整个晶体内自由运动相联系的。,金属性结合,北方工业大学机械与材料工程学院,金属性结合,北方工业大学机械与材料工程学院,范德瓦尔斯结合,北方工业大学机械与材料工程学院,范德瓦尔斯结合,北方工业大学机械与材料工程学院,混合结合,北方工业大学机械与材料工程学院,层状晶体，比如石墨。层内是共价结合，层间是范德瓦尔斯结合。,原子的负电性,北方工业大学机械与材料工程学院,原子的负电性,北方工业大学机械与材料工程学院,负电性较低的元素对电子束缚较弱，容易失去电子；负电性较高的元素对电子束缚较强，获取电子的能力较强。,元素和化合物结合的规律性,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,碱金属族：Li，Na，K，碱土金属族：B，Mg，Ca，.过渡族金属：Fe，Cu，Zn，Ag，Au，主族金属：Al，Ga，这些元素负电性较低，对电子束缚较弱，容易失去电子，因而在形成晶体时便采取金属性结合。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族C，Si，Ge，主族N，P，As，Sb，主族O，S，Se，Te主族F，Cl，Br，这些元素具有较强的负电性，它们束缚电子比较牢固，获取电子的能力较强。这种情况适于形成共价结合。成键符合8N定则，在晶体结构上有明显的反映。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族元素：最典型的结构是金刚石结构。C形成的金刚石，Si，Ge晶体也具有金刚石结构。锡在13度以下的稳定相也具有金刚石结构。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族元素形成最典型的共价晶体。它们按C、Si、Ge、Sn、Pb的顺序，负电性不断减弱。负电性最强的金刚石具有最强的共价键，它的典型的绝缘体。负电性最弱的铅是金属。在中间的共价晶体硅和锗是典型的半导体。13以下的是具有金刚石结构的灰锡，是半导体；13以上的是金属性的白锡。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族元素只能形成三个共价键。由于通常完全依靠每一个原子和三个近邻相结合不可能形成一个三维晶格结构，因而族元素的结合具有复杂的性质。N（-210度，雪花状固体）和P首先形成共价结合的分子，再由范式力结构成晶体。,北方工业大学机械与材料工程学院,白磷P4分子,元素结合的规律性,2004年7月德俄两国化学家共同宣布，在高压下氮气会发生聚合得到高聚氮，晶体结构如图所示,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族的As，Sb，Bi形成层状晶体：原子先通过共价键结合成下图的层状结构。它包括上下两层，每层的原子通过共价键与另一层中的三个原子结合。层状结构再通过微弱的范式力结合起来。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族原子只能形成两个共价键。因而依靠共价键只能把原子联结成为一个链结构。S和Se可以形成环状的分子，如左下图，S8，Se8环状结构，再依靠范式力结合成晶体。Se和Te原子可以依靠共价键形成螺旋状长链，长链靠范式力平行排列成晶体，如右下图。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族原子只能形成一个共价键。因此，它们靠共价键只能形成双原子分子，而后通过范式力结合成晶体。,北方工业大学机械与材料工程学院,元素结合的规律性,主族的惰性气体原子是满壳层结构。因而它在低温下凝结成的晶体，只能完全依靠微弱的范式作用把原子结合起来，形成典型的范德瓦尔斯晶体。,北方工业大学机械与材料工程学院,化合物结合的规律性,不同元素的组合形成合金或化合物晶体。不同的金属元素之间依靠金属性结合成合金固溶体。金属性结合与一般化合物不同，所包含不同元素的比例不是严格限定的，而是可以有一定的变化范围，甚至可以按任意比例形成合金。这个特点对于合金在技术上的广泛利用具有重要的意义。,北方工业大学机械与材料工程学院,化合物结合的规律性,周期表左端与右端的元素负电性有显著差别，左端易失去电子，右端的易得到电子，因此它们形成离子晶体。比如：主族：Li,Na,K.与主族：F,Cl,Br副族：Cu,Ag,Au.与主族：F,Cl,Br主族：Mg,Ca,.与主族：O,S,Se副族：Zn,Cd,.与主族：O,S,Se,北方工业大学机械与材料工程学院,化合物结合的规律性,随着元素之间负电性差别的减小，离子性的结合逐渐过渡为共价结合。比如：主族Al,Ga,In,与主族N,P,As,碱金属卤化物具有NaCl或CsCl的典型离子晶格结构，一般为绝缘体。-族化合物具有类似ZnS结构，是良好的半导体。,北方工业大学机械与材料工程学院,结构优化,优化晶格常数优化原子位置,北方工业大学机械与材料工程学院,结合能，形成能计算,结合能：bindingenergy，CohesiveEnery结合能是原子由自由状态形成化合物所释放的能量,如果定义为E(AB)-E(A)-E(B)，总为负，其中E