C功能材料概述及结晶学基础精讲.ppt

第2章：功能材料概述,Chapter2.Introductiontofuntionalmaterials,2020/5/12,Materials,复合功能材料高分子功能材料有机功能材料金属功能材料无机非金属功能材料,物质性,功能性,应用性,核功能材料生物医学功能材料化学功能材料热学功能材料力学功能材料声学功能材料光学功能材料磁学功能材料电学功能材料,生物医用材料航空航天材料能源材料仪器仪表材料传感材料计算机材料电讯材料电工材料电子材料信息材料,粒度,纳米材料非晶态材料晶态材料,Structuralmaterials,Functionalmaterials(光、电、磁、声、热、化学、生物化学),1、材料的分类,2020/5/12,化学在于创造：材料(materials),现代社会原始社会,2020/5/12,Crystalmaterials晶体材料,DKDP=KD2PO4,2020/5/12,a=7.579(1)C2b=5.976(1)b=108.45(1)c=6.265(1),Zn(C4H4O4),Zn2+,+,2020/5/12,Propertiesoffuctionalmaterials,超导性能储氢性能磁性软磁材料、硬磁材料、磁记录材料光学性能激光材料、光纤材料、红外材料、发光材料、光色材料、液晶材料功能转换性能压电材料、热释电材料、光电材料、热电材料、电光材料、磁光材料、声光材料,2020/5/12,Functionalmaterials,光电磁声热,compounds,atoms,Buildingblocks,structure,Design,synthesis,assembly,tailoring,Structuralpropertycorrelation,指导,SinglecrystalX-raydiffraction,NMR,IR,UV-vis,etc,材料设计,2020/5/12,2、Analysesandcharacterizations,Analysis1.Quantative2.QualitattiveTechnology1.Chemicalanalysis2.InstrumentalanalysisCharacterizations“Whop”=Who+Person1.W=What2.H=How,Howmany,Howmuch3.O=Operation4.P=Principle,2020/5/12,分析测试仪器与设备,1、光学分析仪器分子吸收分光光度计荧光计与磷光计红外光谱仪旋光分析仪圆二色光谱仪光声光谱仪光热光谱仪原子吸收分光光度计原子发射光谱仪原子荧光光谱仪光量计散射(漫射)分析仪激光光谱,2、色谱分析与电泳仪气相色谱仪高效液相色谱仪凝胶色谱仪薄层色谱扫描仪超临界流体色谱仪离子色谱仪氨基酸分析仪逆流色谱仪电泳仪毛细管电泳仪场流分离仪多维色谱仪色谱联用仪,2020/5/12,3、X-射线分析仪器单晶X-射线衍射仪多晶(粉末)X-射线衍射仪能量色散X-射线分析仪4、磁共振波谱仪顺磁共振波谱仪核磁共振波谱仪脉冲电子顺磁共振波谱仪5、电子束、粒子束微区分析仪电子显微镜扫描隧道显微镜原子力显微镜电子探针俄歇能谱仪X-射线光电子能谱二次离子质谱仪离子散射谱仪离子探针,6、质谱仪同位素质谱仪无机质谱仪有机质谱仪气相色谱-质谱联用仪质谱-质谱联用仪液相色谱-质谱联用仪电感耦合等离子体质谱仪三维四极离子阱傅立叶变换回旋共振质谱仪氦质谱检漏仪残余气体分析仪,2020/5/12,7、电化学仪器电化学滴定法分析仪极谱及伏安法电解分析法库仑分析法恒电位分析仪电位分析仪器与离子选择电极液-液界面电化学用仪器微机化电分析仪器扫描电化学显微镜8、热分析仪热重分析仪差热分析仪差示扫描量热仪元素分析仪,9、核分析仪g-射线能谱分析仪g-射线灰分分析仪中子水分分析仪g-射线免疫计数器b、g-放射性薄层色谱自动扫描仪液体闪烁计数仪穆斯堡尔谱仪10、其它磁强计,2020/5/12,3、固体物质的分类和宏观特征按其中原子排列的有序程度不同,晶体的特征,2020/5/12,对称性的不同含义,物体的组成部分之间或不同物体之间特征的对应、等价或相等的关系（希腊字根=类似尺寸的）由于平衡或和谐的排列所显示的美。形态和（在中分平面、中心或一个轴两侧的）组元的排列构型的精确对应。,2020/5/12,4对称操作、对称元素,对称操作：一个物体运动或变换，使得变换后的物体与变换前不可区分（复原，重合）。对称元素：在对称操作中保持不变的几何图型点、轴或面。,对称面/镜面：m,4.1对称中心、对称面(镜面),2020/5/12,4.2旋转轴,n次旋转轴：n旋转角(a)=360/n,2次旋转轴：2,3次旋转轴：3,4次旋转轴：4,6次旋转轴：6,2020/5/12,4.3反演轴,2020/5/12,4.4点群,点群：保留一点不变的对称操作群,2020/5/12,5点阵结构,5.1点阵和晶胞,晶体结构=点阵+结构基元,点阵,晶胞,结构基元,等同点等同点系,点阵点原子!,2020/5/12,晶胞：晶体中具有最高对称性的最小重复单元晶体：晶胞在空间平移无隙地堆砌而成,阵点矢量(格点矢量),Rl=l1a1+l2a2,初基矢量,阵点指数,l1l2,初基晶胞,2020/5/12,晶胞的大小与形状：由晶胞参数a,b,c,a,b,g表示，a,b,c为六面体边长，a,b,g分别是bc,ca,ab所组成的夹角。晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系,V=abc1+2cosacosbcosgcos2acos2bcos2g1/2,晶胞的两个要素,七大晶系,2020/5/12,5.2晶体学指数,2020/5/12,5.3特征对称元素,2020/5/12,5.4特征方向,2020/5/12,5.5晶体学点群：32个,5.6劳厄群：11个,2020/5/12,从晶体的点群对称性，可以判明晶体有无对映体、旋光性、压电效应、热电效应、倍频效应等：旋光性出现在15种不含对称中心的点群1,2,22,3,32,4,42,6,62,23,43热电性出现在10种只含一个极性轴的点群1,m,2,2m,3,3m,4,4m,6,6m压电性出现在20种不含对称中心的点群(432除外)。倍频效应出现在18种不含对称中心的点群。在晶体结构分析中，可以借助物理性质的测量结果判定晶体是否具有对称中心。,5.7点群与物理性质,2020/5/12,5.8点阵带心,在单胞之内附加点阵点位置由一套带心操作描述：体心(I)：在处附加点阵点；面心(F)：在0、0和0等处附加点阵点；面心(C)：在0处附加点阵点,2020/5/12,5.9Bravais晶格,按带心型式分类，将七大晶系分为14种可能的晶格,2020/5/12,6平移,6.1滑移面(a,b,c,n,d),2020/5/12,镜面和滑移面的符号,a,b,c表示平行于单胞边滑移。n表示对角滑移，在两个方向都滑移单胞长度的一半。d表示类似n的对角滑移，在每个方向移动单胞边长的1/4。,沿镜面的边缘看,沿垂直于镜面的方向观看,2020/5/12,6.2螺旋轴(nm;m=1,2,n1),2020/5/12,2020/5/12,2020/5/12,对称元素的标准符号,2020/5/12,7空间群,空间群符号LS1S2S3：第一字母(L)是点阵描述符号，指明点阵带心类型：P，I，F，C，A，B。其于三个符号(S1S2S3)表示在特定方向（对每种晶系分别规定）上的对称元素。如果没有二义性可能，常用符号的省略形式(如Pm，而不用写成P1m1)。由于不同的晶轴选择和标记，同一个空间群可能有几种不同的符号，如：P21/c，如滑移面选在a方向符号为P21/a；如滑移面选为对角滑移，则符号为P21/n。,2020/5/12,2020/5/12,230个空间群分布,有对称中心90个，无对称中心140个。73个symmorphic(点式)，157个non-symmorphic三斜晶系：2个单斜晶系：13个正交晶系：59个三方晶系：25四方晶系：68个六方晶系：27个立方晶系：36个,2020/5/12,从晶系到空间群,2020/5/12,8离子晶体,离子化合物：由正、负离子组成的化合物离子晶体：离子化合物所形成的晶体,组成晶体的正负离子在空间呈规则排列,存在周期性.离子键：晶胞中的正、负离子质点间的存在很强的静电结合力，没有方向性和饱和性，比较大的键能离子化合物的晶体结构决定其显著特征：较高的熔点、沸点比较脆,延展性差熔融状态能导电，固体状态几乎不导电大多数易溶于极性溶剂中离子晶体中不存在单个分子影响离子排布的因素：离子的电荷、大小、极化,2020/5/12,Cs+,Cl-,8.1离子晶体的几种最简单的结构型式,(1)CsCl型结构配位数：8:8,d=0.5a,2020/5/12,CsCl晶体结构示意图,2020/5/12,(2)NaCl型结构（配位数：6:6）,d=0.5a,Na+,Cl,2020/5/12,(3)立方ZnS型结构(闪锌矿型)配位数：4:4,d=0.433a,晶胞中离子的个数：,晶格：面心立方,红球Zn2+绿球S2-,2020/5/12,8.2离子晶体的离子半径比,不同配位数空间结构，配位时须满足的条件：电中性和能量最低原理几何上的最紧密堆积配位数为6的晶体构型,a,b,c,在abc中，ab=bc=2(r+r-),ac=4r-，则：2(r+r-)2+2(r+r-)2=(4r-)2r+=0.414r-正、负离子的半径比为：r+/r-=0.414,2020/5/12,a,b,c,当r+/r-0.732时，正离子相对较大，有可能接触更多的负离子，从而使配位数提高到8,2020/5/12,AB型化合物的离子半径比和配位数及晶体构型的关系,NaCl、CsCl、ZnS虽同属立方晶系，但由于r+/r-比值不同，而导致其晶格类型不同当r+/r-接近极限值时，可能出现两种构型同质异构现象：在常温下CsCl晶体是CsCl构型，但在高温下可以转变为NaCl构型离子半径比只能应用于离子型晶体，而不适用于共价化合物。如果正、负离子间有强烈的相互极化，晶体构型就会偏离表中的一般规则,2020/5/12,9、倒易点阵,倒易点阵对应与实际空间点阵X射线衍射花样实际上是满足衍射条件的倒易点阵点的投影,2020/5/12,X射线的本质及其产生原理晶体学基础概念X射线衍射法几何原理X射线衍射法及其用途,X射线衍射分析技术,2020/5/12,1、X射线的发现及其本质,1895年德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen)发现1912年德国物理学家劳埃(M.von-Laue)通过衍射试验证实X射线本质是电磁波,2020/5/12,X射线产生原理,2020/5/12,5、X射线衍射法几何原理,Bragg方程：2dsin=n,2020/5/12,Ewaldball（厄瓦尔德球图解）,2020/5/12,X射线衍射法,劳埃（Laue）法单晶体衍射方法周转晶体法四圆衍射仪法德拜-谢乐法照相法聚焦法多晶粉末衍射方法针孔法衍射仪法,2020/5/12,6、X射线单晶四圆衍射仪示意图,四圆：