第一章晶体的结构及晶体中的缺陷.ppt

第一章晶体结构及晶体中的缺陷,根据材料组成原子、分子的排列规律，可以将材料分成晶体、非晶体和准晶体。,1.1晶体类型根据形成晶体的化合物的种类不同可以将晶体分为：离子晶体、分子晶体、原子晶体和金属晶体。,1.2非晶体非晶态物质内部结构没有周期性特点，而是杂乱无章地排列，如：玻璃、松香、明胶等等。非晶体不具有晶体物质的共性，某些非晶态物质具有优良的性质。,1.3准晶体准晶体是1984年科学家发现的一种新的物质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。例如五次对称轴等。,“晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。”注意：（1）一种物质是否是晶体是由其内部结构决定的，而非由外观判断；（2）周期性是晶体结构最基本的特征。,1.4晶体的定义,晶体不仅与我们的日常生活密不可分，而且在许多高科技领域也有着重要的应用。晶体的外观和性质都是由其内部结构决定的：决定结构性能反映,1.5晶体性质,均匀性各向异性自发地形成多面体外形F+V=E+2其中，F-晶面，V-顶点，E-晶棱有明显确定的熔点有特定的对称性使X射线产生衍射,1.6晶胞,空间点阵必可选择3个不相平行的连结相邻两个点阵点的单位矢量a，b，c，它们将点阵划分成并置的平行六面体单位，称为点阵单位。相应地，按照晶体结构的周期性划分所得的平行六面体单位称为晶胞。矢量a，b，c的长度a，b，c及其相互间的夹角，称为点阵参数或晶胞参数。晶胞是充分反映晶体对称性的基本结构单位。胞晶在三维空间有规则地重复排列组成了晶体。,晶胞结构图,习惯上选择对称性高的对称轴或对沉湎的发现方向为坐标轴，以能直观地反映晶体对称性的平行六面体作为晶胞，这样选择的警报叫做惯用晶胞，又叫做布喇菲胞。,晶胞与晶格,1.7晶系的类型,根据晶体的对称性，按有无某种特征对称元素为标准，将晶体分成7个晶系：1.立方晶系(c)：在立方晶胞4个方向体对角线上均有三重旋转轴(a=b=c,=90)2.六方晶系(h)：有1个六重对称轴(a=b,=90,=120)3.四方晶系(t)：有1个四重对称轴(a=b,=90)4.三方晶系(h)：有1个三重对称轴(a=b,=90,=120)5.正交晶系(o)：有3个互相垂直的二重对称轴或2个互相垂直的对称面(=90)6.单斜晶系(m)：有1个二重对称轴或对称面(=90)7.三斜晶系(a)：没有特征对称元素,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,2.1晶体的宏观对称性,晶体的宏观对称元素宏观对称元素的组合和32个点群特征对称元素与7个晶系,晶体的对称性与有限分子的对称性一样也是点对称，具有点群的性质，如都有对称轴、对称面、对称中心等对称元素。,在分子点在分子点群中有象转轴,其对称操作是旋转反映，即：,晶体的宏观对称元素,但是，由于习惯的原因，讨论晶体对称性时所用的对称元素和对称操作的符号和名称与讨论分子对称性时不完全相同，具体对比见上表。,从表中我们发现晶体学中我们常用反轴而不用象转轴。,在晶体中反轴对应的操作是先绕(轴)线旋转度，然后再通过线上(中心)点进行倒反(或先倒反再旋转)，即能产生等价图形。这种连续性操作的符号为“”,其中“”为倒反,“”为旋转.,由此可知，与Sn都属于复合对称操作，且都由旋转与另一相连的操作组合而成。,除了对称元素和对称操作的符号和名称的不完全相同外，晶体的宏观对称性与有限分子的对称性最本质的区别是：晶体的点阵结构使晶体的宏观对称性受到了限制，这种限制主要表现在两方面：,在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴以及以后介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组平面点阵垂直(除一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对称元素中的滑移面)都必与一组平面点阵平行，而与一组直线点阵垂直。,晶体中的对称轴(包括旋转轴,反轴和螺旋轴)的轴次n并不是可以有任意多重，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何对称轴或轴性对称元素的轴次只有一重、二重、三重、四重和六重这五种，不可能有五重和七重及更高的其它轴次，这一原理称为“晶体的对称性定律”。,所以，综合前面的讨论，由于点阵结构的限制，晶体中实际存在的独立的宏观对称元素总共只有八种，见表2,表2晶体中的宏观对称元素,晶体宏观对称元素的组合,晶体的独立的宏观对称元素只有八种，但在某一晶体中可以只存在一个独立的宏观对称元素，也可能有由一种或几种对称元素按照组合程序及其规律进行合理组合的形式存在。,(1)晶体多面体外形是有限图形，故对称元素组合时必通过质心，即通过一个公共点。,(2)任何对称元素组合的结果不允许产生与点阵结构不相容的对称元素，如5、7、。,对于宏观对称元素而言，这些元素组合时必受以下两条的限制：,组合程序：,组合时先进行对称轴与对称轴的组合，再在此基础上进行对称轴与对称面的组合，最后为对称轴、对称面与对称中心的组合。,两条限制：,按照以上程序及限制进行组合，我们可以得到的对称元素系共32种，即32个点群：,表37个晶系的划分和32晶体学点群,续表：,续表：,2.2晶体的微观对称性,平移对称性：在晶体的微观空间中，原子呈周期性的整齐排列。对于理想的完美晶体，这种周期性是单调的，不变的。在晶体中相隔一定的距离，总有完全相同的原子排列出现的现象叫做平移对称性。,晶体的微观结构是1912年Laue开始用X射线进行分析。,非晶态不具有晶体微观结构的平移对称性。,晶态与非晶态微观结构对比,图中对比了晶态和非晶态。可见，晶体微观空间的原子排列，无论是近程还是远程，都是周期性有序结构，而非晶态只是近程有序而远程无序，无周期性规律。,指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如下图所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,3、晶体中的位错,图2-2(a)刃位错(b)螺位错,(a),(b),4、晶界,晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。,