金属间化合物ppt课件

金属间化合物的晶体结构、结构稳定性和电子理论，1，1定义，金属间化合物是具有长而有序的晶体结构的化合物，由两个或多个金属集团元素或金属集团元素的比例构成，与相应的集团元素不同。TiAl(L10)，2，2晶体结构分类，几何高密度相拓扑高密度相，3，2.1晶体结构分类，几何高密度相定义：通过密集行表面以不同方式堆叠。类型：面心立方、体心立方、基于密集六边形结构的长征对齐结构和长周期超晶格。特征：对称性高，位错运动滑移面多，有利于获得塑性。4，2.1晶体结构分类，堆叠密度行定义：不规则四面体填充空间的稠密堆结构。类型：Laves相、相、相、-W相同。特征：晶体的缝隙由完全不规则的四面体间隔组成，没有八面体间隔，分布数 12，发生密度 0.74；原子间距很短，原子间的电子相互作用很强，对称性低，滑移系统小，塑性差。5，2.2.1几何高密度相特性，基于平面中心立方体的远距离对齐结构Cu3Au类型(L12类型)化学式A3B。面心立方体的面心位置由Cu原子占据，其顶角位置由Au原子占据。典型示例包括Ni3Al、Ni3Mn、Ni3Fe等。Cu3Au类型(L12类型)，6，2.2.1几何高密度相特性，基于曲面中心立方结构的远距离对齐结构CuPt类型(L11类型)化学方程式AB。面心立方体(111)面是由仅由Cu原子构成的原子面和仅由Pt原子构成的原子面交替叠加而成的。CuPt类型(L11类型)，7，2.2.1几何高密度相特性，基于曲面中心立方结构的远距离对齐结构CuAu类型(L10类型)化学式AB。原始中心立方(001)面是由仅由Cu原子构成的原子面和仅由Au原子构成的原子面交替叠加而成的。代表性的例子是CuAu、TiAl等。cuau 类型(L10)，cuau 类型(L10类型)，8，2.2.1几何高密度相特性，基于体中心立方体的远距离对齐结构CuZn类型(B2类型)化学式AB。Cu原子占据体心位置，Zn原子占据每个顶角，典型的例子有AlNi、AuCd等。CuZn类型(B2类型)、9，2.2.1几何高密度相属性、基于主体心立方的远距离对齐结构Fe3Al类型(D03类型)化学式A3B。Al占x位置，剩下的占Fe原子。当Al含量增加时，Al原子占据y位置，直到Al原子占据整个x和y晶格位置。当Al原子充满x和y位置时，它变成B2结构，化学式变成FeAl。典型范例包括Cu3Al、Li3Be、Fe3Si等。Fe3Al类型(D03类型)，10，2.2.1几何高密度相特性，基于体芯立方体的远距离订购结构Cu2MnAl类型(L21类型)化学式A2BC。Al原子占据b位置，Mn原子占据c位置，Cu原子占据a位置。典型范例为Cu2MnAl、Cu2MnSn、Ni2TiAl等。Cu2MnAl类型(L21类型)，B、A、C，11，2.2.1几何高密度相特性，基于密集六字结构的远距离订购结构Mg3Cd类型(D019类型)化学式为A3B。由4个密集的6字单个细胞组成的一个大的单个细胞，Cd原子占据了大的单个细胞8个顶点和1个小的单个细胞位置，其余的晶格位置都被Mg原子占据了。典型示例包括Mg3Cd、Ni3Sn、Ni3In等。Mg3Cd类型(D019类型)、12，2.2.1几何高密度相属性、长周期超晶格某些长期对齐结构在一维或二维周期中交替改变其位置称为长周期超结构，具体取决于大小恒定的区域。典型一维长期超结构的例子是CuAu结构。这种超结构单个细胞内的原子排列与CuAu型相同，但沿010方向经过5个单位单元后，5个单位单元的方向为(010)面为(a c)/2位移；然后使用此方法继续重复。13，2.2.2拓扑密排特征，面心立方体，体心立方体，密排六字基础结构的Laves上，广泛存在的典型结构，化学式AB2。其典型表现为MgCu2、MgZn2和c36结构，分别称为C14、C15和C36结构，最简单的是六字晶系MgZn2结构，MgZn2结构，14，2 . 2 . 2 . 2拓扑高密度相特性，MgZn2结构原子半径较小的Zn原子形成四面体，原子半径大的Mg原子形成四面体每个Zn原子与6 Mg原子及6 Zn原子相邻，Zn原子的位数为12。每个Mg原子与4个Zn原子和12个Mg原子相邻，Mg原子有16位数。MgZn2结构，15，2.3晶体结构的稳定性，外部因素：温度，压力内部原因：原子百分比，结合能量因素，原子大小因素，原子序数因素，负电，电子浓度。d001、L10、d022、内部元素相互关联不是独立参数。16，2.3晶体结构的稳定性，晶体结构的形成条件是什么？吉布斯自由能函数用于通过一些易于计算的参数(例如原子半径、负电、电子浓度)来判断相结构。这种方法不全面。金属间化合物的相结构取决于17，2.3晶体结构的稳定性，在相平衡时，系统的总吉布斯自由能最低，在原子百分比和每个相吉布斯自由能曲线中确定。牛津大学的D.G.Pettifor引入了另一个独立元素，用于排列18，2.3晶体结构的稳定性，所有已知二元化合物的相结构，设计理念如下：首先，使用门捷列夫的元素周期表稍加修改，然后排序每个元素。序号也称为独立元素，门捷列夫号码。元素纯粹是通过实验得到的，但与元素周期表的排列顺序基本一致，因此包含原子的大小和原子外侧电子的排列规律。19，2.3晶体结构的稳定性、门捷列夫序数、因子、20，2.3晶体结构的稳定性、PettiforStructureMaps、二、所有已知二元化合物为A1-xBx的Pettifor还仅通过两个独立的因素确定了相结构。考虑到外形因素(温度和压力)，相结构是表示温度、压力、原子百分比和原子间相互作用能量的参数的函数，即：其中：w是相结构参数，p是压力，t是温度，是原子百分比，表示原子间相互作用的能量，原子的，22，2.3.1几何的稠密行相稳定性，稠密行表面堆叠，根据稠密行表面原子排列方式和堆叠方法，分为多种结构形式。以下示例说明了CuAu、CuPd、CuPt和CuRh。原子比率都是50%。CuAu的晶体结构为L10，CuPt的晶体结构为L11，CuPt的晶体结构为B2，CuRh化合物不存在(室温下自动分解为Cu和Rh)。23，2.3.1几何高密度相稳定性，Cu-Au，Cu-Pd，Cu-Pt和Cu-Rh二进制平衡相图，24，2.3.1几何高密度相稳定性，下表列出了原子大小相对差异，地层能量，外部电子s，d轨道能量差异和负电这些参数是比较CuRh和CuPt的一些参数，负电性和s，d轨道的能量差异没有太大区别，但是最终的晶体结构是相当不同的。注：原子大小相对差异/=2(aa-ab)/(aa-ab)；结合能量为 h。s轨道能量差为es (a)-es (b)。d轨道能量差为ed (a)-ed (b)。负电不良是cA-cB。利用25，2.3.1几何高密度相稳定性、晶体结构的电子结构和基态性质计算的第一原理，说明了晶体结构的选择倾向，得到了一定的结果。根据结合能最低、结构最稳定的原则，两个原子的原子比例均为50%时，稳定的晶体结构分别为L10、B2、L11。，由Cu-Au、Cu-Pd和Cu-Pt二元合金形成的化合物的基态结合能，26，2.3.2拓扑高密度相稳定性，拓扑高密度相仅仅四面体间距，八面体间距无。要得到只有纯四面体间隙的这种长路径规则的排列，必须有两个大小不同的原子，因此原子大小因素是相位分布紧密的相位的主要形成条件。此外，由于相位稠密的原子间距很短，原子的外电子之间的相互作用很强，因此可能产生电子迁移，电子浓度因素往往起着重要的作用。27，2.3.2拓扑高密度相稳定性，化学AB2岁结构MgCu2相，MgZn2相，MgNi2相。原子大小因素的影响理论Laves上a原子和b原子的半径比率：实际上，这个比率大约在1.05到1.68的范围内，不同原子之间的电子移动引起a原子和b原子的膨胀和压缩，使实际的原子半径接近理论值。下面的活相描述，28，2.3.2拓扑高密度相稳定性，电子浓度的影响电子浓度约为1.331.75范围的MgCu2结构，1.81.9范围的MgNi2结构，1.82.0范围的MgZn2结构。29，2.3.2拓扑高密度相稳定性，原子大小因素和电子浓度因素决定结构只有定性预测，定量预测不到。表征晶体结构的参数必须是能量单位(ev/atom)，表征不同原子连接的参数也必须是能量单位(ev/atom)。计算公式：30，3金属间化合物的电子理论3.1金属间化合物的结合形式的金属间化合物是金属和陶瓷之间的化合物，结合键是金属和共价键(或离子键)的中间，主要是金属键共化学键电子和原子核的相互作用，光栅中异质原子之间电子的密度更大，但没有形成方向性键。典型的例子是电子化合物和高密度相KNa2。31，3.1金属间化合物的耦合形式的金属耦合包括部分定向共价。例如，Ni3Al的键由Ni原子3d电子部分拥有形成的金属键和Ni原子3d电子和Al原子3p电子形成的方向共享键组成。可用作结构材料的金属间化合物大部分都有这种电子结构。32，3.1金属间化合物的耦合形式的离子结合和/或共价键阳离子通过电子的转移(离子结合)和/或电子的共同(共价键)形成稳定的8电子组成ns2rp 6的电子结构。这种化合物也称为价化合物，主要表示非金属或半导体的特性。典型的示例包括MgSe、Mg2Si。33，3.1金属间化合物的结合形式的前两种金属间化合物在化学式规定成分的两侧通常都有一定的成分范围，后一种金属间化合物在化学式规定成分的两侧没有成分范围。主要研究方向是第二类金属间化合物。34，3.2合金的基态特性，能量最低的量子状态称为基态，合金的基态满足能量最小原理和暴力不相容原理，在T=0k时表示合金的状态。合金的基态特性包括形成能、结合能、电荷密度和状态密度。形成能量是指原子由元素状态形成化合物时释放的能量，表示这种合金化合物冶炼形成的能力的好坏。键通常是指孤立原子结合成稳定的晶体过程中释放的能量，或者是指将晶体分离成无限远的孤立原子所需的能量，也就是原子间键的强弱，也就是材料的稳定性。作为35，3.2合金的基态性质，电荷密度表示电子云在合金内空间位置的分布，即电子波函数绝对值的平方。通过电荷密度分析，可以看到原子构成价晶物质的过程中结合电荷的空间分布形式。36，3.2合金的基态特性，状态密度(DOS)表示能带结构单位能量间距范围内的能量系列。总状态密度(DOS)和局状态密度(PDOS)、Ti3Al化合物(L019类型)的状态密度、DOS、PDOS、37，3.3合金有序电子结构方法以及金属间化合物的电子结构(电子结构)决定了键的形式。电子轨迹相互重叠，形成带，导致复杂的带结构和电子交换，可以产生多种耦合键，大部分金属键包括部分方向共享键、第一原理(First-Principles)、固体和分子经验电子理论(EET)、线性Muffin-tin电位法(luf fin-tin performance)，38，3.3.1第一原理，第一原理计算方法也称为“abinitio”。基本想法是，将由多个原子组成的体系理解为由电子和原子核组成的多个粒子系统，然后求解这个多粒子系统的薛定谔方程，得到描述系统状态的波函数和相应的固有能量的两个结果，理论上可以推导系统的所有特性。计算系统的总能量、电子结构等。39，3.3.1第一原理，第一原理计算方法也称为“abinitio”。基本想法是，将由多个原子组成的体系理解为由电子和原子核组成的多个粒子系统，然后求解这个多粒子系统的薛定谔方程，得到描述系统状态的波函数和相应的固有能量的两个结果，理论上可以推导系统的所有特性。计算系统的总能量、电子结构等。40，3.3.1第一性原理，固定状态薛定谔方程，构成固体的所有粒子(即原子核和电子)在不随时间变化的恒定势场中运动，因此哈密顿算符h与时间无关，粒子的波函数也不包含时间变量，因此粒子在空间中的概率分布在时间，41，3.3.1第一原理，多粒子系统(电子核)的薛定谔方程的哈密顿算符h为：42，3.3.1第一原理，在第一原理计算中隐式地有三个基本近似值：非相对论近似、绝热近似和单个电子近似。非相对论近似法指向第一性的原理，它将电子的质量固定为静止质量m0，这仅在非相对论的条件下成立。绝热近似是将原子价体系的核运动与电子运动方程分开处理的，电子可以看作准静态核的平均势场运动。单电子近似主要是为了简化计算，将多电子之间的相互作用视为单电子作用的叠加，这意味着在此转换过程中应用于Hartr