福州大学 固体物理 第二章

晶体结构深入探讨晶体材料的微观结构,了解其独特的原子排列方式及其对材料性能的影响。掌握晶体结构分类和表征方法,为后续学习提供坚实基础。byJerryTurnersnull2.1晶体的定义什么是晶体?晶体是原子、离子或分子有规律地排列成的固体物质,具有长程有序的结构。晶体常见于自然界,也可以人工制造。晶体的结构特点晶体的原子或离子以有序的方式排列在三维空间中,形成重复的周期性结构,这是晶体与非晶态物质的主要区别。晶体的分类根据结构不同,晶体可分为离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体等几类。不同晶体有不同的性质和用途。2.2晶体的对称性晶体对称性是晶体结构的一个重要特征。晶体具有各种不同的点群对称性,如球形、柱形、菱形等。这些对称性决定了晶体的物理性质,如晶格常数、热膨胀系数、光学性质等。通过分析晶体的对称性,可以更深入地理解晶体的结构和性质。晶体结构的点群对称性可通过进行分析和描述。立方晶系、六方晶系等不同晶系具有不同的对称性,反映在晶体的外形、内部结构和性质上。了解晶体的对称性对于深入理解晶体的性质和应用至关重要。2.3晶体的基本晶格1原子排列规律晶体是由规则排列的原子组成的固体物质,其中原子以特定的几何排列方式连接在一起,形成重复单元。2基本单胞在晶体的3维空间中,可以通过少量重复单元来描述全部原子的排列。这些重复单元称为基本单胞,是描述晶体结构的基本单元。3晶格类型根据基本单胞中原子的排列方式,晶体可分为立方晶格、正交晶格、菱形晶格、三斜晶格等基本类型。2.4布拉维晶格布拉维晶格是一种最基本的晶体结构。它是由平移对称性操作构成的三维规则网格,可以完全描述一个晶体的空间排布。布拉维晶格具有简单的几何结构和高度对称性,是揭示晶体结构的重要基础。晶格参数的确定确定晶格参数是晶体结构分析的关键步骤。主要方法包括X射线衍射、电子衍射等。通过分析样品衍射图谱可精确获取各晶格常数、晶胞体积等信息。配合已有的结构数据可进一步确定晶体的空间群、原子排列等细节。2.6晶体的点阵晶体的基本结构晶体由规则重复排列的原子、分子或离子组成,这种周期性的三维空间排列结构称为晶体点阵。点阵是描述晶体结构的基本单元。晶体点阵的分类根据原子或离子在晶胞中的排列方式,晶体点阵可分为简单立方、体心立方和面心立方等基本类型。每种类型都有其特点和应用。晶格参数的确定描述晶体结构的六个基本参数,包括晶胞的长度a、b、c和角度α、β、γ,可用来鉴定和区分不同种类的晶体。晶体点阵的缺陷晶体点阵中可能存在空位、嵌入原子和位错等缺陷,这些缺陷会影响晶体的性能,在材料设计和制造中需要加以控制。晶体的空间群空间群的定义晶体的空间群是描述晶体结构的对称性的一种数学方法。它定义了晶体单胞内各原子的相对位置以及可能的晶格变换操作。空间群的分类根据平移、旋转、镜像等对称元素的组合方式，共有230种不同的空间群。它们被编号并命名为国际柱晶系符号。空间群的应用空间群为晶体学研究提供了标准化的分类方法,有助于分析晶体的结构、性质以及晶体生长过程。它在材料科学、化学等领域广泛应用。空间群与对称性空间群描述了晶体结构的各种对称性,如旋转、镜面、滑动镜等,这些对称性决定了晶体的物理性质。晶体的基本类型1晶体系统晶体可以分为7大晶体系统:立方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、菱面晶系、四方晶系、六方晶系。每种晶系都有其独特的晶胞参数和对称操作。2晶胞形状晶胞的形状反映了晶体的对称性,有立方体、平行六面体、棱柱、斜方体等几何形状。不同的晶体系统具有不同的晶胞形状。3晶体点阵晶体的空间结构可以用14种布拉维晶格来表示,如简单立方晶格、体心立方晶格、面心立方晶格等。不同的点阵代表不同的原子排列。4晶体类型根据化学成分和原子结构,晶体可分为离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体等基本类型。它们在性质和结构上有明显差异。2.9晶体的缺陷1点缺陷原子空位、间隙原子、杂质原子2线缺陷螺旋位错、边位错3面缺陷晶界、孪晶界、堆垛错误4体缺陷空洞、裂纹、夹杂物晶体的缺陷是指晶体结构中存在的各种偏离理想状态的结构缺陷。这些缺陷会影响晶体的性质和性能,包括机械、电子、光学等特性。我们需要了解不同类型的晶体缺陷,并掌握检测和控制这些缺陷的方法,以优化晶体材料的性能。2.10晶体的热膨胀1热膨胀系数衡量材料在升温后体积增大的程度2热膨胀效应温度升高会使晶体晶格参数增大3影响因素化学键类型、晶格结构、温度范围等晶体的热膨胀是一个重要的热力学性质,反映了晶体在温度变化下的体积变化特征。热膨胀系数是表征热膨胀效应的重要参数,不同材料的热膨胀系数存在显著差异。影响热膨胀的主要因素包括化学键类型、晶格结构以及温度范围等。合理控制热膨胀可以提高材料的使用性能。2.11晶体的弹性300GPa弹性模量晶体的弹性模量通常在300GPa左右,是非晶体材料的数倍。这反映了晶体内原子之间强劲的键合力。180GPa剪切模量晶体的剪切模量通常在180GPa左右,也是非晶体材料的数倍。这使得晶体具有出色的抗变形能力。晶体的弹性特性主要由晶格中原子之间的化学键决定。强键合使得晶体在小应变下表现出高度的弹性,可以承受大的外力而不会发生塑性变形。晶体的弹性模量和剪切模量都远高于非晶体材料。晶体的声波声波传播晶体内部的原子振动会产生声波,可沿晶格中不同方向传播。声波传播速度取决于晶体的种类和结构。声子分散关系晶体中的声波涨落可用声子分散关系来描述,反映了声波在不同频率下的传播特性。声波应用晶体的声波性质可用于设计声学器件,如晶体声波滤波器和声波放大器等,在信息技术中有广泛应用。2.13晶体的导电性晶体的导电性主要取决于其原子结构和电子构型。不同类型的晶体具有不同的导电机制,分为金属性晶体、半导体晶体和绝缘体晶体三大类。金属性晶体由自由电子组成,具有很高的导电性。半导体晶体则需要施加外加电场或热能才能产生自由载流子,导电性介于金属和绝缘体之间。绝缘体晶体则几乎不含自由电子,导电性极低。晶体的光学性质光学畴晶体的光学畴反映了晶体结构的对称性,决定了晶体的光学各向异性和复折射等光学性质。折射率晶体的折射率是描述光在晶体中传播的一个重要参数,与晶体的化学组成和密度有关。双折射一些晶体具有双折射性质,能使光线发生偏折,形成两束相互垂直的折射光线。晶体的磁性晶体内部原子的磁矩排列形成的整体性磁性行为,是研究晶体物理性质的重要内容。不同类型的磁性存在于各种晶体材料中,对晶体的应用具有重要意义。2.16晶体的超导性零电阻超导体在临界温度以下表现出完美导电性,电阻为零,电流可以在内部无损耗地流动。磁场排斥超导体在临界磁场以下会完全排斥外部磁场,表现出完美的抗磁性。量子效应超导现象涉及量子力学效应,如德布罗意波、量子干涉和量子隧穿等。2.17晶体的相变晶体的相变指晶体从一种结构或状态转变为另一种结构或状态的过程。这可以包括相图中晶体从固态到液态或气态的转变,也可以是某些特殊条件下结构参数的变化,如温度或压力升高导致的相变。相变过程通常伴随着体积、密度、热力学性质等参数的不连续变化,这种不连续变化称为一阶相变。有时相变也可能是连续的,称为二阶相变。晶体相变的机理是基于晶格畸变和原子重排的微观过程。晶体的生长1种子晶核形成晶体生长的第一步是形成种子晶核,这需要通过控制温度、压力和成分等因素来实现。种子晶核是后续晶体生长的基础。2晶体表面积的增长在种子晶核形成后,溶质原子会在晶体表面吸附并有序排列,使晶体的表面积不断增大。这个过程需要精细调控生长条件。3晶体内部的完善随着生长过程的进行,晶体会逐步趋于完美,内部缺陷和应力也会得到缓解。优化生长条件对此至关重要。晶体的表征晶体结构的表征是晶体科学研究的核心内容之一。现代先进的表征技术,如X射线衍射、电子显微镜、扫描探针显微镜等,可以精确地测定晶体的晶格参数、原子排布、缺陷结构等,是了解晶体性质的重要手段。这些表征手段在材料科学、凝聚态物理等领域广泛应用,推动了相关学科的发展。2.20晶体的应用晶体材料在电子、光学、机械等领域有着广泛应用。电子行业中,晶体可用作电子管、集成电路、电子器件等的关键材料。在光学领域,晶体可制作激光器、光学传感器、显示屏等。此外,晶体还可用作传感设备、微电子机械系统(MEMS)等的基础材料。2.21本章小结晶体多样性本章全面介绍了晶体的各种性质和结构特征,涵盖了从基本晶格到