中科大材料科学课件03结晶固体的结构

第三章结晶固体的结构

材料性质不同成份：Be,Mg,Au,Ag相同成份：晶体与非晶体陶瓷与高分子：透明度C:diamond，graphite，C60诺贝尔化学奖(2000)诺贝尔物理奖(2000)晶体（crystal）晶体结构（crystalstructure）原子硬球模式（hard-spheremodel）晶格（lattice）

单位晶胞（unitcell）平行六面体（parallelepiped）最高层次对称（highestordersymmetry）金属晶体结构：原子键结无方向性最相邻原子数目与位置不受限制

面心立方晶体：4原子/立方单位晶胞最相邻原子数（配位数，coordinationnumber）：12原子堆积因子（atomicpackingfactor）=单位晶胞内原子体积/单位晶胞体积：0.74体心立方晶体：2原子/立方单位晶胞最相邻原子数：8原子堆积因子：0.68例一面心立方（face-centeredcubic,fcc）晶体体积V=a3(a)2+(a)2=(4R)2a2=8R2V=(8R2)3/2=16(2)1/2R3

例二面心立方晶体原子堆积因子Vc=a3=16(2)1/2R3Vs=4x4/3(pi)R3Vs/Vc=(2)1/23/(pi)=0.74

例三计算Cu晶体密度Cu晶体密度=nACu(VcNA)R=0.128nm,n=4,NA=6.023x1023atoms/molACu=63.5g/molVc=a3=16(2)1/2R3Cu晶体密度=8.89g/cm3表列值：8.94g/cm3

六方紧密堆积晶体：6原子/六方柱体单位晶胞c/a=1.633最相邻原子数：12原子堆积因子：0.74Cd,Mg,Ti,Zn同素异形体（polymorphism）

AllotropyforsolidC:diamond，graphite，C60Fe(γ)b.c.c.,Fe（α）f.c.cat9120C晶体系统单位晶胞组构或原子安排单位晶胞平行六面体形状晶格参数：a,b,c,α,β,γ立方、正方、长方、六方、菱方、单斜、三斜晶体方向：[uvw]同族方向：[100]、[010]、[001]、[-100]、[0-10]、[00-1]六方晶体：四指数系统[uvw]to[uvtw]Miller-Bravais命名法：晶体平面：(hkl)Miller氏命名法：晶面如与各晶轴之交点交于比例为l/h、l/k、1/l单位向量处，则该面称为(hkl)面;此处假设h、k、l无公约数。例四决定晶体方向例五画出晶体方向例六决定晶体平面例七画出晶体平面原子排列同族平面{100}：(100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)、(00-1)六方晶体：四指数系统(hkl)to(hkil)Miller-Bravais命名法：i=-(h+k)线性与平面原子密度紧密堆积晶体结构fcc：ABCABCABC﹒﹒﹒{111}hcp:ABABABABAB﹒﹒﹒(0001)例八计算BCC[100]方向线性原子密度4R=(3)1/2aLl

=a=4R/(3)1/2LD=Lc/Ll

=2R/(4R/(3)1/2)=0.866

例九计算FCC(110)平面原子密度AC=4R，AD=2R(2)1/2Ap=8R(2)1/2平面原子密度

=2(pi)R2/Ap=0.555晶质与非晶质材料单晶：自然或人工成长（Si,GaAs）复晶：晶粒与晶粒界异向性：机械性质、导电性、折射率等向性完全随意排列复晶：等向性优选方向（texture）X光绕射：决定晶体结构绕射：振幅与相位建设性（constructive）绕射破坏性（destructive）绕射

TheNobelPrizeinPhysics1914MaxvonLaue(1879-1960)"forhisdiscoveryofthediffractionofX-raysbycrystals"TheNobelPrizeinPhysics1915SirWilliamHenryBragg(1862-1942)WilliamLawrenceBragg(1890-1971)"fortheirservicesintheanalysisofcrystalstructurebymeansofX-rays"X光绕射与Bragg定律晶体绕射X光必要条件Bragg定律：nλ=2dhklsinθ必要条件但不充分绕射技巧X光绕射仪：X光源、试片、侦测器、绘图器单位晶胞大小、形状：绕射角度原子位置：绕射强度化学成份、残余应力、晶粒大小TheNobelPrizeinPhysics1937ClintonJosephDavisson(1881-1958)GeorgePagetThomson(1892-1975)"fortheirexperimentaldiscoveryofthediffractionofelectronsbycrystals"非晶质固体

amorphous:withoutform过冷液体SiO2金属玻璃：快速冷却高分子：完全晶质或非晶质、混合TheNobelPrizeinPhysics1986ErnstRuska(1906-1988)"forhisfundamentalworkinelectronoptics,andforthedesignofthefirstelect