2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体的概念及其特性.pptx

《2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体的概念及其特性.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体的概念及其特性.pptx（13页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、晶体的概念及其特性晶体的概念及其特性概概 念：念：晶晶 体：规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。长程有序性、体：规则结构，分子或原子按一定的周期性排列。长程有序性、有固体的熔点。例如：水晶、岩盐有固体的熔点。例如：水晶、岩盐非晶体：非规则结构，分子或原子的排列没有明确的周期性。短程有非晶体：非规则结构，分子或原子的排列没有明确的周期性。短程有序性，没有固定的熔点。序性，没有固定的熔点。例如：玻璃、橡胶例如：玻璃、橡胶准晶体：有长程的取向序但没有长程的平移对称序（长程周期性）。准晶体：有长程的取向序但没有长程的平移对称序（长程周期性）。取向序具有晶体周期性所不允许的点群对称性。例如：取向序具

2、有晶体周期性所不允许的点群对称性。例如：Al-MnAl-Mn合金合金1-11-1 晶体的概念及其特性晶体的概念及其特性1-11-1 晶体的概念及其特性晶体的概念及其特性晶体特性：晶体特性：物物 理：理：*固定熔点（熔化时，晶态固体的长程有序解体时对应一定的熔点）固定熔点（熔化时，晶态固体的长程有序解体时对应一定的熔点）*原子排列长程有序（微米量级的范围是有序排列的）原子排列长程有序（微米量级的范围是有序排列的）*解理性解理性 （SiSi的解理面为的解理面为(111)(111)）几何外形：几何外形：*最显著的特点是晶面有规则、对称地配置最显著的特点是晶面有规则、对称地配置*凸多面体，晶棱平行，晶

3、面夹角守恒凸多面体，晶棱平行，晶面夹角守恒*一个理想完整的晶体，相应的晶面的面积相等一个理想完整的晶体，相应的晶面的面积相等u金刚石：复式面心立方结构，最坚硬固体，绝缘体金刚石：复式面心立方结构，最坚硬固体，绝缘体u石墨：层状结构，质软，润滑性好，导体石墨：层状结构，质软，润滑性好，导体u石墨烯：单层碳原子，优异电输运性能石墨烯：单层碳原子，优异电输运性能晶体结构决定物理性能！晶体结构决定物理性能！金刚石金刚石石墨石墨石墨烯石墨烯1-11-1 晶体的概念及其特性晶体的概念及其特性u怎样描述不同的晶体结构？每一个原子的坐标都写出来？原子数怎样描述不同的晶体结构？每一个原子的坐标都写出来？原子数目

4、目10102323cmcm-3-3量级，不可行！寻找规律！量级，不可行！寻找规律！u规律：金，银，铜虽然化学成分不同，如果不查究其化学成分，即不规律：金，银，铜虽然化学成分不同，如果不查究其化学成分，即不管原子是金或银还是铜，不管原子之间间距的大小，那他们是完全相管原子是金或银还是铜，不管原子之间间距的大小，那他们是完全相同的，就是他们的结构完全相同！同的，就是他们的结构完全相同！u数学方法抽象描写：不区分物理、化学成分，数学方法抽象描写：不区分物理、化学成分，每个原子都是不可区分每个原子都是不可区分的的，只有原子（数学上仅仅是一个几何点）的相对几何排列有意义。，只有原子（数学上仅仅是一个几何

5、点）的相对几何排列有意义。金刚石（立方）金刚石（立方）石墨（六方）石墨（六方）石墨烯（六方）石墨烯（六方）晶格：晶体中原子排列的具体形式一般称为晶体格子，简称为晶格。晶格：晶体中原子排列的具体形式一般称为晶体格子，简称为晶格。理想晶体：实际晶体的数学抽象理想晶体：实际晶体的数学抽象以完全相同的基本结构单元（基元）规则地，重复的以完以完全相同的基本结构单元（基元）规则地，重复的以完全相同的方式无限地排列而成全相同的方式无限地排列而成格点（结点）：基元位置，代表基元的几何点格点（结点）：基元位置，代表基元的几何点晶格（点阵）：格点（结点）的总和晶格（点阵）：格点（结点）的总和原子种类和间距不同，但

6、有相同的原子种类和间距不同，但有相同的排列规则排列规则，则这些原子，则这些原子构成的晶体具有相同的晶格构成的晶体具有相同的晶格简立方简立方(cubic)(cubic)，面心立方，面心立方(fcc),(fcc),体心立方体心立方(bcc),(bcc),六方六方(hcp)(hcp)点阵点阵基元基元晶体晶体晶体结构晶体结构 =点阵（数学几何点）点阵（数学几何点）+基元（物理）基元（物理）p 原胞原胞(Primitive cell)：晶格的：晶格的最小周期性单元最小周期性单元。又称初基晶胞。又称初基晶胞。p 基矢：基矢：原胞原胞的边矢量的边矢量p 单胞单胞(Unit cell)：晶体学中，为了：晶体学

7、中，为了反映晶格的对称性反映晶格的对称性，选取较，选取较 大的周期性单元，又称晶胞。大的周期性单元，又称晶胞。单胞不一定单胞不一定是原胞是原胞原胞选取不唯一原胞选取不唯一，但有习，但有习惯的选取方式。如三维晶惯的选取方式。如三维晶格原胞通常是格原胞通常是平行六面体平行六面体。晶格周期性的描述：原胞和基矢晶格周期性的描述：原胞和基矢原胞是最小周期性单元，将原胞沿着基矢进行平移便可填充整个空间得到相应晶体。原胞是最小周期性单元，将原胞沿着基矢进行平移便可填充整个空间得到相应晶体。之所以在原胞之上选取了更大的单胞作为研究对象，是因为单胞能更好的反映晶体之所以在原胞之上选取了更大的单胞作为研究对象，是

8、因为单胞能更好的反映晶体的对称性，这会在我们分析问题时提供便利。的对称性，这会在我们分析问题时提供便利。p 以某个格点为中心，作其与邻近格点的中垂面，这些以某个格点为中心，作其与邻近格点的中垂面，这些中垂面所包含最小体积的区域为中垂面所包含最小体积的区域为维格纳维格纳-赛兹原胞赛兹原胞p 对称性原胞，不依赖于基矢的选择，与相应的布拉伐对称性原胞，不依赖于基矢的选择，与相应的布拉伐格子有完全相同的对称性格子有完全相同的对称性特点：特点：1.1.仅仅包包含含一一个个格格点点，体体积积与与惯用原胞相等惯用原胞相等2.2.保留了晶格所有的对称性保留了晶格所有的对称性3.3.平平常常很很少少用用，在在能

9、能带带理理论论中对应布里渊区中对应布里渊区Wigner-Seitz 原胞原胞简单立方晶格简单立方晶格(Simple Cubic)如何判断所选取的原胞是正确的，即最小周期单元？如何判断所选取的原胞是正确的，即最小周期单元？计算原胞体积所对应的原子数计算原胞体积所对应的原子数。原胞中只包含原胞中只包含一个一个原子原子基矢基矢原胞体积原胞体积一些简单的晶格一些简单的晶格原胞基矢原胞基矢原胞体积原胞体积单胞基矢单胞基矢单胞体积单胞体积单胞内原子数：单胞内原子数：4 4原胞内原子数：原胞内原子数：1 1单胞内原子的单胞内原子的分数坐标：分数坐标：（0,0,00,0,0）(1/2,0,1/2)(1/2,0

10、,1/2)(1/2,1/2,0)(1/2,1/2,0)(0,1/2,1/2)(0,1/2,1/2)面心立方晶格面心立方晶格(Face-centered Cubic)一些简单的晶格一些简单的晶格单胞内原子数：单胞内原子数：2 2原胞内原子数：原胞内原子数：1 1原胞基矢原胞基矢原胞体积原胞体积单胞基矢单胞基矢单胞体积单胞体积单胞内原子的分数坐标：（单胞内原子的分数坐标：（0,0,00,0,0）(1/2,1/2,1/2)(1/2,1/2,1/2)一些简单的晶格一些简单的晶格体心立方晶格体心立方晶格(Body-centered Cubic)六角密排晶格的原胞和单胞一样六角密排晶格的原胞和单胞一样*一个原胞中包含一个原胞中包含A A层层 和和B B层原子各一个层原子各一个*共两个原子共两个原子基矢：基矢：一些简单的晶格一些简单的晶格六角密排晶格六角密排晶格(Close-packed Hexagonal Lattice)什么是固体？什么是固体？研究固体的思路？复杂到简单研究固体的思路？复杂到简单为什么从研究晶体开始？为什么从研究晶体开始？原胞的选取唯一吗？原胞的选取唯一吗？