《晶体学基础》课件.ppt

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1、晶体的结构和性质晶体的结构和性质第一节 晶体的结构1、晶体的分类、晶体的分类 按来源分为：按来源分为：天然晶体（宝石、冰、天然晶体（宝石、冰、砂子等）砂子等）人工晶体（各种人工晶体材料等）人工晶体（各种人工晶体材料等）一、晶体的分类一、晶体的分类按成键特点分为：按成键特点分为：原子晶体：金刚石原子晶体：金刚石 离子晶体：离子晶体：NaCl 分子晶体：冰分子晶体：冰 金属晶体：金属晶体：Cu 晶体的定义晶体的定义“晶体是由原子或分子在空间按一定规律晶体是由原子或分子在空间按一定规律周周期性期性地重复排列构成的固体物质。地重复排列构成的固体物质。”注意：注意：（1 1）一种物质是否是晶体是由其内部

2、结）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；构决定的，而非由外观判断；（2 2）周期性是晶体结构最基本的特征。）周期性是晶体结构最基本的特征。晶体不仅与我们的日常生活密不可分，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用。晶体的外观和性质都是由其内部结构决定的：构决定的：决定决定 结构结构 性能性能 反映反映图片图片图片图片2图片图片3图片图片4图片图片5BBO晶体二、晶体性质二、晶体性质 均匀性均匀性各向异性各向异性自发地形成多面体外形自发地形成多面体外形 F+V=E+2 F+V=

3、E+2 其中，其中，F-F-晶面，晶面，V-V-顶点，顶点，E-E-晶棱晶棱有明显确定的熔点有明显确定的熔点有特定的对称性有特定的对称性使使X X射线产生衍射射线产生衍射三、晶体的点阵结构三、晶体的点阵结构概念：在晶体内部原子或分子概念：在晶体内部原子或分子周期性周期性地排列地排列的每个重复单位的相同位置上定一个点，这的每个重复单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律排列在空间，这些点些点按一定周期性规律排列在空间，这些点构成一个构成一个点阵点阵。点阵是一组无限的点，连结。点阵是一组无限的点，连结其中任意两点可得一矢量，将各个点阵按此其中任意两点可得一矢量，将各个点阵按此矢量平移能使它

4、复原。点阵中每个点都具有矢量平移能使它复原。点阵中每个点都具有完全相同的周围环境完全相同的周围环境。结构基元：结构基元：在晶体的点阵结构中每个点阵所代在晶体的点阵结构中每个点阵所代表的具体内容，包括原子或分子的表的具体内容，包括原子或分子的种类和数量及其在空间按一定方式种类和数量及其在空间按一定方式排列的结构。排列的结构。晶体结构晶体结构=点阵点阵+结构基元结构基元（1）直直线线点点阵阵（2）平平面面点点阵阵（3 3）晶胞）晶胞空间点阵必可选择空间点阵必可选择3 3个个不相平行不相平行的连结相邻两个的连结相邻两个点阵点的点阵点的单位矢量单位矢量a a，b b，c c，它们将点阵划分成，它们将点

5、阵划分成并置的平行六面体单位，称为点阵单位。相应地，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。矢量位称为晶胞。矢量a a，b b，c c的长度的长度a a，b b，c c及其相及其相互间的夹角互间的夹角，称为点阵参数或晶胞参数。称为点阵参数或晶胞参数。晶胞结构图晶胞结构图 晶胞晶胞晶晶胞胞与与晶晶格格晶胞的划分晶胞的划分对称性对称性 晶系晶系 正当晶胞正当晶胞正当晶胞正当晶胞素晶胞：含素晶胞：含1个结构基元个结构基元复晶胞：含复晶胞：含2个以上结构基元个以上结构基元晶胞的二个要素晶胞的二个要素晶胞

6、的二个基本要素：晶胞的二个基本要素：一是晶胞大小和形状；一是晶胞大小和形状；二是晶胞中各原子坐标位置。二是晶胞中各原子坐标位置。晶胞大小和形状可用晶胞参数表示；晶胞大小和形状可用晶胞参数表示；晶晶 胞中原子位置可用分数坐标表示。胞中原子位置可用分数坐标表示。原子分数坐标原子分数坐标晶体中原子的坐标参数是以晶胞的晶体中原子的坐标参数是以晶胞的3 3个轴个轴 作为坐标轴，以作为坐标轴，以3 3个轴的轴长作为坐标轴个轴的轴长作为坐标轴 单位的单位的:因为因为x x、y y、z z 1 1，所以我们将，所以我们将x x、y y、z z定定 义为分数坐标。义为分数坐标。晶胞知识要点晶胞知识要点晶胞一定是

7、一个平行六面体，其三边长度晶胞一定是一个平行六面体，其三边长度a,b,c不一定相等，也不一定垂直。不一定相等，也不一定垂直。整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间整个晶体就是由晶胞周期性的在三维空间并置堆砌而成的。并置堆砌而成的。划分晶胞要遵循划分晶胞要遵循2个原则：一是尽可能反个原则：一是尽可能反 映映晶体内结构的对称性；二是尽可能小。晶体内结构的对称性；二是尽可能小。并置堆砌并置堆砌 整个晶体就是由整个晶体就是由晶胞周期性的在晶胞周期性的在三维空间并置堆三维空间并置堆砌而成的。砌而成的。晶胞种质点个数的计算晶胞种质点个数的计算第二节、晶体结构的对称性第二节、晶体结构的对称性一、晶体的对称性一

8、、晶体的对称性1 1 晶系晶系 根据晶体的对称性，按有无某种特征对称元素根据晶体的对称性，按有无某种特征对称元素为标准，将晶体分成为标准，将晶体分成7 7个晶系：个晶系：1.1.立方晶系立方晶系(c c)：在立方晶胞在立方晶胞4 4个方向体对角线个方向体对角线上均有三重旋转轴上均有三重旋转轴(a=b=ca=b=c,=90),=90)2.2.六方晶系六方晶系(h h)：有有1 1个六重对称轴个六重对称轴(a=ba=b,=90,=120)=90,=120)1 1晶系晶系3.3.四方晶系四方晶系(t)(t)：有有1个四重对称轴个四重对称轴(a=b,=90)4.4.三方晶系三方晶系(h)(h)：有有1

9、个三重对称轴个三重对称轴(a=b,=90,=120)5.5.正交晶系正交晶系(o)(o)：有有3个互相垂直的二重个互相垂直的二重对对称称轴轴或或2个互相垂直的个互相垂直的对对称面称面(=90)1 1 晶系晶系6.6.单斜晶系单斜晶系(m)(m)：有有1 1个二重对称轴或对称个二重对称轴或对称面面(=90(=90)7.7.三斜晶系三斜晶系(a)(a)：没有特征对称元素没有特征对称元素1 晶系晶系立方立方 Cubica=b=c,=90四方四方 Tetragonala=b c,=90正交正交 Rhombica b c,=90三方三方 Rhombohedrala=b=c,=90a=b c,=90 =1

10、20六方六方 Hexagonal a=b c,=90,=120单斜单斜 Monoclinic a b c =90,90三斜三斜 Triclinica b c =902 2 空间点阵型式空间点阵型式 3根据晶体结构的对称性，将点阵根据晶体结构的对称性，将点阵 空间的分布按正当单位空间的分布按正当单位形状的规定和带心型式进行分类，得到形状的规定和带心型式进行分类，得到14种型式：种型式：简单六方简单六方(hP)R心六方心六方(hR)简单四方简单四方(tP)体心四方体心四方(tI)简单立方简单立方(cP)体心立方体心立方(cI)面心立方面心立方(cF)简单三斜简单三斜(ap)简单单斜简单单斜(mP)

11、C心单斜心单斜(mC,mA,mI)简单正交简单正交(oP)C心正交心正交(oC,oA,oB)体心正交体心正交(oI)面心正交面心正交(oF)空间点阵型式要点空间点阵型式要点有素晶胞和复晶胞有素晶胞和复晶胞立方晶系：复晶胞：体心立方（立方晶系：复晶胞：体心立方（cI）、面）、面心立方（心立方（cF）和素晶胞：简单立方）和素晶胞：简单立方（cP）晶体结构的对称性晶体结构的对称性晶系晶系 空间点阵型式空间点阵型式晶胞类型晶胞类型堆积方式：堆积方式：A1,A3,A2,A4二、晶体结构的表达及应用二、晶体结构的表达及应用一般晶体结构需给出：一般晶体结构需给出：晶系晶系空间群（不作要求）空间群（不作要求）晶胞参数；晶胞参数；晶胞中所包含的原子或分子数晶胞中所包含的原子或分子数Z Z；特征原子的坐标特征原子的坐标密度计算密度计算晶体结构的基本重复单位是晶胞，只要将一个晶晶体结构的基本重复单位是晶胞，只要将一个晶胞的结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。胞的结构剖析透彻，整个晶体结构也就掌握了。利用晶胞参数可计算晶胞体积利用晶胞参数可计算晶胞体积(V)，根据相对分，根据相对分子质量子质量(M)、晶胞中分子数、晶胞中分子数(Z)和和Avogadro常数常数N，可计算晶体的密度可计算晶体的密度：