晶体结构解析.pptx

《晶体结构解析.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶体结构解析.pptx（51页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、固体晶体:非晶体:准晶体:长程有序不具有长程序的特点,短程有序。有长程取向性，而没有长程的平移对称性。单晶体多晶体至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。长程有序长程有序:2.1.1 固体分类(按结构)第1页/共51页(a)a)晶体结构的规则网格 非晶体中原子排列不具有长程的周期性，但基本保留了原子排列的短程序，即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离(键长)、近邻原子配置的几何方位(键角)都与晶体相近。(b)b)非晶体结构的无规则网格第2页/共51页(c)(c)Penrose)Penrose拼接图案 准晶体具有长程的取向序，但没有长程的平移对称序，可以用Penrose拼接图案显示其结构特点

2、。第3页/共51页2.1.2 晶体的分类晶 体按晶胞分立方晶系六方晶系四方晶系三方晶系正交晶系单斜晶系三斜晶系按对称性分立方体六方体按功能分导体 半导体绝缘体磁介质电介质超导体按结合方式分分子晶体离子晶体共价晶体金属晶体氢键晶体第4页/共51页2.2 结晶学原胞 晶系晶轴、晶向与晶面第5页/共51页晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶轴方向，固体物理学中选取的原胞，不是任意重复单元，基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞简立方(SCSC)体心立方(BCCBCC)面心立方(FCCFCC)第6页/共51页晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵（CrystalS

3、ystemandBravaisLattice）七个晶系，14种布拉菲原胞晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinicabc，单斜 Monoclinicabc，=90正交(orthorhombic)abc，=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90，=120菱方 Rhombohedrala=b=c,=90 四方（正方）Tetragonala=bc,=90 立方 Cubica=b=c，=90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方第7页/共51页简单三斜简单单斜底心单斜返回返回单斜 Monoclinic

4、abc，=90第8页/共51页底心正交简单正交面心正交体心正交返回返回 正交 abc，=90第9页/共51页简单菱方简单六方简单四方体心四方返回返回第10页/共51页简单立方体心立方面心立方返回返回第11页/共51页2.3、常见电子材料的晶体结构（1 1）、氯化钠结构（配位数）、氯化钠结构（配位数 4 4：4 4）两个面心立方子晶格,各自的原胞具有相同的基矢,只不过有互相的位移。第12页/共51页可以看出，Na+FCC结构固体物理学原胞：角上放置Na+内部包含一个Cl-原胞中包含一个Na+,Cl-.原子（离子）个数：第13页/共51页（2）、氯化铯结构（8:8）Cl-和Cs+各自组成简立方结构

5、的子晶格。氯化铯结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方空间对角线位移1/2的长度套构而成。固体物理学原胞是简立方，每个原胞中包含两个原子。固体物理学的观点：说结构，取原胞都是对布喇菲格子而言。（考虑对称性）第14页/共51页（3）、金刚石结构(Si,Ge)(4:4)面心立方原胞内还有4个原子，这4个原子分别位于空间对角线的1/4处碳四面体结构C一种原子，二个位置。半导体材料：锗Ge,硅Si.与金刚石结构相同。金刚石结构是个复式格子，由两个面心立方子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成的。第15页/共51页（4）、闪锌矿结构(ZnS,GaAS)硫和锌分别组成面心立方的子晶格。而沿空间对角

6、线位移1/4的长度套构而成。化合物半导体：锑化铟，砷化镓，磷化钼第16页/共51页Diamond Structure and Zinc Blend Structure第17页/共51页（5）、纤锌矿结构（六方，Wurtzite,ZnS,4:4）第18页/共51页 纤维锌矿是闪锌矿的同素异构体。在纤维锌矿的结构中，S2位于整个六方柱大晶胞的各个角顶和底心以及由六力柱划分出的6个三方柱中，相间的3个三方柱的轴线上，Zn2+则位于各个三方柱的棱上及相同的3个三方柱之轴线上。这种排列形式相当于S2-构成简单六方紧密堆积，而Zn2+则填塞于半数的四面体隙中。即每个原于均处于异种原于构成的正四面体中心，如

7、图所示。两者的配位数均等于4。第19页/共51页第20页/共51页（6）、萤石型结构（M:O=8:4,Calcium Fluorite Structure,ZrO2,CaF2）第21页/共51页Fluorite Structure萤石型结构。萤石型晶格结构的配位数为M：O8：4，正离子按面心立方密堆排列两个负离子也按同样的面心立方点阵排列，但沿空间对角线方向，其中一组向正方向移动14体对角线长，另一组向反方向移动14体对角线良相互套构而成。空间结构中负离子的面心立方间隙的1/2为正离子所填充，或者说是负离子处于所有正离子的四面体间隙之中。在这种结构中，由于有1/2的简立方间隙未填，故结构是不够

8、紧密的。ZrO2,正是利用这种特点，其氧离子易于在晶格中扩散ZrO2可用以制作燃料电池(fuelcells)或其他离子电导型的隔板。第22页/共51页补充资料：固体氧化物燃料电池材料（SOFC）单体燃料电池主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuelelectrode)、阴极或空气极(cathode，airelectrode)和连接体(interconnect)组成。电解质是电池核心，电解质性能直接决定电池工作温度和性能。目前大量应用于SOFC的电解质是全稳定ZrO2陶瓷。在ZrO2中掺入某些二价或三价金属氧化物(如CaO，Y2O3)，低价金属离子占据了Z

9、r4+位置，结果使ZrO2从室温到高温(1000)都有稳定的相结构(萤石结构)，而且由于电中性要求，在材料中产生了大量的O2-空位，因而大大增加了ZrO2的离子电导率，同时扩展了离子导电的氧分压范围。目前常用Y2O3稳定ZrO2(简称YSZ)为电解质材料，其离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显变化。第23页/共51页SOFC反应过程阳极反应：H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-阴极反应:O2+4 e-2 O2-第24页/共51页第25页/共51页（7）、金红石结构（Rutile）金红石晶体中质点坐标是：Ti4+0 0 0，1/2 1/2 1/2；O2-u u 0，

10、(1-u)(1-u)0，(1/2+u)(1/2-u)1/2，(1/2-u)(1/2+u)1/2，其中u=0.31。第26页/共51页金红石型品格结构。金红石型品格结构的配位数为M：O6：3，正离子按体心四方点阵排列，两个负离子也按体心四方点阵排列，这是因为正、负离子沿底面对角线方向分别移动面对角线长套构而成，其中u0.31。这样一来，正离子恰好处于氧八面体之中心，相邻八面体之间也只共用两棱边。通过分析，显然这种结构是不够紧凑的。正由于这样，在还原件气氛下烧结具有金红石结构的TiO2，CeO2等，或更高价离子掺杂所形成的过量正离子，往往会分布于结构的间隙位置之中。第27页/共51页（8）、钙钛矿

11、结构（12：6：6）钛酸钙BaTiO3,PaTiO3,PbZrO3,CaTiO3介电晶体：钛酸钡BaTiO3；铌酸锂PbZrO3；锆酸铅LiNbO3钽酸锂LiTaO3铁电晶体 对于PaTiO3，高于120 C，铁点性消失（由铁电相四方结构顺电相立方结构）。第28页/共51页钛酸钡的晶体学原胞 钡在顶角 钛在体心 周围情况不同，三组氧(OI,OII,OIII)共有5个简立方格子套构而成，称为钙钛矿结构OI,OII,OIII连接成等边三角形氧八面体：每个原胞有8个这样的三角形面，围成八面体Ti在八面体的中心，Ba在八面体的间隙里。钙钛矿型化学式：ABO3铁氧体（具有亚铁磁性）也具有氧八面体，但非钙

12、钛矿型。第29页/共51页第30页/共51页第31页/共51页第32页/共51页第33页/共51页9、尖晶石结构(Spinel)正尖晶石型结构(AB2O4)：正尖晶石型结构的配位数为A：B：O4：6：4。在尖晶石结构中O2-按面心立方密堆排列，AB离子分别位于02-的四面体及八面体间隙中，图118(a)表示出立方密堆中四面体及八面体间隙，其中每个顶角O2-均与相邻3个面心离子构成1个四面体间隙。故其中共有8个四面体间隙，中心分别位于14和34高度处。此外6个面心离子构成完整的八面体间隙中心位于体心(即12高度处)；相邻两顶角离子又与相邻两面心离子构成了14个八面体。这种情况共有12处，中心均位

13、于各棱边的一处即在原胞高度的0、1/2、1处，故所示原胞中共有4个八面体间隙，此原胞中共含有4个O2-(8X1/8成个顶角氧+6X1/2面心氧)。所以在立方密堆中，原、四面体与八面体之比数为4：8：4。在尖晶石原胞中，共有8个分子(即32个O)，8个A和16个B。如图118(b)所示，其中A占据四面体间隙8个(只用去1/8)；B占据八面体间隙16个(用去其中1/2)。具体排布可分为M和N两种不同的区来表示，如图118(c)历示，两类区均共棱不共面。因118(d)为M区，即八面体区。图318(e)为N区，属四面体区均与图118(b)和图118(c)相对应。居于这类结构的有MgAl204，MnAl

14、204，CdFe204。第34页/共51页尖晶石型结构晶体的化学式通式为：AB2O4，其中A为二价离子，如Mg2+,Mn2+,Zn2+,Co2+,Ni2+,Fe2+，B为 三 价 离 子，如 Al3+,Cr3+,Fe3+,Ga3+,Co3+，两种正离子的总价数必须等于8。MgAl2O4晶体属立方晶系，立方面心格子，Fd3m空间群，ao=0.808nm，z=8。O2-按立方紧密堆积，Mg2+填充在1/8四面体空隙中，Al3+填充在1/2八面体空隙中。为了清楚分析质点排列与结构特点，可将此立方体分解为8个小立方体，发现这8个小立方体属于2种类型，它们交替堆积起来就构成尖晶石晶胞。每个小立方体明显具

15、有立方面心格子的特征。上述二价离子占据四面体空隙位置，而三价离子占 据 八 面 体 空 隙 位 置 的 尖 晶 石 称 为 正 尖 晶 石(positivespinel)，g-Al2O3的结构和尖晶石相似。如果有一半的三价离子与二价离子互换位置，亦即有一半三价离子占据四面体空隙位置，二价离子和另一半三价离子占据八面体空隙位置，这种尖晶石结构称为反尖晶石(inversespinel)，化学式可写作B(AB)O4。第35页/共51页第36页/共51页第37页/共51页第38页/共51页第39页/共51页2.4 液晶材料液体与晶体的过渡态，既具有液体的流动性（各向同性），又有晶体的各向异性材料与性质

16、单晶多晶非晶液晶液体有无固定熔点（Tg）（Tg）长/短程有序长长短长短各向同/异性各向异性各向同性各向同性各向异性各向同性第40页/共51页在数字石英表和小型计算器上，大家都看到了液晶显示屏。那么，什么是液晶呢？简言之，液晶是液态的晶体。也就是说，物质的液晶态（Mesogenicstateormesophase）是介于三维有序晶态与无序晶态之间的一种中间态。在热力学上是稳定的，它既具有液体的易流动性，又具有晶体的双折射等各向异性的特征。处于液晶态的物质，其分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维的长程有序性，因此液晶又可称为“位置无序晶体”或“取向有序液体”。液晶材料都是有机化合物

17、，有小分子也有高分子，其数量已近万种，通常将其分为二大类，热致液晶和溶致液晶。热致液晶只在一定温度范围内呈现液晶态，即这种物质的晶体在加热熔化形成各向同性的液体之前形成液晶相。热致液晶又有许多类型，主要有向列型、近晶型和胆甾型。第41页/共51页第42页/共51页 如将硬脂酸钠、正羧酸金属盐（具有极性的物质和水、酒精、氯仿等溶剂形成的液晶，也称溶变液晶）第43页/共51页液晶的结构（1）近晶相液晶（Smectic，S）液晶分子排列分层，具有作同一方向排列的特征，因接近晶体而得名。取向有序，分子中心组成层状结构（层间距约20），故又称为层型液晶。其分子可以绕其长轴转动，层间关联较弱。近晶型向列型

18、胆甾型第44页/共51页（2）向列型液晶（nematic liquid crystals，N）在向列型液晶中，棒状分子只维持一维有序。它们互相平行排列，但重心排列则是无序的。在外力作用下，棒状分子容易沿流动方向取向，并可在取向方向互相穿越。因此，向列型液晶的宏观粘度一般都比较小，是三种结构类型的液晶中流动性最好的一种。至今为止大部分高分子液晶属于向列型液晶。第45页/共51页（3）胆甾型液晶(Cholesteric liquid crystals，Ch)在属于胆甾型液晶的物质中，有许多是胆甾醇的衍生物，因此得名。但实际上，许多胆甾型液晶的分子结构与胆甾醇结构毫无关系。但它们都有导致相同光学性能

19、和其他特性的共同结构。在这类液晶中，分子是长而扁平的。它们依靠端基的作用，平行排列成层状结构，长轴与层片平面平行。各层分子按周期性扭转成螺旋排列方式，亦称螺旋状液晶。层内分子排列与向列型类似，而相邻两层间，分子长轴的取向依次规则地扭转一定的角度，层层 累加而形成螺旋结构。分子长轴方向在扭转了360 以后回到原来的方向。两个取向相同的分子层之间 的距离称为螺距，是表征胆甾型液晶的重要参数。由于扭转分子层的作用，照射在其上的光将发生偏 振旋转，使得胆甾型液晶通常具有彩虹般的漂亮颜 色，并有极高的旋光能力。第46页/共51页液晶的主要应用液晶显示器（TFT-TN-LCD）(ThinFilmTransistor-TwistedNematic-LiquidCrystalDisplay)胆甾型温度计液晶医学成像液晶微电子缺陷检测/超声检测信息存储和光学器件第47页/共51页2.5 非晶体由于非晶体原子排列的短程有序、长程无序，因此非晶态固体的性能是各向同性的。和晶态相比，这种快冷得到的非晶态是处于一种亚稳定状态，在一定条件下，存在着转变成晶态的趋势。第48页/共51页非晶硅材料（a-Si）第49页/共51页氢化非晶硅（a-Si:H）第50页/共51页感谢您的欣赏第51页/共51页