固体物理学(朱建国).pdf

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第一章 晶体结构 3 固体材料是由大量的原子(或离子、分子)组成的。一般固体材料每 1cm 的体积 22 23 中有 10 ~10 个原子。固体材料中的原子按一定规律排列。根据固体材料中原子排列的 方式可以将固体材料分为晶体、非晶体和准晶体。理想晶体中原子排列具有三维周期性, 或称为长程有序;非晶体中原子的排列呈现近程有序、长程无序的特点;准晶体的特点 则介乎于晶体和非晶体之间。本章主要介绍理想晶体中原子排列的规律。 §1.1 晶体的宏观特性 不同原子构成的晶体具有不同的性质,即使是由同种原子构成的晶体,由于结构不 同,其性质也会有很大的差别。但不同的晶体之间,仍存在着某些共同的特征,这主要 表现在以下几个方面。 1.1.1 长程有序 具有一定熔点的固体称为晶体。用 X 射线衍射方法对晶体进行研究表明,晶体内部 原子的排列是按照一定的规则排列的。这种至少在微米级范围内的规则排列称为长程有 序。长程有序是晶体材料具有的共同特征。在熔化过程中,晶体长程有序解体时对应着 一定的熔点。晶体可分为单晶体和多晶体。在单晶体内部,原子都是规则地排列的;多 晶体是由许多小单晶(晶粒)构成的,在各晶粒内原子是有序排列,而不同晶粒内的原 子排列是不同的。 1.1.2 自限性与解理性 晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性,称为晶体的自限性。晶体外形上的这 种特性是晶体内部原子有序排列的反映。一个理想完整的晶体,相应的晶面具有相同的 面积。晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质,这种性质称为晶体的解理性,相应 的晶面称为解理面。 1.1.3 晶面角守恒 由于生长条件的不同,同一种晶体外形会有一定的差异。例如,岩盐(氯化钠)晶 体的外形可以是立方体或八面体,也可以是立方和八面混合体,如图 1.1 所示。虽然同 一种晶体由于生长条件不同,其外型可能不同,但相应的两晶面之间的夹角却总是恒定 的。例如,图 1.2 所示的石英晶体的 mm 两面间的夹角总是 60°0 ′,mR 两面间的夹角 1 总是 60 °13′,mr 两面间的夹角总是 38 °13′。这说明,属于同种晶体的两个对应晶 面之间的夹角恒定不变,这一规律称为晶面守恒定律。 图1.1 氯化钠晶体的若干外形 图1.2 石英晶体的不同外形 1.1.4 各向异性 晶体的物理性质在不同方向上存在着差异,这种现象称为晶体的各向异性。晶体的 晶面往往排列成带状,晶面间的交线(称为晶棱)互相平行,这些晶面的组合称为晶带, 晶棱的共同方向称为该晶带的带轴。例如,图 1.2 中石英的m 面构成一个晶带,晶带的 带轴是石英的一个晶轴,即 c 轴。由于各向异性,在不同带轴方向上,晶体的物理性质 是不同的。晶体的各向异性是晶体区别于非晶体的重要特性,因此对于一个给定的晶体, 其弹性常数、压力常数、介电常数、电阻率等一般不再是一个确定的常数,通常要用张 量来表述。 §1.2 空间点阵 早在公元前 4 世纪就有人注意到石榴石晶体 的多角形和规则外形,17 世纪又有人提出晶面角 守恒的观点。18 世纪 Haiiy 根据对方解石解理面 的观察,认为晶体具有规律外形,是晶体内部原 子规则排列的表现。19 世纪布喇菲(Bravais)提出 了空间点阵学说。认为晶体可以看成由相同的格 点在三维空间作周期性无限分布所构成的系统, 图1.3 格点示意图 2 这些格点的总和称为点阵。20 世纪 X 射线衍射技术从实验上证明了晶体内部的结构的 确可以用空间点阵描叙。 1. 格点与基元 如果晶体是由完全相同的一种原子所组成的,则格点代表原子或原子周围相应点的 位置。若晶体由多种原子组成,通常把由这几种原子构成晶体的基本结构单元称为基元。 格点代表基元的重心的位置。 2. 晶体

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