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固体物理第一章晶体结构4.pptVIP

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固体物理第一章晶体结构4

* §1-5晶体的宏观对称性 晶态物质所形成的单晶体,外形上的规律性突出地表现在晶面的对称排列。晶态物质的性质是和方向有关的,或者说是各向异性的。但由于晶格的周期性排列,晶格又存在某种对称性,因此其宏观性质也存在同样的对称性。和一般的几何图形不同,晶体只具有为数不多的对称类型,这是由于晶格周期性的限制。按照空间群理论,晶体的对称类型是由少数基本的对称操作组合而成。如果基本对称操作不包括平移,则组成32种宏观的对称类型,称为点群;如果包括平移,就包括230种微观的对称性,称为空间群。 对于具有六角对称性的晶体,如果坐标轴选取在六角轴的方向和其垂直平面内,则有: 以介电常数为例,其一般为二阶张量,即 对于具有立方对称性的晶体, ;(证明) 1、线性变换 和刚体一样,晶格中任意两点间的距离,在操作前后应保持不变,此即线性变换。 设有变换使 即: 因操作前后应保持任意两点间的距离不变,即要求: 即 ,即 ,换句话说, 为正 交矩阵。变换矩阵为正交矩阵的又称为正交变换。几何变换如旋转、 反射及反演都是正交变换,因此概括宏观对称性的系统方法是考查物体在正交变换下的不变性。 以下为几种简单的线性变换操作。 (1)转动 对于基矢为 的晶胞,其基矢在直角坐标系下的表示为: 即: 对于格矢: 有: 考虑一转轴,其和直角坐标系的坐标轴之间夹角的余弦分别为: 即有: 绕该轴转动 角后,设新坐标轴的单位矢量为 ,其在老坐 标系的表示为: l1,m1,n1可利用如下方法求出 同样方法可以求出l2,l3,m2,m3,n2,n3。 从而得到该操作的矩阵表示: 或者 设经过该转动操作后 变成 ,则 在新坐标中的表示仍然为: ,则其在原坐标中的表示为: 在晶胞基矢中的表示为: 因此,若对于任意bx,by,bz,操作使得系数矩阵的矩阵元为整数,则 该操作为该结构的对称操作,该系数矩阵为该对称操作的表示。 (2)中心反演 若取反演中心为坐标原点,经过中心反演后,任意一点 变为 ,即: (3)镜象映射 即以某个平面作为镜面的映象操作,若取Z=0的面为镜面则有: 2、基本的对称操作 由于晶格的周期性,其对称操作只可能有几种,而不象几何图形 那样。设图1-5-1中B1,A,B,A1S是晶体中某一晶面(纸面)上的一 个晶列,AB是这晶列上相邻两个格点的距离。如果晶格绕通过格点A 并垂直于纸面的u轴转动 角后,能自身重合,则由于晶格的周期性, 通过格点B也应该有一个转轴u。 图1-5-1 晶体中某一晶面的晶列 (1)、转动角 通过A处的u轴顺时针转过 后,使B1点到 点,同样,对于 通过B处的u轴顺时针转过 后,由于A1点是格点位置,因此, 点原来应该存在格点。由于 和 平行,因此 长度必须等 于AB长度的整数倍,而 ,因此 角只能取: (2)、转动角 对于通过B处的u轴,A点到达 点,对于通过A处的u轴,由于B 点是格点,因此在 点也应该存在一个格点。同样因为 是长度的整数倍,因此 只能取 综上所述,若将转动角 写成 ,则n只能取1、2、3、4、6。 n称为转动的次数。 (a)n次旋转对称轴及其表示 (b)n次旋转—反演轴及其表示 若绕轴u旋转 后再经过中心反演,晶体能自身重合,则称u 为n度旋转—反演轴,表示为 :是中心反演,用i表示,即 :即镜象映射,用m表示,即 :等于3次轴加i的效果总效果,这是由于由点1出发点得 ,再经 中心反演得2;2经过转动 得到 ,中心反演得3;3转动 后得1,经反演得4;4转动反演后得5,5转动反演后得6。即 由1出发,得2,6,4和5,3,1诸点。得到的6个点的分布具有3度轴 和对称心i的对称性 :由如图1和 出发,分别得到两个四面体1234和 ,将1234 转动90度后 重合,再翻转则和自身重合。 :等于3次轴加m的效果总效果。 综上所述:晶体的宏观对称性中只有以下8种基本的对称操作: 1,2,3,4,6,i,m,和 。这些基本对称操作组合起来,得到32 对于晶体的微观对称性,对称操作中还必须包括平移,因此又有: 种不包括平移的宏观对称类型。 (c)n度螺旋轴 一个n度螺旋轴u表示绕轴每转 后,再沿着该轴的平移 个该 方向的周期(l为小于n的整数) (d)滑移反映面 一个滑移反映面表示经过该面的镜象操作后,再沿平行该面的某个方 向平移 的距离( 为该方向的周期矢量,n为2或4),晶体中的 原子和相同的原子重合。

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