晶体结构第一章 晶体学.pdf

材料科学基础（上） 第01章晶体学 北京大学工学院北京大学工学院 材料科学与工程系 2011年9月 现代使用的材料绝大部分是晶态(Crystalline)材料。 晶态材料包括单晶材料、多晶材料、微晶材料和液 晶材料等晶材料等。我们日常使用的各种金属材料大部分是我们日常使用的各种金属材料大部分是 多晶材料。天然晶体具有规则外形和宏观对称性 1 • 高分辨率电镜（High Resolution Electron Microscopy, HREM ）直接观察晶体中原子的规 则排列。 晶体科学既是很多学科的基础，又是很多学科的边 缘和交叉，它包含广泛的内容： ((1))晶体几何学 （Geometrical Cryystalloggrapphyy ），研究晶体的 外表几何形状及它们之间的规律性； (2)晶体结构学 （Crystallogy ），研究晶体内部质点排列的规 律性以及晶体结构的不完整性； (3)晶体生成学 （Crystallogeny ），研究天然以及人工晶体的 发生、成长和变化过程及其机制； (4)(4)晶体物理学晶体物理学 （（CrystallophysisCrystallophysis ）：）：研究晶体的光学研究晶体的光学、电学电学 、力学等物理性质以及和它们相关的结构对称性； (5)晶体化学 （Crystallochemistry ），研究晶体的化学组成和 晶体结构与晶体物理化学性质间的关系。 2 1.1 结晶状态及晶体的宏观特性 物质结晶状态的本质特征是：结构基元在空间呈不随时 间变化的三维周期排列，它决定了晶体的宏观和微观物 理性质理性质。。 不具有这种特性的物质例如石蜡、玻璃等是非晶态物质。 有一些有机高聚合物，它们的结构基元具有一维或二维 的近似长程有序排列，其性质介于晶体和非晶体之间， 这种物质种物质称为液为液态晶体体，简简称液液晶 （Liqquid-cryystal ）。 晶态物质可以由多个晶体组成，由许多取向不同单晶体 晶粒随机排列的组合称多晶体（Polycrystal ），各个晶 粒之间有晶界分隔开。当晶粒颗粒尺度很小（约为微米 级）时称为微晶 （Crystallite ）。 晶体中结构基元的三维周期排列使晶体在宏观上具有一 些共同的性质，它们是： （1）晶体的棱角-面和棱的存在以及它们之间的规则性 是晶体的宏观特性之一是晶体的宏观特性之一。晶体自发生长成规则几何外形晶体自发生长成规则几何外形 的性质称自限性。互相平行的面之间的夹角是守恒的。 这些平行的面称为对应面，对应面的这种关系称为面角 守恒定律（欧拉公式）。 F( 晶面数）+V （顶点数）- E ( 晶棱数) =2 3 （2 ）均匀性 （Homogeneity ）— 晶态物质任意部分的所有 性质是完全相同的，这就是均匀性。 （3 ）各向异性 （Anisotropy ）— 晶体的标量性质（例如相 对密度、热容量等）和晶体的取向无关；矢量或更普遍情 况下的张量性质（例如热导率、磁导率、光折射率等） （例如介电系数、弹性系数、扩散系数等）和晶体的取向 有关，就是各向异性。 （（44 ））对称性对称性 （（SSymmetry ））— 晶体的各向异性是指晶体的性晶体的各向异性是指晶体的性 质在某些不同的、不连续变化或间断的方向上存在着有规 律的等同性，这就是晶体对称性的表现。对称性的概念是 自然科学中最普遍最基本的概念之一，它贯穿于整个晶体 学研究中，是晶体学的基础。 1.2 点阵、晶体结构（Lattice, Crystal Structure ） 晶体是由结构基元在空间呈不随时间变化的规则的三维周期 排列而形成的，因此，研究晶体微观结构的首要任务就是研 究周期排列的规律性究周期排列的规律性。。 在研究结构基元周期排列的规律性时，往往把结构基元抽象 为一个几何