材料科学基础 晶体结构与缺陷.ppt

第二章 晶体结构与缺陷 第二章 晶体结构与缺陷 2.1 晶体化学基本原理 什么是晶体？ 晶系和布拉菲点阵 晶系和布拉菲点阵 原子半径和离子半径 球体最紧密堆积原理 等径球体堆积 堆积密度η （致密度） FCC面心立方堆积密度的推导过程 不等径球体堆积 堆积特点：较大的球进行紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。 其中稍小的球体填充在四面体空隙中，稍大的球填充在八面体空隙中，如果更大，则会使堆积方式稍加改变，以产生更大的空隙满足填充的要求。 适用范围：离子化合物晶体 配位数与配位多面体 离子的配位数与 的关系 六配位的介稳状态 鲍林规则 极化后果 （3）实验测试表明，?－C3N4晶体属于六方晶系，晶胞结构见图2（图示原子都包含在晶胞内），晶胞参数a=0.64nm, c=0.24nm, 请计算其晶体密度； （4）试简要分析?－C3N4比金刚石硬度大的原因（已知金刚石的密度为3.51g.cm-3）。 E-mail: wky1986@126.com * * 《材料科学基础》 Reporter：王昆彦 March 6th, 2013 晶体化学基本原理 2.1 典型金属的晶体结构 2.2 离子晶体的晶体结构 2.3 共价晶体的晶体结构 2.4 晶体缺陷 2.5 方解石 Calcite 钻石 Diamond 红宝石 Ruby 闪锌矿 Sphalerite 晶体(crystal)是离子、原子或分子按一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因而，晶体具有规则的外形。 自限性：晶体具有自发形成几何多面体形态的性质。 均一性：因为晶体是具有格子构造的固体，同一晶体的各个部分的质点分布是相同的，所以同一晶体的各个部分的性质是相同的，此即晶体的均一性。 异向性：同一晶体格子中，在不同的方向上质点的排列一般是不相同的，晶体的性质也随方向的不同而有所差异，此即晶体的异向性。 最小内能与稳定性：晶体与同种物质的非晶体、液体、气体比较，具有最小内能。晶体是具有格子构造的固体，其内部质点作规律排列。这种规律排列的质点是质点间的引力与斥力达到平衡，使晶体的各个部分处于位能最低的结果。 晶体的基本性质 2. 布拉菲点阵(Bravais lattice) — 根据晶胞形 状及阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列,特征相同的归为一个晶系，共有 14 种。 — 根据晶胞形状特征 所划分的晶体点阵系列，特征相同的归为一 个晶系，共有７个晶系。 1. 晶系(Crystal system) 孤立态原子半径 从原子核中心到核外电子的几率密度趋向于零处的距离，亦称为范德华半径。 结合态原子半径 当原子处于结合状态时，根据X射线衍射可以测出相邻原子面间的距离。对于金属晶体则定义金属原子半径为：相邻两原子面间距离的一半。 原子半径 离子半径 每个离子周围存在的球形力场的半径 哥希密特离子半径（离子间的接触半径） 哥希密特(Goldschmidt)从离子堆积的几何关系出发，建立方程所计算的结果。 鲍林离子半径 鲍林(Pauling)考虑了原子核和其他离子的电子对核外电子的作用后，从有效核电荷的观点出发定义的一套质点间相对大小的数据。 晶体中各离子间的相互结合，可以看做是球体的堆积。 球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。 此即球体最紧密堆积原理。 适用范围：典型的金属晶体和离子晶体。 等径球体堆积 通常部分金属晶体属于此类。 不等径球体堆积 较大的球体密堆，较小的球体填充空隙 通常的离子晶体属于此类。 三维最紧密堆积示意图 面心立方(fcc) 结构 排列方式：…ABCABC…(立方密堆积) 密排六方(hcp)结构 排列方式：…ABABAB…(六方密堆积) 1 2 3 4 B C 通常根据包围空隙周围的球体不同，可将空隙分为四面体空隙和八面体空隙两种。 每个球体周围有8个四面体空隙和6个八面体空隙。 堆积密度用来表达堆积的紧密程度，即一定空间中球体所占体积的百分数(晶胞中原子体积与晶胞体积之比)。 面心立方密堆积和六方密堆积的堆积密度可以通过计算得到都是74.05%，空隙所占的体积为25.95%。 半径较大的阴离子作紧密或近似最紧密堆积， 半径较小的阳离子填充在八面体或四面体空隙中。 配位数：一个原子(或离子)周围同种原子(或异号离子)的数目称为原子(或离子)的配位数，用CN来表示。 单质晶体：均为12 离子晶体：小于12，一般为4或6 共价晶体：配位数较低，小于4 配位多面体：晶体结构中与某一阳离子(或原子)成配位关系而相邻结合的各个阴离子中心连线所构成的多面体。 三