固体物理基础第1章 结晶学理论.ppt

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固体物理基础第1章 结晶学理论

第1章 结晶学理论       1.1 晶体结构   为了便于理解,先不考虑原子本身的性质,而将其视为刚性的球体,不同原子暂时可以理解为大小不同的刚性球体。通过一些简单的实验来看看它们可以形成什么样的结构,并且和自然界中的实际晶体进行联系。 1.1.1 简立方结构    图1.1给出了同种原子在一层内的一种最简单的排列形式,即正方排列。如果把这样的原子层严格地重复堆积成三维结构,即每一层原子的投影都严格重合,就构成了所谓简立方结构(SimpleCubic,SC结构),其典型的重复单元如图1.2所示。这是为了研究晶体结构的共性而进行的一种数学上的抽象,可以理解为一个立方体的八个顶角上各有一个相同的原子,整个晶体就是按照这个单元沿不同方向重复排列而成的。 图1.1 同种原子在层内的正方排列 图1.2 简立方结构的重复单元   常识告诉我们,显然这种结构是不稳定的,因而自然界中不会存在这种结构的晶体。尽管近来在实验室中发现,放射性元素钋(Po)会临时以简立方结构的形式存在,但随即发生衰变,这与我们的结论是不矛盾的。 1.1.2 氯化铯结构    尽管自然界中不存在简立方结构的晶体,但有些晶体却是在简立方结构的基础上形成的,比如氯化铯(CsCl)晶体。氯化铯结构的典型重复单元如图1.3所示,不难想象,整个晶体中的所有氯原子和铯原子各自形成的都是简立方结构,因此氯化铯结构可以理解成是由两个简立方结构体心套构而成的。 图1.3 氯化铯结构的重复单元 1.1.3 体心立方结构    如果同种原子在每一层内都是正方排列的,只是第二层原子的投影正好都位于第一层原子的间隙位置,如图1.4所示,以此方式重复排列就得到了体心立方结构(BodyCentredCubic,BCC结构)。它的一个典型的重复单元如图1.5所示。可以看到,这时在立方体的八个顶角和体心位置上各有一个相同的原子,它与图1.3所示的氯化铯结构的最大区别就是后者在体心位置上是另一种原子。那么体心立方结构也可以理解成是由所有奇数层和偶数层原子分别组成的SC结构体心套构而成的,但是应该注意,由于晶体中同种原子的不可区分性,一般不采用这种说法。 图1.4 体心立方结构的原子堆积方式 图1.5 体心立方结构的重复单元   另外从图1.4中还会看到,为了得到体心立方结构,同一层内的原子尽管仍是正方排列,但却不再是紧密挨着的,而是存在一定的间隙,容易证明,如果原子半径为r,则同一层内的原子间隙为Δ=0.31r。研究已经证明,自然界中的锂、钠、钾、铷、铯、铁(Li、Na、K、Rb、Cs、Fe)等金属,就具有体心立方结构。 1.1.4 密堆积结构    同种原子在同一层内除了正方排列以外,还具有如图1.6所示的一种最紧密的排列方式,称为密排原子面。如果再把这种密排原子面以最紧密的方式堆积成三维晶体,就得到了密堆积结构。那么,密堆积结构具有什么样的特点呢?   我们先来分析一下密排原子面中原子间隙的特点,在图1.6中,我们先把这第一层密排原子面标注为A,其中的原子间隙可以区分为三角形开口朝上和朝下的两种,并分别标注为B和C,显然,在A层原子面上堆积第二层密排原子面时,原子只能占据B位置或C位置中的一种,而不可能同时占据。如果第二层密排原子面占据的是B位置(称之为B层),那么可以想象,B层上的原子间隙又会对应A位置和C位置,即第三层可以排C层原子,也可以排A层原子,以此类推。根据晶格周期性的特点,我们就可以得到两种最典型的密堆积结构,按照密排原子面的堆积方式可以表示为          ABABAB……         ABCABCABC…… 其中第一种密堆积结构的一个典型的重复单元如图1.7所示,这是一个六方棱柱,其12个顶角和上下两个面心位置上各有一个相同的原子,还有3个相同的原子位于六方棱柱的内部,即B层原子,我们把这样的结构称为六方密堆积结构(HexagonalClosePacked,HCP结构),自然界中铍、镁、锌、镉(Be、Mg、Zn、Cd)等金属就具有HCP结构。 图1.6 密排原子面 图1.7 六方密堆积结构的重复单元   第二种密堆积结构的典型的重复单元如图1.8所示,即在一个立方体的8个顶角和6个面心位置上各有一个相同的原子,我们把这样的结构称为立方密堆积结构(FaceCentredCubic,FCC结构)。从密排原子面的“ABCABCABC……”堆积方式中如何提炼出这一重复单元呢?这个问题的正向思维可能有一点困难,但反过来则很容易理解:试想将图1.8(a)的结构沿某一条体对角线立起来,并将其中的原子半径逐渐放大,使得最近邻的原子相互挨起来(相切),那么按照立体几何的知识不难证明,这时的原子将分别位于几个平行的平面内,并且都是密排

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