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几何结晶学

欢迎来到几何结晶学课程。本课程将带您探索晶体的奥秘世界，揭示其内在结构和性质。

课程简介

理论基础

学习晶体学的基本概念和原理

结构分析

探索晶体的内部结构和排列方式

应用技术

了解晶体在材料科学和工程中的应用

结晶学的意义

科学研究

结晶学为物理学、化学和生物学等领域提供了重要的研究工具。

工业应用

在材料制造、药物开发和电子工业中发挥着关键作用。

技术创新

推动了新材料和新技术的发展，如半导体和纳米材料。

几何结晶学概述

1

起源

17世纪，科学家开始研究晶体的几何形状。

2

发展

19世纪，布拉维提出14种空间点阵理论。

3

现代

X射线衍射技术的应用revolutionized结晶学研究。

晶体的定义

周期性排列

原子、离子或分子在三维空间中有规律地重复排列。

长程有序

晶体内部结构在宏观范围内保持一致性。

固定化学组成

晶体具有确定的化学成分和固定的结构。

晶体的基本特征

对称性

晶体具有多种对称元素，如旋转轴和镜面。

各向异性

物理性质在不同方向上可能不同。

晶面

晶体外表面由平整的晶面构成。

晶胞与晶格

晶胞

晶体结构的基本单元，能够通过平移生成整个晶体。

晶格

由晶格点构成的三维周期性点阵，反映晶体的周期性。

晶胞参数

1

晶轴长度

a、b、c表示三个晶轴的长度。

2

轴间角度

α、β、γ表示晶轴之间的夹角。

3

坐标系

通常使用直角坐标系或斜角坐标系描述。

晶系分类

1

立方晶系

2

四方晶系

3

正交晶系

4

六方晶系

5

三方、单斜、三斜晶系

共有七种晶系，按对称性从高到低排列。

晶系及其对称性

晶系

对称性

晶轴关系

立方

最高

a=b=c,α=β=γ=90°

四方

高

a=b≠c,α=β=γ=90°

正交

中等

a≠b≠c,α=β=γ=90°

六方

中等

a=b≠c,α=β=90°,γ=120°

空间群

1

点群

描述晶体的点对称性

2

布拉维格子

14种基本晶格类型

3

空间群

结合点群和平移对称性

4

230种空间群

描述所有可能的晶体结构对称性

晶面与晶向

晶面

用米勒指数(hkl)表示，描述晶体中的平面。

晶向

用方向指数[uvw]表示，描述晶体中的方向。

晶体结构分类

离子晶体

由带相反电荷的离子构成，如NaCl。

共价晶体

原子间通过共价键连接，如金刚石。

金属晶体

金属原子间通过金属键结合。

分子晶体

由分子间弱相互作用力维持，如冰。

原子堆积模型

密堆积

原子以最紧密的方式排列，空间利用率最高。

堆积类型

包括六方密堆积(HCP)和立方密堆积(CCP)。

配位数

描述每个原子周围最近邻原子的数量。

原子堆积方式

六方密堆积(HCP)

ABABAB...堆积序列，如镁、钛。

立方密堆积(CCP)

ABCABC...堆积序列，如铜、铝。

体心立方(BCC)

空间利用率较低，如铁、钨。

晶体化学计算

配位数计算

基于原子半径比和几何关系确定。

空隙率计算

晶体中空隙体积与总体积的比值。

理论密度计算

基于晶胞参数和原子质量计算。

点阵缺陷

本征缺陷

如空位和间隙原子，在纯晶体中自发形成。

外来缺陷

由杂质原子引入，可能替代或占据间隙位置。

晶体缺陷分类

1

零维缺陷

2

一维缺陷

3

二维缺陷

4

三维缺陷

缺陷按其空间维度分类，从点缺陷到体缺陷。

点缺陷

空位

晶格点上缺少原子。

间隙原子

原子占据正常晶格点之间的位置。

替代原子

杂质原子替代原有晶格点上的原子。

位错理论

1

刃型位错

额外的半原子面插入晶体中。

2

螺型位错

晶体沿某一方向发生剪切。

3

混合位错

刃型和螺型位错的组合。

位错的运动与相互作用

滑移

位错在滑移面上平行移动。

攀移

刃型位错垂直于滑移面移动。

交互作用

位错之间可能发生吸引或排斥。

晶界与晶粒界

小角度晶界

相邻晶粒取向差小于15°，主要由位错组成。

大角度晶界

相邻晶粒取向差大于15°，结构更复杂。

相变及相变理论

1

热力学驱动力

相变发生的根本原因

2

成核

新相的形成和初始生长

3

生长

新相逐渐扩大的过程

4

粗化

大晶粒长大，小晶粒消失

相变动力学

扩散控制

原子扩散是相变的限速步骤。

界面控制

相界面的移动速度决定相变速率。

混合控制

扩散和界面移动共同影响相变速率。

晶体生长技术

熔体法

从熔融状态冷却结晶。

溶液法

从过饱和溶液中析出晶体。

气相法

气态物质直接凝结成晶体。

固相法

固态材料重结晶。

晶体生长模型

1

层状生长模型

晶体通过逐层生长形成完整的表面。

2

螺旋位错生长模型

晶体沿螺旋位错持续生长。

3

二维成核生长模型

在表面形成新的二维核，然后扩展。

晶体分类应用

结构表征技术

X射线衍射

用于确定晶体结构和相组成。

电子显微镜

观察晶体微观形貌和缺陷。

中子衍射

适用于研究含轻元素的晶体结构。

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