晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷

晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

晶體(crystal):內(nèi)部微粒(原子、分子或離子)在空間按一定規(guī)律周期性排列構(gòu)成的固體。1.晶體結(jié)構(gòu)的特征與晶格理論4.4.1晶體結(jié)構(gòu)特征和類型非晶體(amorphoussolid):內(nèi)部微粒在空間作無規(guī)則排列構(gòu)成的固體。第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶體非晶體第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶體非晶體規(guī)則幾何外形無定形確定的熔點(diǎn)各向異性各向同性無確定的熔點(diǎn)對X射線的衍射效應(yīng)無對稱性無

晶體與非晶體的區(qū)別第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日將晶體內(nèi)的微粒視為幾何上的點(diǎn),這些點(diǎn)所組成的幾何構(gòu)型稱為晶格(crystallattice)。而微粒所占有的位置稱為晶格結(jié)點(diǎn)(latticepoint)。晶胞(Unitcell)：晶體的最小重復(fù)單元，通過晶胞在空間平移無隙地堆砌而成晶體。第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日由晶胞參數(shù)a，b，c，α，β，γ表示，a，b，c為六面體邊長，α，β，γ分別是bcca,ab所形成的三個(gè)夾角。晶胞的兩個(gè)要素：

(1)晶胞的大小與形狀：第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)晶胞的內(nèi)容：粒子的種類，數(shù)目及它在晶胞中的相對位置。按晶胞參數(shù)的差異將晶體分成七種晶系。

按帶心型式分類，將七大晶系分為14種型式。例如，立方晶系分為簡單立方、體心立方和面心立方三種型式。第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶格的14種型式簡單立方體心立方面心立方簡單四方體心四方簡單六方簡單菱形第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日簡單正交底心正交體心正交面心正交簡單單斜底心單斜簡單三斜第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日單晶(singlecrystal)：單個(gè)晶體構(gòu)成的物體。在單晶體中所有晶胞均呈相同的位向。一般所謂的晶體都是泛指單晶體。多晶(polycrystals)：由許多晶體(晶粒)構(gòu)成的物體。或者說多晶體是由許多取向不同而隨機(jī)排布的小晶體組成。第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日(1)六方密堆積:(hexagonalclosestpacking,

hcp)配位數(shù)：12

同層每個(gè)球周圍有六個(gè)球，第三層與第一層對齊，形成ABAB…排列方式。2.球的密堆積第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)面心立方密堆積:(cubicclosestpacking,ccp)配位數(shù)：12

第三層與第一層不是對齊的，有錯(cuò)位，以ABCABC…方式排列。第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日(3)體心立方堆積:(boydcenteredcubicpacking,bcc)配位數(shù)：8立方體的中心和8個(gè)頂角各為一個(gè)球占據(jù)。第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日密堆積結(jié)構(gòu)中存在許多空隙四面體空隙八面體空隙第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日離子晶體(ioniccrystal)：正、負(fù)離子交替排列在晶格結(jié)點(diǎn)上，相互間以離子鍵結(jié)合而構(gòu)成的晶體。(1)

離子晶體特征結(jié)構(gòu)：配位數(shù)高，晶體中沒有獨(dú)立的分子存在。離子在晶體中采取緊密堆積方式。陰離子：大球，密堆積，形成空隙。陽離子：小球，填充空隙。規(guī)則：陰陽離子相互接觸穩(wěn)定；配位數(shù)大，穩(wěn)定。3.晶體類型第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日三種典型的離子晶體NaCl型晶胞中離子的個(gè)數(shù):晶格:面心立方配位比:6:6(紅球－Na+,

綠球－Cl-)第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日CsCl型晶胞中離子的個(gè)數(shù):晶格:簡單立方配位比:8:8(紅球－Cs+,

綠球－Cl-)第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶胞中離子的個(gè)數(shù):ZnS型(立方型)晶格:面心立方配位比:4:4(紅球－Zn2+,

綠球－S2-)第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日半徑比(r+/r-)規(guī)則:NaCl晶體:其中一層橫截面:第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日r+/r-<0.414r+/r->0.414理想的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(NaCl)第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日配位數(shù)構(gòu)型0.225→0.414

4ZnS型0.414→0.732

6NaCl型0.732→1.00

8CsCl型

離子半徑比與配位數(shù)的關(guān)系第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶格能U

(latticeenergy)：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由離子晶體變?yōu)闅鈶B(tài)的正、負(fù)離子時(shí)所吸收的能量。單位：kJ·mol-1晶格能可用于衡量晶體離子鍵的強(qiáng)弱U(g)Cl+(g)NaNaCl(s)-+例如：第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日影響晶格能的因素：①離子的電荷(晶體類型相同時(shí))②離子的半徑(晶體類型相同時(shí))Z↑,U↑例:U(NaCl)<U(MgO)R↑,U↓例:U(MgO)>U(CaO)特征物性：有較高的熔點(diǎn)、硬度，是電的良導(dǎo)體，但延展性差,較脆。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶格能對離子晶體物理性質(zhì)的影響第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日(2)原子晶體原子晶體(atomcrystal):由原子排列在晶格結(jié)點(diǎn)上，相互間以共價(jià)鍵結(jié)合而構(gòu)成的晶體。特征結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵有方向性和飽和性,不是緊密堆積,配位數(shù)低。晶體中沒有獨(dú)立的分子存在。例如：金剛石晶體第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日特征物性：有較高的熔點(diǎn)、硬度，是電的不良導(dǎo)體，在一般溶劑中都不溶解，延展性差。常見的原子晶體有金剛石、SiC、SiO2、Si、Ge等。第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日(3)分子晶體分子晶體(molecularcrystal):由分子排列在晶格結(jié)點(diǎn)上，相互間以分子間力結(jié)合而構(gòu)成的晶體。特征結(jié)構(gòu)：采取緊密堆積，配位數(shù)高，晶體中有獨(dú)立的分子存在。特征物性：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)低，硬度小，某些極性分子的水溶液能夠?qū)щ?，延展性也很差。第二十七頁，共五十三頁?022年，8月28日例如：干冰的晶體結(jié)構(gòu)第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬晶體(metalliccrystal):由金屬原子或正離子排列在晶格結(jié)點(diǎn)上，以金屬鍵結(jié)合而構(gòu)成的晶體。結(jié)構(gòu)特征：等徑球的緊密堆積，配位數(shù)高，晶體中沒有獨(dú)立的分子存在。(4)金屬晶體第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬晶體中粒子的排列方式常見的有三種：六方密堆積(HexgonalclosePacking)；面心立方密堆積(Face-centredCubicclodePacking)；體心立方堆積(Body-centredCubicPacking)。特征物性：具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，金屬光澤。熔、沸點(diǎn)，硬度差異較大。第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶體基本類型晶體類型原子晶體離子晶體金屬晶體分子晶體實(shí)例晶體結(jié)點(diǎn)微粒結(jié)合力原子正、負(fù)離子原子、離子分子共價(jià)鍵離子鍵金屬鍵分子間力、氫鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方向性明顯，配位數(shù)少無方向性，配位數(shù)較大無方向性，配位數(shù)大，密度大無方向性時(shí)配位數(shù)大力學(xué)性質(zhì)熱學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)溶解性質(zhì)硬度大、脆、無延展性硬度較大、脆、無延展性硬度各不相同，有延展性疏松質(zhì)軟熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小熔點(diǎn)較高，膨脹系數(shù)較小熔點(diǎn)高低不等，導(dǎo)電性好熔點(diǎn)低，膨脹系數(shù)大，易揮發(fā)絕緣體（半導(dǎo)體）絕緣體熔體為導(dǎo)體溶液為導(dǎo)體導(dǎo)電性良好絕緣體,有的水溶液為導(dǎo)體在大多數(shù)溶劑中不溶大多數(shù)溶于極性溶劑難溶結(jié)構(gòu)相似者相溶NaCl,CaOCu,Ag,合金冰,干冰,N2,He金剛石,SiC第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日(5)混合型晶體?層狀結(jié)構(gòu)晶體例如：

層間為分子間力石墨的結(jié)構(gòu)第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日

同一層：C－C鍵長為142pm，C原子采用sp2

雜化軌道，與周圍三個(gè)C原子形成三個(gè)σ鍵，鍵角為1200，每個(gè)C原子還有一個(gè)2p軌道，垂直于sp2

雜化軌道平面，2p電子參與形成了π鍵，這種包含著很多原子的π鍵稱為大π鍵。層與層間：距離為335pm，靠分子間力結(jié)合起來。石墨晶體既有共價(jià)鍵，又有分子間力，是混合鍵型的晶體。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日?鏈狀結(jié)構(gòu)晶體

單鏈雙鏈鏈狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日微晶(crystallite)：具有晶體的輪廓,但生長還不完全的晶體顆粒。尺寸小到約0.1微米至數(shù)十微米的晶體。如:磁記錄材料γ—Fe2O3磁粉，其顆粒線度約為0.1μm。由于微晶比其他單晶體小千百倍以上，因而具有比表面高，吸附性能強(qiáng)，表面活性突出等特性。碳黑是石墨的微晶體，其顆粒線度相當(dāng)于幾個(gè)至幾十個(gè)晶胞邊長的長度。(6)微晶第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日顯微鏡下純凈燧石是一種無色的微晶石英集合體。顏色因含雜質(zhì)不同而變。

第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日液晶(liquidcrystal):當(dāng)晶體受熱熔融或被溶解后，外觀呈液態(tài)，微觀仍保留晶體的有序排列，且物理性質(zhì)各向異性。是介于晶體和液體之間的一種過渡相態(tài)。處于這種相態(tài)的物質(zhì)稱為液晶。(7)液晶第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

按分子排列的結(jié)構(gòu)不同，液晶可分為相列型(Nematic)、膽甾型(Cholesteric)和近晶型(Smectic)三種類型。相列型近晶型膽甾型第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日

具有液晶性質(zhì)的分子已發(fā)現(xiàn)有六、七千種，都是有機(jī)化合物。如：R－－CH＝N－－CNR－－C－O－－CN

‖OR－－C＝CH－－R?

‖R′

液晶顯示是平面顯示中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的新技術(shù)。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶體缺陷(crystaldisfigurement):晶體中某些區(qū)域粒子的排列不象理想晶體那樣規(guī)則和完整，這種偏離完整性的區(qū)域，或者說晶體中一切偏離理想的晶格結(jié)構(gòu)稱做晶體缺陷。4.4.2晶體缺陷第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日按照缺陷的形成和結(jié)構(gòu)分類：

本征缺陷(固有缺陷)：指不是由外來雜質(zhì)原子形成，而是由于晶體結(jié)構(gòu)本身偏離晶格結(jié)構(gòu)造成的缺陷。雜質(zhì)缺陷：指雜質(zhì)原子進(jìn)入基質(zhì)晶體中所形成的缺陷。按照缺陷的幾何特征分類：

點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日點(diǎn)缺陷：晶格結(jié)點(diǎn)粒子發(fā)生局部錯(cuò)亂的現(xiàn)象。

按引起點(diǎn)缺陷的粒子不同，可分為：錯(cuò)位粒子、間隙粒子、雜質(zhì)粒子和空位。第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日雜質(zhì)粒子缺陷間隙粒子缺陷空位缺陷錯(cuò)位粒子缺陷本征缺陷雜質(zhì)缺陷第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日線缺陷：晶體中某些區(qū)域發(fā)生一列或若干列粒子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象稱為線缺陷,又稱位錯(cuò)。

線缺陷有兩種基本類型：

刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)

線缺陷第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

理想晶體原子面堆積含有刃型位錯(cuò)晶體原子面堆積含有螺型位錯(cuò)晶體原子面堆積第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

面缺陷面缺陷：由點(diǎn)缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少整個(gè)一層的粒子,形成了層錯(cuò)現(xiàn)象;也可以看成是整個(gè)一層的粒子所構(gòu)成的晶面錯(cuò)開形成的缺陷。按照兩側(cè)晶體間的幾何關(guān)系，面缺陷可分為：

平移界面(堆垛層錯(cuò))孿晶界面位錯(cuò)界面(晶粒邊界)第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

體缺陷體缺陷：

由點(diǎn)缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在著空洞或夾雜有包裹物等,使晶體內(nèi)部的空間晶格結(jié)構(gòu)整體上出現(xiàn)了一定形式的缺陷。第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶體缺陷引起晶格局部彈性變形稱晶