第一章晶体结构(四晶体的结构与性质--无机化合物结构)

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时才表现出来,故得其名。热释电晶体可以用来作红外探测器。
纤锌矿型结构的晶体,如ZnS、CdS、GaAs等和 其它II与IV族,III与V族化合物,制成半导体器件,可 以用来放大超声波。这样的半导体材料具有声电效应。 通过半导体进行声电相互转换的现象称为声电效应。
二、AX2型结构
AX2型结构主要有萤石(CaF2,fluorite)型,金红石 (TiO2,rutile)型和方石英(SiO2,-cristobalite)型结构。 其中CaF2为激光基质材料,在玻璃工业中常作为助熔剂和晶 核剂,在水泥工业中常用作矿化剂。TiO2为集成光学棱镜材 料,SiO2为光学材料和压电材料。AX2型结构中还有一种层 型的CdI2和CdCl2型结构,这种材料可作固体润滑剂。AX2 型晶体也具有按r+/r-选取结构类型的倾向,见表1-7。
(a)晶胞结构图
(b)(001)面上的投影图
图1-20 金红石(TiO2)型结构
TiO2除金红石型结构之外,还有板钛矿和锐钛矿两 种变体,其结构各不相同。常见金红石结构的氧化物有 SnO2,MnO2,CeO2,PbO2,VO2,NbO2等。TiO2在光 学性质上具有很高的折射率(2.76),在电学性质上具 有高的介电系数。因此,TiO2成为制备光学玻璃的原料, 也是无线电陶瓷中常用的晶相。
结构中O2-离子作变形的六方最紧密堆积,Ti4+离子在晶胞顶点及 体心位置,O2-离子在晶胞上下底面的面对角线方向各有2个,在晶胞 半高的另一个面对角线方向也有2个。
Ti4+离子的配位数是6,形成[TiO6]八面体。O2-离子的配位数是3, 形成[OTi3]平面三角单元。Ti4+填充八面体空隙的1/2。晶胞中TiO2的 分子数为2。整个结构可以看作是由2套Ti4+的简单四方格子和4套O2的简单四方格子相互穿插而成。
萤石结构的解理性:由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有 被Ca2+填充,所以,在{111}面网方向上存在着相互毗邻的同号离子 层,其静电斥力将起主要作用,导致晶体在平行于{111}面网的方向
上易发生解理,因此萤石常呈八面体解理。
常见萤石型结构的晶体是一些四价离子M4+的氧化 物MO2,如ThO2,CeO2,UO2,ZrO2(变形较大)等。
碱金属元素的氧化物R2O,硫化物R2S,硒化物 R2Se,碲化物R2Te等A2X型化合物为反萤石型结构,它 们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反,即碱金属 离子占据F-离子的位置,O2-或其它负离子占据Ca2+的位 置。这种正负离子位置颠倒的结构,叫做反同形体。
2.金红石(TiO2)型结构
金红石属于四方晶系,点群4/mmm,空间群P4/mnm,其结构如 图1-20所示。
1.NaCl型结构
NaCl属于立方晶系(见图1-15),晶胞参数的关系是 a=b=c,===90o,点群m3m,空间群Fm3m。结构中Cl- 离子作面心立方最紧密堆积,Na+填充八面体空隙的100%; 两种离子的配位数均为6;配位多面体为钠氯八面体[NaCl6] 或氯钠八面体[ClNa6];八面体之间共棱连接(共用两个顶 点);一个晶胞中含有4个NaCl“分子”,整个晶胞由Na+离 子和Cl-离子各一套面心立方格子沿晶胞边棱方向位移1/2晶 胞长度穿插而成。
闪锌矿属于立方晶系,点群3m,空间群F3m,其结构与金刚石 结构相似,如图1-17所示。
结构中S2-离子作面心立方堆积,Zn2+离子交错地填充于8个小立 方体的体心,即占据四面体空隙的1/2,正负离子的配位数均为4。 一个晶胞中有4个ZnS“分子”。整个结构由Zn2+和S2-离子各一套面 心立方格子沿体对角线方向位移1/4体对角线长度穿插而成。由于 Zn2+离子具有18电子构型,S2-离子又易于变形,因此,Zn-S键带有 相当程度的共价键性质。常见闪锌矿型结构有Be,Cd,Hg等的硫 化物,硒化物和碲化物以及CuCl及-SiC等。
1.4晶体的结构与性质--无机化合物结构
晶体的结构:
晶体所属的晶系 晶体中质点的堆积方式及空间坐标 配位数、配位多面体及其连接方式 晶胞分子数 空隙填充情况
特定的晶体结构对晶体性能的影响
材料组成-结构-性能之间的相互关系
本节介绍以下内容:
一、AX型结构, 二、AX2型结构, 三、A2X3型结构, 四、 ABO3型结构, 五、 AB2O4型(尖晶石,spinelle)结构, 六、无机化合物结构与鲍林规则
层内[CdI6]八面体之间共面连接(共用3个顶 点),见图1-21(b),由于正负离子强烈的极化 作用,层内化学键带有明显的共价键成分。层间通 过分子间力结合。由于层内结合牢固,层间结合很 弱,因而晶体具有平行(0001)面的完全解理。
常见CdI2型结构的层状晶体是Mg(OH)2, Ca(OH)2等晶体。
图1-21 碘化镉型结构
三、A2X3型结构
A2X3型化合物晶体结构比较复杂,其中有代表 性的结构有刚玉(corundum)型结构,稀土A、B、 C型结构等。由于这些结构中多数为离子键性强的化 合物,因此,其结构的类型也有随离子半径比变化的 趋势,如图1-22所示。
Te
B型稀土
Se
氧化物
CN=6
图1-15 NaCl晶胞图
NaCl型结构在三维方向上键力分布比较均匀,因此其 结构无明显解理(晶体沿某个晶面劈裂的现象称为解理), 破碎后其颗粒呈现多面体形状。
常见的NaCl型晶体是碱土金属氧化物和过渡金属的二 价氧化物,化学式可写为MO,其中M2+为二价金属离子。 结构中M2+离子和O2-离子分别占据NaCl中Na+和Cl-离子的 位置。这些氧化物有很高的熔点,尤其是MgO(矿物名称 方镁石),其熔点高达2800℃左右,是碱性耐火材料镁砖 中的主要晶相。
(a)晶胞结构图
(b)[CaF8]立方体 及其连接
(c)[FCa4]四面体及 其连接
图1-19 萤石型结构
结构-性能关系
CaF2与NaCl的性质对比:F-半径比Cl-小,Ca2+半径比Na+ 稍大,综合电价和半径两因素,萤石中质点间的键力比NaCl中的键 力强,反映在性质上,萤石的硬度为莫氏4级,熔点1410℃,密度 3.18,水中溶解度0.002;而NaCl熔点808℃,密度2.16,水中溶解度 35.7。
表1-4 AX型化合物的结构类型与r+/r-的关系
结构类型 CsCl 型 NaCl 型
ZnS 型
r+/r1.000~0.732 0.732~0.414
0.414~0.225
实例(右边数据为 r+/r-比值) CsCl 0.91 CsBr 0.84 CsI 0.75 KF 1.00 SrO 0.96 BaO 0.96 RbF 0.89 RbCl 0.82 BaS 0.82 CaO 0.80 CsF 0.80 PbBr 0.76 BaSe 0.75 NaF 0.74 KCl 0.73 SrS 0.73 RbI 0.68 KBr 0.68 BaTe 0.68 SrSe 0.66 CaS 0.62 KI 0.61 SrTe 0.60 MgO 0.59 LiF 0.59 CaSe 0.56 NaCl 0.54 NaBr 0.50 CaTe 0.50 MgS 0.49 NaI 0.44 LiCl 0.43 MgSe 0.41 LiBr 0.40 LiF 0.35 MgTe 0.37 BeO 0.26 BeS 0.20 BeSe 0.18 BeTe 0.17
(a)晶胞结构
(b)(001)面上的投影 (c)[ZnS4]分布及连接
图1-17 闪锌矿结构
4.六方ZnS(纤锌矿,wurtzite )型结构及热释电性
(1)结构解析 纤锌矿属于六方晶系,点群6mm,空间群P63mc,晶胞结构如图
1-18所示。 结构中S2-作六方最紧密堆积,Zn2+占据四面体空隙的1/2,Zn2+和
表1-7 AX2型结构类型与r+/r-的关系
结构类型
r石 0.414~0.732 (TiO2)型
-方石英型 0.225~0.414
实例(右边数据为 r+/r-比值) BaF2 1.05 PbF2 0.99 SrF2 0.95 HgF2 0.84 ThO2 0.84 CaF2 0.80 UO2 0.79 CeO2 0.77 PrO2 0.76 CdF2 0.74 ZrO2 0.71 HfF2 0.67 ZrF2 0.67 TeO2 0.67 MnF2 0.66 PbO2 0.64 FeF2 0.62 CoF2 0.62 ZnF2 0.62 NiF2 0.59 MgF2 0.58 SnO2 0.56 NbO2 0.52 MoO2 0.52 WO2 0.52 OsO2 0.51 IrO2 0.50 RuO2 0.49 TiO2 0.48 VO2 0.46 MnO2 0.39 GeO2 0.36 SiO2 0.29 BeF2 0.27
3.碘化镉(CdI2)型结构
碘化镉属于三方晶系,空间群P3m,是具有层状结构的晶体,如 图1-21所示。
Cd2+离子位于六方柱晶胞的顶点及上下底面的中心,I-位于Cd2+ 三角形重心的上方或下方。每个Cd2+处在6个I-组成的八面体的中心, 其中3个I-在上,3个I-在下。每个I-与3个在同一边的Cd2+相配位。I -离子在结构中按变形的六方最紧密堆积排列,Cd2+离子相间成层地 填充于1/2的八面体空隙中,形成了平行于(0001)面的层型结构。每 层含有两片I-离子,一片Cd2+离子。
1.萤石(CaF2)型结构及反萤石型结构
立方晶系,点群m3m,空间群Fm3m,如图1-19所示。 Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置,形成面心立方堆积,F-填充 在八个小立方体的体心。
Ca2+的配位数是8,形成立方配位多面体[CaF8]。F-的配位数是4, 形成[FCa4]四面体,F-占据Ca2+离子堆积形成的四面体空隙的 100%。 或F-作简单立方堆积,Ca2+占据立方体空隙的一半。 晶胞分子数为4。 由一套Ca2+离子的面心立方格子和2套F-离子的面心立方格子相互 穿插而成。
(Pauling’s rule)。
一、AX型结构
AX型结构主要有CsCl,NaCl,ZnS,NiAs等类型的 结构,其键性主要是离子键,其中CsCl,NaCl是典型的离 子晶体,NaCl晶体是一种透红外材料;ZnS带有一定的共 价键成分,是一种半导体材料;NiAs晶体的性质接近于金 属。
大多数AX型化合物的结构类型符合正负离子半径比 与配位数的定量关系,见表1-4。只有少数化合物在r+/r0.732或r+/r-0.414时仍属于NaCl型结构。如KF,LiF, LiBr,SrO,BaO等。
C型稀土
S CN=3
刚玉
氧化物 A型稀土
Ln-Nd
氧化物
O B2O3
Al、Cr、Fe Mn Sc In Sm-La
0.42 0.32
2.CsCl型结构
CsCl属于立方晶系,点群m3m,空间群Pm3m,如 图1-16所示。结构中正负离子作简单立方堆积,配位数 均为8,晶胞分子数为1,键性为离子键。CsCl晶体结 构也可以看作正负离子各一套简单立方格子沿晶胞的体 对角线位移1/2体对角线长度穿插而成。
图1-16 CsCl晶胞图
3.立方ZnS(闪锌矿,zincblende)型结构
S2-离子的配位数均为4。六方柱晶胞中ZnS的“分子数”为6,平行六 面体晶胞中,晶胞分子数为2。结构由Zn2+和S2-离子各一套六方格子穿 插而成 。
常见纤锌矿结构的晶体有BeO、ZnO、CdS、GaAs等晶体。
图1-18 纤锌矿结构六方柱晶胞
(2)纤锌矿结构与热释电性及声电效应
某些纤锌矿型结构,由于其结构中无对称中心存在,使得晶体具有 热释电性,可产生声电效应。热释电性是指某些象六方ZnS的晶体,由 于加热使整个晶体温度变化,结果在与该晶体c轴平行方向的一端出现 正电荷,在相反的一端出现负电荷的性质。晶体的热释电性与晶体内部 的自发极化有关。实际上,这种晶体在常温常压下就存在自发极化,只 是这种效应被附着于晶体表面的自由表面电荷所掩盖,只有当晶体加热
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