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金属学原理 第一章 晶体学(Crystallography)

金属学原理 第一章 晶体学(Crystallography)
材料科学基础
金属学
北京科技大学 材料科学与工程学院
第一章
晶体学(Crystallography)
现代使用的材料绝大部分是晶态(Crystalline)材料。 晶态材料包括单晶材料、多晶材料、微晶材料和液晶材 料等。我们日常使用的各种金属材料大部分是多晶材料。
天然晶体具有规则外形和宏观对称性
高分辨率电镜(High Resolution Electron Microscopy, HREM)直接 观察晶体中原子的规则排列。
晶体科学既是很多学科的基础,又是很多学科的边 缘和交叉,它包含广泛的内容: (1)晶体几何学(Geometrical Crystallography),研究晶体的外 表几何形状及它们之间的规律性; (2)晶体结构学(Crystallogy),研究晶体内部质点排列的规 律性以及晶体结构的不完整性; (3)晶体生成学(Crystallogeny),研究天然以及人工晶体的 发生、成长和变化过程及其机制; (4)晶体物理学(Crystallophysis):研究晶体的光学、电学、 力学等物理性质以及和它们相关的结构对称性; (5)晶体化学(Crystallochemistry),研究晶体的化学组成和晶 体结构与晶体物理化学性质间的关系。
1.2 点阵、晶体结构(Lattice, Crystal Structure)
晶体是由结构基元在空间呈不随时间变化的规则的三 维周期排列而形成的,因此,研究晶体微观结构的首要任 务就是研究周期排列的规律性。
在研究结构基元周期排列的规律性时,往往把结构基 元抽象为一个几何点。这样,结构基元的三维周期排列就 被抽象为点的三维周期排列(称空间点阵)。研究结构基 元的三维周期排列规律就可以转化为研究点的三维周期排 列规律。

晶体学基础PPT课件

晶体学基础PPT课件

14
2.1.2 晶向指数和晶面指数
晶向:空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的 连线的方向,代表了晶体中原子列的方向。
晶面:空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面, 代表了晶体中原子列的方向。 c
阵点坐标 op ua vb wc
b
a
15
1. 晶向指数
c
求法:
1)确定坐标系
[101]
3! 4 4组,如{111} 3!
d)h k l 有一个为0,应除以2,则有
3! 4 12组,如{1 2 0} 2
有二个为0,应除以22,则有
3! 2!22

4

3组,如{1
0
0}
24
3.六方晶系指数
三坐标系 a1,a2,c
120°
四轴坐标系 a1,a2,a3,c
120°
120°
(h k i l ) [u v t w]
晶胞 原胞
差别:晶胞能完整反映晶体内部原 子或离子在三维空间分布;原胞一 般不能保持晶体结构的对称性
8
5.晶系与布拉菲点阵 七个晶系,14个布拉菲点阵
• 简单晶胞(初级晶胞):只有在平行六面体每个顶角上有一阵点 • 复杂晶胞: 除在顶角外,在体心、面心或底心上有阵点
9
5.晶系与布拉菲点阵 七个晶系,14个布拉菲点阵
第二章 固体结构 The structure of Solids
气态
物质
液态 固态
晶体:原子在空间呈有规则的周期性重复排列 非晶体: 原子在空间无规则排列
金的原子力 显微照片
1
高分辨率电镜直接观察晶体中原子的排列
2
※ 2.1 晶体学基础
晶体结构的基本特征:原子(或分子、离子)在三维空 间呈周期性重复排列,即存在长程有序

crystall ography

crystall ography
棱方晶系
正交晶系
单斜晶系
三斜晶系
8
Simple cubic
FCC
BCC
Simple tetragonal
BCT
Simple hexagonal
Trigonal
Orthorhombic
Based-center
BCO
FCO
9 Monoclinic Based-center Monoclinic Triclinic
11
Crystallographic plane 晶面
-- specified(规定,表示) by three Miller indices as (hkl). -- procedure employed in determination of h, k, and l index numbers is: (1) a new origin must be established at corner of another unit cell once the plane passes through selected origin.
6
seven crystal systems
-- crystals are found having seven different possible combinations 组合 of a, b, and c, and α , β, and γ, each of which represents a distinct crystal system. -- the seven crystal systems are
Fundamental Concepts in Crystallography
Quartz-crystal

Crystallography_2013partIII.ppt

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! ! ! ∫ ρ (y )ρ (y − X )dy ! ! ! ! ! ! ! ! € = ∫ {[ ∫ ρ ( x ) exp(2πik • x )dx ][ ∫ ρ (− x ) exp(2πik • x )dx ]} exp(−2πik • X )dk ! ! ! ! = ∫ F (k )F * (k ) exp(−2πik • X )dk ! ! ! = ∫ I (k ) exp(−2πik • X )dk ! P(X ) =
Harker peaks and Harker sections
l Harker peaks: peaks in the Patterson map corresponding to vectors between spacegroup equivalent atoms l Harker sections: portions of the Patterson map that contain many such Harker peaks
Crystallography Course
part III, structure determination and refinement
Xiang Song 2013-12
Math preparation
l Representation of a wave on a complex plane
Methods to solve the phase problem
Protein structures
l Molecular Replacement (MR) l Single/Multiple Isomorphous Replacement (SIR/MIR) l Single/Multiple wavelength Anormalous Dispersion (SAD/MAD)

晶面指数PPT幻灯片课件

晶面指数PPT幻灯片课件

正交点阵中一些晶面的晶面指数
17
在立方晶系中,具有相同指数的晶向和晶面 必定是互相垂直的。 [110]垂直于(110),[111]垂直于(111)。
立方晶系(001)面原子排列图
18en1d8
2.1.2.3 六方晶系指数 (1)晶面指数
a1=a2≠c α=β=90° γ=120°
2.1 晶体学基础
u v w 分别为沿三个点阵矢量的 平移量,是阵点P的坐标
晶向指数的表示方法 [uvw]
晶向指数的确定方法: 1、原点 坐标轴 长度单位 2、作平行于待定晶向的直线OP 3、距原点最近阵点P的坐标 4、化为最小整数
2
[_100][01_0][00_1] [100][010][001]
[111] [221] [-1-1-2]
39
2.1.3 晶体的对称性
2.1.3.1 对称元素
a.宏观对称元素
( 2 ) 对称面
与m对应的对称 操作是反映
立方晶系 {100}
对称面
40
在立方晶系中 {110}
2.1.3 晶体的对称性 2.1.3.1 对称元素
a.宏观对称元素
( 2 ) 对称面
[110]
41
2.1.3 晶体的对称性
2.1.3.1 对称元素 a.宏观对称元素
25
晶向族<11-20>
[U V W]与[ u v t w ] 互换关系为:
26
晶向族<1-213>
[1-213] [0-11]
[111] [11-23]
[110] [11-20]
27
画出[1-213] [1-211] 画出[2-1-11]
[0-11]

金属学基础--晶向指数和晶面指数ppt课件

金属学基础--晶向指数和晶面指数ppt课件
有二个为0,应除以22,则有3组,如{100}。
.
14
{11}0(11)0(110)(10)1 (101)(01)1(011)
Total: 6
{11}1(11) 1(11)1(111) (111)
Total: 4
.
15
{11}2(11)2(112)(112)(112) (12)1(121)(121)(121) (21)1(211)(211)(211)
Total: 12
{123}(123)(123)(123)(123)(132)
(132)(132)(132)(231)(231)
(231)(231)(213)(213)(213)
(213)(312)(312)(312)(312)
(321)(321)(321)(321)
Total: 4×3!=24
.
16
.
38
晶面间距(Interplanar crystal spacing)
两相邻近平行晶面间的垂直距离—晶面间距,用dhkl表示。
从原点作(h k l)晶面的法线,则法线被最近的(h k l) 面所交截的距离即为晶面间距
d hkl
a h
cos
b k
cos
c l
cos
d hkl 2
h a
2
k b
2
l c
2
cos2 cos2 cos2
.
39
正交晶系 立方晶系 六方晶系
dhkl
1
h2
k
2
l
2
a b c
a dhkl h2 k2 l
1
dh kl
43h2
hkk2 a2

结晶学和矿物学课件-03-晶体投影17页PPT文档

结晶学和矿物学课件-03-晶体投影17页PPT文档

(b)
第三章 晶体的测量与投影
小结
(1)习惯用上半球投影表示 ,下半球投影表示×。 对应:上半球晶面 ,下半球晶面×
(2)晶面法线投影: 水平面――投影点在基圆中心; 直立面――投影点在基圆基圆上; 倾斜面――投影点位于基圆中心和基圆之间。
(3)晶体上平面的投影: 平行基圆的平面―投影圆平行基圆; 垂直基圆的平面―投影为直线; 斜交基圆的平面―投影为弧线;
以赤道平面为投影平面,以南极(或北极)为视点,将球面 上的各个点、线进行投影。
投影基圆是投影平面
大圆: 过球心的平面
大圆弧
小圆: 平面半径小于球的半径
小圆弧
第三章 晶体的测量与投影
3.3 极射赤平投影 (stereographic projection)
N
(a)
S(b)
结晶学与矿物学 3.3 极射赤平投影 (stereographic projection)
第三章 晶体的测量与投影
3-1 晶体投影 (Crystal Projection)
目的: 通过投影将晶体上具有特定空间方位、取向的晶面置于平 面内,以此分析晶面分布的几何规律。
第三章 晶体的测量与投影
3-1 晶体的球面投影 (Spherical projection of crystal)
晶体的球面投影
2、作立方体、四方柱、八面体和三方锥的赤平投影 图。
3 、已知磷灰石晶体上,m ∧ m=60°, m ∧ r=40°,作 其所有晶面的投影,并在投影图中求 r∧ r。
谢谢!
各晶面法线之投影。亦即设想以晶体的中心为球 心,任意长为半径,作一球面;然后从球心出发 (注意:不是从每个晶面本身的中心出发),引 每一晶面的法线,延长后各自交球面于一点,这 些点便是相应晶面的球面投影点。

第1章晶体学PPT课件

第1章晶体学PPT课件

.
34
点群
利用对称要素组合定律和结晶多面体的形态特 点可以推导出晶体的宏观对称性只有32种,称为32 种点群(或对称型),晶体只属于32种对称型中的一 种。
将32种对称性分为7种晶系 。 划分晶系的依据是特征对称性而不是晶胞参数。
.
35
32个宏观对称性(点群)
.
36
.
37
空间群
除了宏观对称要素之外,还有平移、平移与旋 转结合形成的螺旋对称轴、平移和反映结合形成的 滑移反映面等微观对称要素。
②把终点坐标减去起点坐标: u’=u2-u1, v’=v2-v1,w’=w2-w1;
③化为最小整数,给出指数u、
v、w。则[uvw]就是所求晶向 指数。
如OF: X Y Z ½½1
uvw 1 12
与晶面标定
方法不同
晶向[ 1 1 2]
.
50
注意: ①晶向指数[uvw]中如果某一个数字
为负,则将负号标注在该数的上方。 ②一个晶向指数并不表示一个晶向,而是一组相互平
.
9
空间点阵、晶格
阵点的两大特点: 排列的周期性 等同性
晶格
为了便于描述空间点 阵的图形,用许多组假想 的平行直线将阵点连接起 来构成空间格子,这些空 间格子称为晶格。
.
10
晶胞概念的由来
为了说明点阵排列的规律和特点,可以在空间点阵中取出一
个最有代表性的基本单元作为点阵的组成单元,其基本单元称为
空间点阵 + 结构基元
.
晶体结构
15
1.3 晶体的对称性
晶体多面体最 显著特点就是 对称,对于参 观者来说,对 称就是几何形 体中相同部分 有规律地重复 出现。
.

Crystallography_2013partI.ppt

Crystallography_2013partI.ppt
Unit cell: Primitive vectors:
è
b
a x’ = x + l a + m b
l, m: integers
è è
è
3D translational symmetry, crystal lattice
Primitive vectors:
c a
è
è
è
b
x’ = x + l a + m b + n c
Point groups, crystal systems and Laue classes
Crystal systems
Unit cell parameters: a, b, c, α, β, γ
Types of unit cells
Primitive
x’ = x + l a + m b + n c
l, m, n: integers
è
è
è
The right hand rule
Unit cell parameters
Unit cell parameters: a, b, c, α, β, γ
Directions in a crystal
Plane families in a crystal
An A and B centered cell must be F centered
x’ = x + l a + m b + n c (1) or x’ = x + l a + m b + n c + 0.5b + 0.5c (A centered)
è è è è è è è è

光的干涉PPT课件

光的干涉PPT课件
哪个表面反射的光线叠加而成的( )D.
A.a的上表面和b的下表面 B.a的上表面和b的上表面 C.a的下表面和b的下表面 D.a的下表面和b的上表面


S1
光S
S2
双缝

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4
双缝干涉图样


激 光
S1

S2
双缝

暗条纹的中心线 暗条纹的中心线 亮条纹的中心线 亮条纹的中心线
图样有何特征? 明暗相间 等间距 中央亮条纹
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5
出现明暗相间条纹的条件
S1
亮条纹
亮条纹
S2
出现亮条纹的条件
s 2n• ( n=0,1,2,3…)
A、仍在P处 B、在P点的上方 C、在P点的下方
P
2 1
0 1
2
D、将不存在亮条纹
频率增大,波长减小。条纹距中心条纹
间距减小。C=λf精选ppt课件最新
18
3、在做双缝干涉实验时,若用红、
绿下两面块说玻法璃中分正别确挡的在是一条狭( 缝C 前)面,
A.屏上形成明暗相间的干涉条纹. B.屏上形成红、绿相间的干涉条纹 C.屏上不能形成干涉条纹 D.以上说法都不正确
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19
4.一束单色平行光,通过双缝在屏上
得到干涉条纹,则( BC )
A.相邻明条纹或暗条纹的间距不相等 B.用红光做实验比用紫光做实验得到 的明条纹或暗条纹的间距大 C.屏上某暗条纹中一点到两缝的距离 的差等于半波长的奇数倍 D.如改用白光做实验,得不到干涉条 纹
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A.用频率f1的单色光照射时,P点出现明条纹
B.用频率f2的单色光照射时,P点出现明条纹

第二章 晶向检测(之一)

第二章  晶向检测(之一)

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13
该型定向仪仪专门用于硅单晶锭的粘结,是和多线切割机配 套使用的半导体行业专用设备。
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14
(三) X射线衍射法
1、X射线简介
X射线的波长范围一般为10-2~102Å,有强的穿透能力,原 子和分子的距离(1~10 Å)正好在X射线的波长范围之内,X 射线对物质的散射和衍射能传递丰富的微观结构信息,因此X 射线衍射是研究物质微观结构的最主要的方法。
测量时将样品置于衍射仪的测角仪上,由x射线源发出的射线, 经滤光片后得到单色x射线照射到样品上,使样品表面与入射X射
线束的掠射角为θ。
精选2021版课件
35
精选2021版课件
36
精选2021版课件
37
精选2021版课件
38
(hkl)
I
Simple Cubic
20o
Bragg’s Law:
2
40odhkl
21
对于半导体硅,它具有金刚石结构,其晶格常数a= 5.43073Å,其面间距与一些主要的低指数晶面(h、k、l) 的关系为;
dhk la/ h2k2l2 (2.2),表2.4
精选2021版课件
22
X-ray Diffraction Pattern
BaTiO3 at T>130oC
(hkl)
I
Simple Cubic
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18
精选2021版课件
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精选2021版课件
20
X射线入射 掠射角
X射线被晶格原子散射后出射
上原子层
下原子层
布拉格定律衍射
当相邻原子面散射后的光程差(2dsinθ)等于入射光波长的 整数倍时,即
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Math preparations
l Vector summation
Math preparations
Vector products
Dot product
Cross product
Light is a wave
Mathematical representations of light:
A cos ϕ Aeiϕ
A, amplitude, intensity of light is:
I= A
2
φ, phase:
ϕ = ϕ 0 + 2π ( ft + r / λ )
f: light frequency λ: wavelength r: distance
Phase differences of light created by different path-lengths
Diffraction by a crystal with a primitive unit cell
The reciprocal lattices
! ! ! ! Diffracting condition of a crystal is: (ua + vb + wc ) • Δk = n (1) for all possible u, v, w. u, v, w and n are integers. ! ! ! ! Δk can be repsented by a different set of primitive vectors a*, b* and c*: ! ! ! ! Δk = ha* + kb* + l c*, ! ! ! if a*, b* and c* satisfy the following: ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! a* • a=1, a* • b=0, a* • c=0; b* • a=0, b* • b=1, b* • c=0; c* • a=0, c* • b=0, c* • c=1; Diffraction condition of a crystal (equation (1)) becomes: uh+vk+wl=n (2), for all possible u, v, w; hence h, k, l must be integers. ! ! ! The lattice with primitive vectors a*, b*, c* is called the reciprocal lattice, ! ! ! the original lattice with primitive vectors a, b, c is called the direct lattice, h, k, l are called diffraction indexes.
Non-primitive unit cells apply additional restrictions to h, k, l
! For a C-centered cell, for every poistion (reprsented by vector r) in the crystal, ! there are equivelant positions r' that: ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! r ' = r + ua + vb + wc, or r ' = r + ua + vb + wc + 0.5a + 0.5b The diffracting condition (2) becomes: uh + vk + wl = n and uh + vk + wl + 0.5(h + k ) = n for all possible u, v, w. u, v, w and n are integers. Hence in addition to h, k, l must be integers, (h+k) must be an even number. Likewise, for an I-centered unit cell, (h+k+l) must be an even number; for a F-centered cell, (h+k), (h+l) and (k+l) must all be even numbers.
Possible diffractions within a resolution range
1/dmax
O
1/dmin
Reciprocal space
Why X-ray crystallography?
Resolution d=λ/2sin Θ
Data collection setup
Data collection
Real crystals: • Deviations from ideal lattice periodicity causes reciprocal lattice points to grow “fat” • Each diffraction is spread over a range of rotation • Mosaicity of a diffraction is the range of rotation over which it is spread
2π 2π ( BD + BC ) = ( AB cosθ1 + AB cosθ 2 ) λ λ 1 1 = 2π ( AB cosθ1 + AB cosθ 2 ) λ λ ! ! define vectors k1, k 2 of the same direction as the 1 incident and diffracting lights, with amplitudes λ ! ! ! 1 AB cosθ1 = (r1 − r2 ) • (−k1 ) λ ! ! ! 1 AB cosθ 2 = (r1 − r2 ) • k2 λ Δϕ = ! ! ! ! ! ! Δϕ = 2π [(r1 − r2 ) • (−k1 ) + (r1 − r2 ) • k2 ] ! ! ! ! = 2π (r1 − r2 ) • (k1 − k2 ) ! ! = 2πΔr • Δk therefore
Graphical representation of the diffracting condition, the Ewald sphere
! ! ! ! Δk = ha* + kb* + l c*, Diffraction condition, h, k, l must be integers
Crystallography Course
part II, diffraction, data collection and processing
Xiang Song 2013-12
Math preparations
Euler’s formula eiφ = cosφ + i sinφ, i = −1 The real part of eiφ is cosφ
Resolution, Bragg’s law
Resolution d=λ/2sinθ
Resolution in the direct and reciprocal space
Direct space: d=λ/2sinθ
Reciprocal space: d*=2(1/λsinθ)
d*=1/d
The reciprocal lattices
If ! ! ! a* = (1 / V )(b × c ) ! ! ! b * = (1 / V )(c × a ) ! ! ! c * = (1 / V )(a × b ) V , volume of the unit cell in the direct lattice: ! ! ! V = a • (b × c ) = ! ! ! ! ! ! b • (c × a ) = c • ( a × b )
l A rotation in the direct space corresponds to a SAME rotation in the reciprocal space, but the axis has to pass the origin l A translesponds to ZERO movement in the reciprocal space
Data processing
l Data processing determines: ¡ the hkl index for each diffraction ¡ their intensities ¡ the space group of the crystal l Steps to take in data processing ¡ Indexing, determine the crystal system, index each diffraction ¡ Integration, read out the intensities of each diffraction on each image ¡ Scaling, merge data from all diffraction images, determine the space group
l Purpose: record intensities for all possible diffractions within a resolution range l Method 1: rotating single crystal
A diffraction image is collected over a small degree of rotation, many images of a continuous rotation are collected
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