晶体与非晶体课件

组织
2.2 晶体与非晶体 2.2.1 结构和特点 结构和特点-2.2.1.1晶体和非晶体的结构特点 晶体和非晶体的结构特点
晶体和非晶体结构示意图
（1）晶体 原子或原子团、 原子或原子团、离子或分 子在空间按一定规律成周 期性排列构有序
原子、离子或分子 原子、 在空间无规则堆积 在一起所形成
晶体和非晶体比较-XRD图比较 图比较 晶体和非晶体比较
晶体的XRD峰较 峰较 晶体的 窄，非晶态的 XRD峰逐渐宽化 峰逐渐宽化
X-射线衍射 射线衍射 图（XRD） ）
晶体和非晶体比较晶体和非晶体比较-形态变化
T
晶体 非晶体
t
此方法可区别晶体与非晶体
2.2.1.2单晶和多晶体比较 单晶和多晶体比较
2.3 晶体的结构和性质
2.3.1 晶体的宏观特性 1．规则的几何外形 2．晶面角守恒 3．有固定的熔点 4．物理性质的各向异性
石英晶体的若干外形图
石英晶体的不同样品中， 、 晶面间夹角总是 晶面间夹角总是113 石英晶体的不同样品中，a、c晶面间夹角总是 o08’，b、 ， 、 c晶面夹角总是 o00’，所以晶面角才是晶体外形的特征 晶面夹角总是120 晶面夹角总是 ， 因素。这个普遍的规律被概括为晶面角守恒定律： 因素。这个普遍的规律被概括为晶面角守恒定律：属于同 一晶种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变， 一晶种的晶体，两个对应晶面间的夹角恒定不变，晶面角 守恒表明同一种晶体，其内部结构的规则性是相同的。 守恒表明同一种晶体，其内部结构的规则性是相同的。
晶界
小角度晶界-相邻晶粒的位向差小于10°的晶界； 小角度晶界-相邻晶粒的位向差小于10°的晶界； 10 亚晶界均属小角度晶界，一般小于2 亚晶界均属小角度晶界，一般小于2° 大角度晶界-相邻晶粒的位向差大于10 的晶界， 10° 大角度晶界-相邻晶粒的位向差大于10°的晶界， 多晶体中90 以上的晶界属于此类。 90％ 多晶体中90％以上的晶界属于此类
由于局部地方格点的破坏导致平移操作 无法完整地复制全部的二维点阵。这样 无法完整地复制全部的二维点阵。 的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体， 的晶体，我们就称之为含缺陷的晶体， 对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。 对称性破坏的局部区域称为晶体缺陷。
2.4 .1 晶体缺陷的分类
结构缺陷 本征缺陷） （本征缺陷）
离开平衡位置的原子有三个去处： 一是迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上；使晶体内 部留下空位，称为Schottky空位 二是挤入点阵的间隙位置，在晶体中同时形成数目相等的空 位和间隙原子，称为Frenkel缺陷； 三是跑到其他空位中，使空位消失或空位迁移； 四是一定条件下，晶体表面的原子也可能跑到晶体内部的间 隙位置形成间隙原子； 对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质原子等点 缺陷外，还有其特有的点缺陷。
刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的 边界线。它可以是直线、折现或曲线， 边界线。它可以是直线、折现或曲线，但必须与滑 移方向垂直，也垂直于滑移矢量。 移方向垂直，也垂直于滑移矢量。 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面， 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面， 在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线 在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中， 和滑移矢量相互垂直， 和滑移矢量相互垂直，因此他们所构成的平面只有 一个。 一个。 对于高分子晶体除了上述的空位、 对于高分子晶体除了上述的空位、间隙原子和杂质 原子等点缺陷外， 原子等点缺陷外，还有其特有的点缺陷。
2.3.2 布拉格点阵与晶系 （1） 布拉格点阵 ）
格子的结点： 格子的结点：点阵结构 点阵的质点：原子、分子、离子、 点阵的质点：原子、分子、离子、原子团 每个结点有完全相同的周围环境
NaCl的晶体结构 NaCl的晶体结构 a、b、c 、 、 晶胞参数
晶体的晶胞参数
α、β、γ
晶体结构＝点阵 结构基元 晶体结构＝点阵+结构基元
3．对电学性质的影响 由于晶格中空位缺陷的存在， 由于晶格中空位缺陷的存在，对各类晶体的电导 率产生不同的影响。 率产生不同的影响。 因为在电场作用下，离子会通过空位而移动， 因为在电场作用下，离子会通过空位而移动，从 而增高了离子晶体的电导率； 而增高了离子晶体的电导率； 但对电子导电的金属体而言， 但对电子导电的金属体而言，则因其内部缺陷浓 度的增加而导致了电阻率的增高。 度的增加而导致了电阻率的增高。 杂质对于晶体， 杂质对于晶体，特别是对半导体材料的电学性质 的影响十分显著。 的影响十分显著。这主要是由于杂质元素的引入改变 了半导体的能带结构。 了半导体的能带结构。因此许多半导体原料在制成器 件前都要“掺杂” 控制掺杂元素的种类和浓度， 件前都要“掺杂”，控制掺杂元素的种类和浓度，即 可得到不同类型的、电阻率范围不同的半导体材料。 可得到不同类型的、电阻率范围不同的半导体材料。
4．对晶体颜色的影响 晶体的颜色与晶体缺陷密切相关。 晶体的颜色与晶体缺陷密切相关。如Cr2O3本身是绿 当掺入Al 即变成红色。 色，当掺入Al2O3即变成红色。
5．对催化性能的影响 固相催化刑的催化性能与晶体表面有关。 固相催化刑的催化性能与晶体表面有关。
2.4 .1.2 位错
从滑移的角度看，位错是滑移面上上已滑移 从滑移的角度看， 和未滑移部分的交界， 和未滑移部分的交界，即晶体中某处有一列 或若干列原子发生有规律的错排现象。 或若干列原子发生有规律的错排现象。 晶体中的线缺陷是各种类型的位错， 晶体中的线缺陷是各种类型的位错，其特点 是原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸 是原子发生错排的范围， 较大，而在另外两个方向上尺寸较小， 较大，而在另外两个方向上尺寸较小，是一 个直径约在3 个原子间距、 个直径约在3-5个原子间距、长几百到几万个 原子间距的管状原子畸变区
晶体中的原子正是由于空位和间 隙原子不断的产生与复合才不听地 由一处向另一处做无规则的布朗运 动，这就是晶体中原子的自扩散， 是固体相变、表面化学热处理、蠕 变、烧结等物理化学过程的基础。
（2） 成因 ）
热致缺陷 掺杂造成缺陷 与环境杂质交换引起缺陷 外部作用引起缺陷
（3） 缺陷对晶体性质的影响 ）
晶界的特点
晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 晶界处原子排列不规则， 晶界处原子排列不规则，在常温下晶界的存在会对位错的运动 起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内 起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高， 具有较高的强度和硬度。 具有较高的强度和硬度。 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能， 晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在 较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等， 较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处原子的扩散速 度比在晶内快得多。 度比在晶内快得多。 在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大,所 在固态相变过程中,由于晶界能量较高且原子活动能力较大, 以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细,晶界越多, 以新相易于在晶界处优先形核.原始晶粒越细,晶界越多,则新相形 核率也相应越高 。 由于成分偏析和内吸附现象， 由于成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子的情况 往往晶界熔点较低。 下，往往晶界熔点较低。 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质 由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态， 原子的缘故， 原子的缘故，与晶内相比晶界的腐蚀速度一般较快
☺2.1 概述 ☺2.2 晶体与非晶体 ☺2.3 晶体的结构与性能 ☺2.4 晶体缺陷及其对性能的影响 ☺2.5 非晶态材料的结构与性能 ☺2.6 材料结构的表征
2.1 概述
组成材料最基本、 组成材料最基本、 独立的物质
组元
材料内部的亚微观、 材料内部的亚微观、 微观形貌
相
材料中具有同一化 学成分且结构相同 的均匀部分
在晶体中， 在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止 而是以平衡位置为中心作热振动。 的，而是以平衡位置为中心作热振动。 原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。 原子的振动能是按几率分布，有起伏涨落的。 当某一原子具有足够大的震动能而使振幅增 大到一定限度时， 大到一定限度时，就可能克服周围原子对它 的制约作用，跳离其原来的位置， 的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中 形成空结点，称为空位。 形成空结点，称为空位。
点缺陷 体缺陷 面缺陷 线缺陷
点缺陷：发生在晶格中一个原子尺寸范围内的一类缺陷，亦 称零维缺陷，例如空位、间隙原子等 线缺陷：缺陷只在一个方向上延伸，或称一维缺陷，主要是 各种形式的“位错”，例如晶格中缺少一列原子即形成线缺 陷 面缺陷：晶体内一个晶面不按规定的方式来堆积，部偏离周 期性点阵结构的二维缺陷，即在堆积过程中偶尔有一个晶面 不按规定的方式来堆积，于是这一层之间就产生了面缺陷。 体缺陷：指在三维方向上相对尺寸较大的缺陷，例如完整的 晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等，使得晶体内部的 空间点阵结构整体中出现了异性形式的缺陷
基元 点阵图
（2） 晶系 ）
晶面指数
2.4 晶体缺陷及对其性能的影响
2.4.1 缺陷的分类 2.4.2 缺陷对晶体性质的影响 2.4.3 非整比化合物
2.4 晶体缺陷及对其性能的影响
理想晶体
所谓平移对称性就是指对空间点阵， 所谓平移对称性就是指对空间点阵，任 选一个最小的基本单元， 选一个最小的基本单元，在空间三维方 向进行平移，这个单元能够无一遗漏的 向进行平移， 完全复制所有空间格点。 完全复制所有空间格点。
2.4 .1.1 点缺陷 （1） 概念 ）
空位 间隙原子
六十年代Kroger等建立了比较完整的缺陷研 六十年代Kroger等建立了比较完整的缺陷研 Kroger 究理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。 究理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。 缺陷化学的基本假设： 缺陷化学的基本假设： 将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质， 将晶体看作稀溶液，将缺陷看成溶质，用热 力学的方法研究各种缺陷在一定条件下的平 也就是将缺陷看作是一种化学物质， 衡。也就是将缺陷看作是一种化学物质，他 们可以参与化学反应——准化学反应，一定 准化学反应， 们可以参与化学反应 准化学反应 条件下，这种反应达到平衡状态。 条件下，这种反应达到平衡状态。