晶体结构和晶体缺陷
固体物理学的基础知识
固体物理学的基础知识固体物理学是物理学的一个重要分支，研究物质固态状态的性质和行为。
在这篇文章中，我们将介绍一些固体物理学的基础知识，包括晶体结构、晶格常数、晶体缺陷和固体力学性质等内容。
一、晶体结构晶体是指由周期性排列的原子、离子或分子组成的物质。
晶体结构描述了这些粒子在空间中的排列方式。
最基本的晶体结构是简单立方、面心立方和体心立方。
简单立方是最简单的结构，每个原子与其六个相邻原子相接触；面心立方在每个立方的面心上添加了一个原子；体心立方在每个简单立方的中心添加了一个原子。
除了这些基本结构，还存在许多复杂的晶体结构，如钻石和蓝宝石。
二、晶格常数晶格常数是描述晶体结构的一个重要参数。
它表示晶体中相邻原子之间的距离。
晶格常数可以通过实验或计算得到。
对于简单立方结构来说，晶格常数就是原子间距离；对于面心立方和体心立方结构，晶格常数与原子间距离有特定的关系。
三、晶体缺陷晶体缺陷是指晶体结构中的一些缺陷或杂质。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子；线缺陷包括位错和螺旋位错；面缺陷包括晶界和界面。
晶体缺陷对晶体的性质有重要影响，如电导率、热导率和光学性质等。
四、固体力学性质固体力学性质描述了固体对外界力的响应和变形行为。
其中最基本的性质是弹性模量。
弹性模量分为压缩模量、剪切模量和杨氏模量，它们分别描述了固体对压力、剪切力和应力的响应。
除了弹性模量，还有塑性、断裂和疲劳等力学性质值得研究。
结论固体物理学的基础知识包括晶体结构、晶格常数、晶体缺陷和固体力学性质等内容。
通过对这些知识的研究，我们可以更深入地理解固体的性质和行为，为材料科学和工程技术的发展做出贡献。
希望本文对你对固体物理学的学习有所帮助。
参考文献：[1] Ashcroft N W, Mermin N D. Solid State Physics. Cengage Learning, 1976.[2] Kittel C. Introduction to Solid State Physics. John Wiley & Sons, 2005.[3] Rao C N R, Rao C N R, Omar Syed Ismail. Angular Momentum in Quantum Physics: Theory and Application. World Scientific, 2014.。
晶体结构与缺陷
晶体结构与缺陷晶体是一种有着高度有序排列的原子、离子或分子的固体材料。
晶体的结构对其性质和应用具有重要影响，而缺陷则是晶体中不完美的部分。
本文将探讨晶体结构、晶格缺陷和它们在材料中的影响。
一、晶体结构晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的排列方式。
晶体的结构可以通过晶体学方法（如X射线衍射）来表征。
根据晶体的结构特征，可以将晶体分为多种类型，包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系等。
晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞由晶体中最小的重复单元构成。
在晶体结构中，晶胞有各种不同的排列方式，例如简单立方晶胞、面心立方晶胞和体心立方晶胞。
这些不同的排列方式导致了不同类型的晶体结构。
二、晶格缺陷晶格缺陷是指晶体中原子、离子或分子位置的非理想性质。
晶格缺陷可以通过外部环境和材料制备过程中的条件引入。
晶格缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体中少数几个原子、离子或分子的位置与理想排列位置有所偏离。
最常见的点缺陷是空位缺陷和杂质缺陷。
空位缺陷是指晶体中某个位置上的原子或离子缺失，而杂质缺陷是指原子或离子被其他类型的原子或离子替代。
点缺陷可以对晶体的性质和行为产生重要影响。
例如，在半导体材料中，控制杂质缺陷的浓度可以改变材料的电导率。
在金属材料中，点缺陷可以影响金属的硬度、延展性和热导率等物理性能。
2. 线缺陷线缺陷是指晶体中沿某个方向出现的缺陷线。
常见的线缺陷包括位错和螺旋位错。
位错是晶体中原子排列顺序的偏移，而螺旋位错则是沿某个方向上原子排列的扭曲。
线缺陷可以导致晶体的塑性变形和断裂行为。
位错的运动可以使晶体发生滑移，从而导致材料的塑性变形。
而螺旋位错则可以在晶体中形成螺旋状的断裂。
3. 面缺陷面缺陷是指晶体中的平面缺陷。
最常见的面缺陷是晶界和孪晶。
晶界是两个晶粒之间的界面，它们的晶体结构可能有所不同。
孪晶是指两个对称的晶体结构在某个面上镜面对称的结合。
面缺陷可以对晶体的物理性能产生重要影响。
晶界可以影响晶体的弹性模量和导电性能。
第二章-晶体结构与晶体中的缺陷
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完 整性。
晶体结构缺陷的类型
第一章 晶体结构与晶体中的缺陷
第一章晶体结构与晶体中的缺陷一、名词解释1．正尖晶石与反尖晶石；2．弗伦克尔缺陷与肖特基缺陷；3．刃位错与螺位错；4．固溶体；5．非化学计量化合物：二、填空与选择2．在硅酸盐结构分类中，下列矿物Ca[Al2Si2O8]；CaMg[Si2O6]；β-Ca2SiO4和Mg3[Si4O10](OH)2，分别属于；；；和四类。
3．在负离子作立方密堆的晶体中，为获得稳定的晶体结构，正离子将所有八面体空隙位置填满的晶体有，所有四面体空隙均填满的晶体有，填满一半八面体空隙的晶体有，填满一半四面体空隙的晶体有。
4．在尖晶石（MgAl2O4）型晶体中，O2－作面心立方最紧密堆积，Mg2＋填入了；金红石晶体中，所有O2－作稍有变形的六方密堆，Ti4＋填充了。
（A全部四面体空隙；B 全部八面体空隙；C四面体空隙的半数；D八面体空隙的半数；E四面体空隙的八分之一；F八面体空隙的八分之一）5．构成层状硅酸盐的[Si2O5]片中的Si4＋，通常被一定数量的Al3＋所取代，为满足鲍林第二规则（静电价规则），在层状结构中结合有（OH）－离子和各种二价正离子或三价正离子。
这种以Al3＋取代Si4＋的现象，称为。
（ A同质多晶（同质多象）；B类质同晶；C有序－无序转化；D同晶置换（同晶取代））6．高岭石与蒙脱石属于层状硅酸盐结构，前者的结构特征是，后者的结构特征是。
（A二层型三八面体结构；B三层型三八面体结构；C二层型二八面体结构；D 三层型二八面体结构）7．在石英的相变中，属于重建型相变的是，属于位移式相变的是。
（A α-石英→α-鳞石英；B α-石英→β-石英；C α-鳞石英→α-方石英；D α方石英→β-方石英）8．晶体结构中的热缺陷有和二类。
9．CaO掺杂到ZrO2中，其中置换了。
由于电中性的要求，在上述置换同时产生一个空位。
以上置换过程可用方程式表示。
10．由于的结果，必然会在晶体结构中产生"组分缺陷"，组分缺陷的浓度主要取决于：和。
晶体的结构和晶格缺陷
晶体的结构和晶格缺陷晶体是具有规则、有序排列的原子、离子或分子的物质。
它们在自然界中广泛存在，包括矿物、金属、合金等。
晶体的结构和晶格缺陷对其性质和应用起着至关重要的作用。
晶体的结构是由周期性排列的结构单元（晶胞）组成的。
晶胞是晶体的最小重复单元，通过平移操作可以生成整个晶体。
晶体结构可以分为两类：晶体属于晶胞内原子、离子或分子之间具有长程有序排列的晶体称为晶态；而在晶胞内部分子之间没有长程有序排列的晶体则称为非晶态。
晶体的结构具有高度的有序性，可以通过X射线衍射等技术进行解析。
晶体的结构决定了其物理、化学性质以及机械性能。
不同原子或离子之间的键合方式和键长决定了晶体的硬度、熔点和导电性等。
晶格缺陷是晶体结构中的缺陷，它们可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷是晶胞内单个原子、离子或分子的缺失或替代。
最常见的点缺陷包括空位、间隙原子和替位原子。
空位是晶胞中缺少一个原子，它会导致晶体特定的电学、热学和光学性质发生改变。
间隙原子是晶胞中多余的原子，它会引起晶体的固溶度变化。
替位原子则是晶胞中某个原子被另一种原子替代，这种缺陷会对晶体的磁性和电性产生重要影响。
线缺陷是沿着晶体中一维方向分布的缺陷。
最常见的线缺陷是位错，位错是晶体中原子、离子或分子排列出错的地方。
位错会导致晶体的机械性质发生变化，如增加晶体的可塑性和延展性，降低其硬度和强度。
面缺陷是沿着晶体中二维方向分布的缺陷。
最常见的面缺陷包括晶面偏差、晶界和孪晶等。
晶面偏差是晶格平面相对于理想晶体位置的偏移，它会影响晶体的表面形貌和晶体的性质。
晶界是两个或多个晶粒之间的界面，它是晶体内部结构的交界处。
孪晶是两个不同晶方向生长的晶体在晶界处错配而结合形成的缺陷，它会降低晶体的机械性能。
晶格缺陷在物质的制备和改性过程中起着重要作用。
通过控制晶格缺陷，可以调节晶体的性质和应用。
在材料科学领域，研究晶体中的缺陷可以提高材料的力学性能、电学性能和化学稳定性等。
第二章晶体构与晶体中的缺陷
第二章 晶体结构与晶体中的缺陷1、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.9％。
解：设球半径为a ，则球的体积为4/3πa 3，求的z=4，则球的总体积（晶胞）4×4/3πa 3，立方体晶胞体积：33216)22(a a =，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。
2、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。
解：ρ=m/V =1.74g/cm 3，V=1.37×10-22。
3、 根据半径比关系，说明下列离子与O 2-配位时的配位数各是多少? 解：Si 4+ 4； K + 12； Al 3+ 6； Mg 2+ 6。
4、一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M ，密度是8.94g/cm 3。
试计算其晶格常数和原子间距。
解：根据密度定义，晶格常数)(0906.0)(10906.094.810023.6/(43/13/183230nm M cm M M a =⨯=⨯⨯=- 原子间距= )(0641.02/0906.0)4/2(223/13/1nm M M a r ==⨯=5、 试根据原子半径R 计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。
解：面心立方晶胞：3330216)22(R R a V ===六方晶胞（1/3）：3220282/3)23/8()2(2/3R R R c a V =•••=•= 体心立方晶胞：333033/64)3/4(R R a V ===6、MgO 具有NaCl 结构。
根据O 2-半径为0.140nm 和Mg 2+半径为0.072nm ，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO 的密度。
并说明为什么其体积分数小于74.05%？解：在MgO 晶体中，正负离子直接相邻，a 0=2(r ++r -)=0.424(nm)体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm 3)MgO 体积分数小于74.05%，原因在于r +/r -=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。
第一章晶体的结构及晶体中的缺陷
ˆn c ˆn ˆh s
I
s
在晶体中反轴 对应的操作是先绕(轴)线旋转α度，然后再通过线上 (中心)点进行倒反(或先倒反再旋转)，即能产生等价图形。这种连续性 操作的符号为 “ L( ) I ”, 其中“ ”为倒反, “L( )” 为旋转.
由此可知， 与Sn都属于复合对称操作，且都由旋转与另一相连的操 作组合而成。
小角度晶界： 晶粒位向差小于10度的晶界。其结构为位 错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。
5、晶界能
Gb W＝ ( A0 ln 0 ) 4 (1 ) b A0 1＋ ln( ) 2r0 G 剪切模量；－－失配度； b －－柏氏矢量；
－－泊松比； r0 与位错线有关的一个
除了对称元素和对称操作的符号和名称的不完全相同外，晶体的宏观 对称性与有限分子的对称性最本质的区别是：晶体的点阵结构使晶体 的宏观对称性受到了限制，这种限制主要表现在两方面： 在晶体的空间点阵结构中，任何对称轴(包括旋转轴、反轴以及以后 介绍的螺旋轴)都必与一组直线点阵平行，与一组平面点阵垂直(除 一重轴外)；任何对称面(包括镜面及微观对称元素中的滑移面)都必 与一组平面点阵平行，而与一组直线点阵垂直。 晶体中的对称轴(包括旋转轴,反轴和螺旋轴)的轴次n并不是可以有 任意多重，n仅为1,2,3,4,6，即在晶体结构中，任何对称轴或轴性 对称元素的轴次只有一重、二重、三重、四重和六重这五种，不可 能有五重和七重及更高的其它轴次，这一原理称为“晶体的对称性 定律”。 所以，综合前面的讨论，由于点阵结构的限制，晶体中实际存在 的独立的宏观对称元素总共只有八种，见表2
1.3准晶体 准晶体是1984年科学家发现的一种新的物 质聚集形态。一种介于晶体和非晶体之间的
理解物质的晶体结构和晶格缺陷
理解物质的晶体结构和晶格缺陷晶体结构是物质内部有序排列的一种形态。
物质的晶体结构对其性质和应用有着重要影响。
同时，晶格缺陷是晶体中不完美的区域，对晶体的性质和行为产生显著影响。
本文将探讨晶体结构的基本特征和晶格缺陷的类型以及其对物质性质的影响。
一、晶体结构的基本特征晶体结构的基本特征包括晶体晶格、晶胞和晶格常数。
晶体晶格是指晶体中重复出现的空间网状结构，其由原子、离子或分子组成。
晶胞是晶体中最小重复单元，通常是一个几何图形。
晶格常数则是描述晶格的参数，反映着晶体内部原子排列的距离和方向。
不同晶体具有不同的晶体结构类型，常见的有离子晶体、共价晶体和金属晶体。
离子晶体由正负电荷的离子通过电静力吸引力形成，典型的例子是氯化钠。
共价晶体是由共用电子键将原子结合在一起，如金刚石。
金属晶体则由金属原子通过金属键结合，典型的例子是铜。
二、晶格缺陷的类型晶格缺陷是晶体内部不完美的区域，可能是由于原子或离子在晶体结构中的位置不正常或缺失导致的。
常见的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶格中某些点位置发生了改变，比如原子偏离了理想位置或者被替代。
点缺陷可以分为点位错、空位和固溶体三种类型。
点位错是晶体中原子位置发生偏移或旋转导致的缺陷，它会使晶体中的原子排列出现错位。
空位是晶体中某个位置没有被原子占据的缺陷，导致晶格中的空隙。
固溶体是指晶格中某些原子被替代为其他原子。
线缺陷是指晶格中存在一维缺陷，如位错和螺旋走错。
位错是指晶体中原子面或者原子排列出现偏差，它可以是线性或螺旋状的。
螺旋走错是晶体中原子沿着一个螺旋线排列，而不是按照理想的平行方式。
面缺陷是指晶格中存在二维缺陷，如晶界、取向沟槽和堆垛层错。
晶界是不同晶粒之间的交界面，其原子排列比较杂乱。
取向沟槽是晶体中沿着特定方向原子排列比较紊乱的缺陷。
堆垛层错则是晶体中原本平行的晶面在某些位置上错位。
三、晶格缺陷对物质性质的影响晶格缺陷对物质性质的影响是多方面的。
3-4晶体结构与缺陷
稳定晶格作用
形成固溶体能阻止某系晶型转变的发生，起到稳 定晶格的作用，例：
水泥熟料中β-C2S(水化活性)→γ -C2S(无活性) → β-C2S+P2O5/Cr2O3形成固溶体，阻止转变 ZrO2 ： 高 温 立 方 结 构 （ 萤 石 结 构 ） 中 存 在 大 量 “ 空 洞”，为离子扩散提供扩散通道。 但是：立方 ↔ 四方 ↔ 单斜，常温失去立方结构 → ZrO2+CaO/Y2O3，稳定成立方相，快离子导体
rSi 4+ = 0.026nm, rAl 3+ = 0.039nm
组分缺陷
组分缺陷：当发生不等价的置换时，必然产生组 分缺陷，即产生空位或进入空隙 影响缺陷浓度因素：取决于掺杂量(溶质数量)和 固溶度。其固溶度仅百分之几。
例如: (1) 产生阳离子空位
MgAl2O4 • '' Al2 O3 ⎯⎯⎯⎯ 2 AlMg + VMg + 3Oo →
离子类型相同，容易形成连续固溶体
化学键
化学键性质相近，容易形成连续固溶体
(4)离子的电价影响
离子价相同或离子价总和相等时才能生成 连续置换型固溶体
钠长石Na[AlSi3O8]→钙长石Ca[Al2Si2O8], 离子 电价总和为+5价 Na + + Si 4+ ↔ Ca 2+ + Al 3+ 复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中 B位取代 A位取代
固溶体与类质同晶
类质同晶：物质结晶时，其晶体结构中本应由某 种离子或原子占有的配位位置，一部分被介质中 性质相似的它种离子或原子占有，共同结晶成均 匀的呈单一相的混合晶体，但不引起键性或晶体 结构型式发生质变的现象称为类质同晶。 矿物学中，固溶体=类质同晶 严格地说：类质同晶=置换型固溶体
第二章 晶体结构与晶体中的缺陷
等。鲍林第一规则强调的是正离子周围负离子多面
体类型，并把它看成是离子晶体结构基本单元，在
稳定的结构中，这种基本单元在三维空间规则排列。
注意：把离子晶体看成了刚性球体，实际中，如果
正离子电荷数大，负离子半径大，还要考虑极化变
形问题，往往有例外，如AgI，r+/r-, =0.577，Z=6，
实际上，Z=4。
子成六方环状排列(图2-2)．每个碳原子与三个相邻
的碳原子之间的距离相等，都为0.142nm。但层与
层之间碳原子的距离为0.335nm。石墨的这种结构，
表现为同一层内的碳原子之间是共价键，而层之间
的碳原子则以分子键相连。
► C原子的四个外层电子，在层内形成三个共价键，
多余的一个电子可以在层内移动，类似于金属中的 自由电子。
（共棱），还是三个顶点（共面）。
► 对于一个配位多面体，正离子居中，负离子占据
顶角，当两个配位体由共顶→共棱→共面，两个 正离子间距离不断缩短 。
举 例
►
如两个四面体共用一个顶点，中心距离设为1，共用两个，
三个顶点，距离为0.58、0.33，而两个八面体中心距共顶
（1），共棱（0.71），共面(0.58)。
构的层与层之间则依靠分子间力(范德华力)结合起来，形 成石墨晶体。石墨有金属光泽，在层平面方向有很好的导
电性质。由于层间的分子间作用力弱，因此石墨晶体的层
与层间容易滑动，工业上用石墨作固体润滑剂。
石墨结构
应 用
►
石墨硬度低，易加工，熔点高，有润滑感，导电性
能良好。可以用于制作高温坩埚、发热体和电极， 机械工业上可做润滑剂等。人工合成的六方氮化硼
离由它们的半径之和决定，而Si4+的配位数是4，是 由rSi4+/ro2-=0.293（在0.225~0.414之间，配位数是4） 值决定。（rSi4+=0.41Å ro2-=1.40Å）
第二章晶体结构与晶体中的缺陷
第二章晶体结构与晶体中的缺陷内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构，用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。
介绍了实际晶体中点缺陷分类；缺陷符号和反应平衡。
固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化合物的形成条件。
简述了刃位错和螺位错。
硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。
这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4, 非桥氧数由4减至0。
硅离子是高点价低配位的阳离子。
因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。
表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例表2-1 硅酸盐晶体的结构类型真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。
晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。
点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类：（1）热缺陷（又称本征缺陷）热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。
弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。
肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。
（2）杂质缺陷（非本征缺陷）（3）非化学计量化学化合物为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。
表2-2 Kroger-Vink 缺陷符号（以MTX2-为例）缺陷反应方程式书写规则：（1）位置关系。
（2）质量平衡。
（3）电荷守恒。
热缺陷平衡浓度n/N :n/N二exp（- ： G t/2kT）其中n——TK时形成n个孤立空位；G t――热缺陷形成自由焓；h――波儿兹曼常数。
2 晶体结构及缺陷(8)
1 1 12 2 3 6 6 2
（a）
（b） （c） 密排六方晶胞 （a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
8
2.金属中原子紧密堆积的化学基础
由于金属元素的最外层电子构型多数属于S型，而S
型轨道没有方向性，它可以与任何方向的相邻原子的S轨
图1-13 非金属元素单质晶体的结构基元（c）第V族元素 20
对于第IV族元素，单键个数为8－4=4，每个原子周围有4个 单键（或原子）。其中C、Si、Ge皆为金刚石结构，由四面 体以共顶方式共价结合形成三维空间结构，如图1-14 。
图1-14 非金属元素单质晶体的结构基元（d）第IV族元素
21
值得注意的是O2、N2及石墨（C）不符合8－m规则，
原子坐标为[0,0,0]，[1/2,1/2,1/2]。（配位数＝8；致密 度＝0.68）晶胞中原子数为：
1 8 1 2 8
（a）
（b）
（a） 模型；
（c） 体心立方晶胞 （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数
6
体心立方结构中的八面体间隙和四面体间隙。
金属原子 八面体间隙
金属原子 四面体间隙
(a)
11
2) 金属或合金力学性能上表现出良好塑性和延展性
金属的塑性变形起因于金属中的原子面在外力作用下沿
某个特定原子面的某个特定方向的滑移。实验发现，铝晶体
受拉力作用后，晶体变长，并不是原子间距离增大，而是晶
体中各部分沿（111）晶面在[110]方向上移动了原子间距的
整数倍（详细情况请参阅位错的运动）。所以，晶体虽然变 长，但晶体中原子间距仍然保持原来的周期性而未改变。
立方密堆 立方密堆 畸变的立方 密堆 立方密堆
晶体的结构晶格与晶体缺陷
晶体的结构晶格与晶体缺陷晶体是由具有规则排列的原子、离子或分子构成的固态物质。
晶体结构的产生与晶格有着密切的关系，晶体缺陷则是晶格中存在的非完美的部分。
本文将依次介绍晶体的结构晶格以及晶体缺陷的相关内容。
一、晶体的结构晶格晶体的结构是由晶格确定的。
晶格是指在空间中规则排列的点阵或周期性结构。
不同的晶体结构有不同的晶格类型，最常见的晶格类型是立方晶格、六方晶格、四方晶格等。
1. 立方晶格立方晶格是最简单的晶格类型之一，它具有等边、等角的特点。
立方晶格可分为面心立方晶格、体心立方晶格和简单立方晶格。
其中，面心立方晶格具有最高的密堆率，每个原子周围都密集地包围着12个相邻的原子。
2. 六方晶格六方晶格是由一个六边形晶胞构成，其顶角分别为120度和60度。
六方晶格是较为常见的晶格类型，许多金属和陶瓷材料都具有这种结构。
3. 四方晶格四方晶格是晶格的一种，具有和立方晶格相似的特征，但其在z轴方向上具有不同的长度。
二、晶体缺陷及其分类晶体缺陷是指晶体中存在的非完美的部分，可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是指晶体中由于原子或离子的位置发生变化而产生的缺陷。
常见的点缺陷有原子空位、杂质原子和间隙原子等。
- 原子空位是指晶体中存在不被原子占据的空位，其产生原因可以是晶体生长过程中的缺陷或中子轰击等因素。
- 杂质原子是指进入晶体中的与主要晶体原子不同的原子。
杂质原子的存在可以影响晶体的导电性、光学性能等特性。
- 间隙原子是指位于晶体原子间隙处的原子，其存在可以引起晶格的畸变和物理性质的变化。
2. 线缺陷线缺陷是指沿晶体表面或晶体内部存在的缺陷线。
常见的线缺陷有位错、脆性裂纹和位移等。
- 位错是指晶体中原子排列出现的错位或位移，常见的有边界位错、螺位错和混合位错等。
- 脆性裂纹是晶体中的裂纹缺陷，由于内部应力超过晶体的强度而导致裂纹的产生和扩展。
- 位移是晶体中原子在晶体平面方向上的滑移或背斜，它对晶体材料的塑性形变和变形行为有着重要影响。
晶体结构与缺陷
• 影响因素：—— 与晶体结构有很大关系 • NaCl型晶体中间隙较小，不易产生弗仑 克尔缺陷；
• 萤石型结构中存在很大间隙位置，相对 而言比较容易生成填隙离子。
• （2）肖特基缺陷： • 如果正常格点上的 • 质点，在热起伏过程中 • 获得能量离开平衡位置迁移到晶体的表面， 而在晶体内部正常格点上留下空位
晶体中的柏格斯氏矢量 （方向表示滑移、大小为原子间距）
.柏氏矢量
（1）柏氏矢量的确定方法 先确定位错线的方向(一般规定位错线垂直纸面时， 由纸面向外为正向)，按右手法则做柏氏回路，右 手大拇指指位错线正向，回路方向按右手螺旋方向 确定。 从实际晶体中任一原子出发，避开位错附近的严重 畸变区作一闭合回路，回路每一步连接相邻原子。 按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数、方向 与上述回路一致，这时终点和起点不重合，由终点 到起点引一矢量即为柏氏矢量b。
• 2.点缺陷的形成 • 原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸 引力；(2)原子间的斥力 • 点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 • 原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动） • 原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做 着挣脱束缚的努力 • 点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加 工 • 在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚， 脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种 几率分布
Cl Mg
• 特点： • （2）从形成缺陷的能量来分析—— Schttky缺陷形成的能量小于Frankel 缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来 说，Schttky 缺陷是主要的。
• 产生 动平衡 • 复合 • 浓度是温度的函数 • 随着温度升高，缺陷浓度呈指数上升，对 于某一特定材料，在—定温度下，热缺陷浓 度是恒定的。
• 2.5.2 热缺陷的浓度计算
无机化学中的晶体结构与晶格缺陷
无机化学中的晶体结构与晶格缺陷晶体是由周期性排列的原子、离子或分子组成的固体，具有长程有序性和对称性。
在无机化学中，晶体结构是一个重要的研究对象。
对于一种物质来说，了解其晶体结构可以揭示其化学和物理性质，并且为其制备及应用提供指导。
本文将探讨无机化学中的晶体结构及其缺陷。
1. 晶体结构的分类在无机化学中，晶体结构可以根据其元素和化学键的不同而分为离子晶体、共价晶体和分子晶体。
其中，离子晶体以离子间的静电作用为主要力，具有高的熔点和硬度，例如氯化钠。
共价晶体以共价键为主要力，例如金刚石。
分子晶体以分子间的相互作用为主要力，具有低的熔点和硬度，例如硫酸甘油。
2. 晶体的晶格和晶胞晶体中原子、离子或分子的周期性排列构成了晶格结构。
晶格是由晶体单位中重复出现的空间点组成的。
晶格由三个相互垂直的轴和各自上的点阵构成。
晶格用一组指标（如a、b、c、α、β、γ）来描述。
晶胞是晶体的基本结构单元，是一系列被原子或离子占据的几何空间。
晶胞可以是立方、四方、正交、单斜、三角、六方和三斜等类型。
不同的晶胞形状影响晶体物理和热力学性质。
3. 晶体的晶格缺陷理想的晶体结构是由规律的周期排列的原子、离子或分子组成的。
然而，在实际晶体中，由于各种因素的影响，晶体结构会出现缺陷，这些缺陷被称为晶格缺陷。
这些晶格缺陷会直接影响晶体的物理和化学性质。
晶格缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是晶体中单个原子、离子或空位的缺失或存在。
例如，氧化铝中的阳离子晶格中可能存在空位缺陷。
线缺陷是晶体中沿着一定方向具有局部偏差的缺陷。
例如，在氧化铝中，局部偏移的氧离子构成线缺陷。
面缺陷是晶体中平面上存在的缺陷，例如晶格错位或位错等。
晶格缺陷的存在可以导致物理和化学性质的改变。
例如，缩小晶胞之间距离的面缺陷催化剂可以提高反应速率。
结论在无机化学中，晶体结构和晶格缺陷是有重要意义的。
通过对晶体结构和缺陷的研究，可以深入了解物质的物理和化学性质，并指导其制备和应用。
晶体结构与晶体缺陷
晶体结构与晶体缺陷晶体是物质的一种固态形态，具有有序的排列结构。
其内部的原子、离子或分子按照一定的规律排列，形成晶体的结构。
晶体结构对于物质的性质和应用具有重要影响。
然而，即使在完美的晶体中，也难免存在一些缺陷。
本文将以晶体结构与晶体缺陷为主题，介绍晶体的基本结构和常见的晶体缺陷，探讨它们对于晶体性质的影响。
一、晶体结构晶体结构是晶体内部原子、离子或分子的有序排列方式。
根据晶体结构的不同，可以分为几种常见的晶体类型，包括立方晶系、四方晶系、六方晶系、正交晶系、单斜晶系和三斜晶系等。
每种晶体类型都有其特定的晶体结构特征和晶胞参数。
晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞是由若干个晶体格点组成的最小重复单元。
晶格点是表示晶体结构的点，晶格点的排列规则形成了晶体的结构。
晶体结构中有各种键的存在，包括离子键、共价键、金属键等，这些键的类型和强度直接影响晶体的性质。
二、晶体缺陷即使是在完美的晶体中，也不可避免地存在着各种缺陷。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
1. 点缺陷点缺陷是晶体中原子、离子或分子的位置发生了偏离，形成了缺陷点。
常见的点缺陷包括晶格缺陷和间隙缺陷。
晶格缺陷是晶体中原子、离子或分子替换或缺失造成的缺陷。
替代缺陷发生在晶体中的一个位置被其他原子替换，导致原子数量和类型的改变。
缺失缺陷指的是晶体中的某个位置没有被原子、离子或分子占据。
间隙缺陷是晶体中晶格位置周围存在空隙或异位原子、离子或分子的缺陷。
空位缺陷是指晶格位置周围存在未被占据的空位，而异位缺陷则是指晶体中的某个位置被不同类型的原子、离子或分子占据。
2. 线缺陷线缺陷是晶体中原子、离子或分子排列出现错乱或断裂的缺陷，形成了缺陷线。
常见的线缺陷包括位错和蚀刻缺陷。
位错是晶体中晶面的错位，导致原子排列出现错乱的缺陷。
位错可以分为位错线和位错面，具有重要的力学、电学和光学性质。
蚀刻缺陷是晶体中由于外界因素（如化学蚀刻）导致晶体表面形成凹凸不平、出现凹陷或凸起的缺陷。
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第一部分晶体结构和晶体缺陷
1.原子的负电性的定义和物理意义是什么？
2.共价键的定义和特点是什么？
3.金刚石结构为什么要提出杂化轨道的概念？
4.V、VI、VII族元素仅靠共价键能否形成三维晶体？
5.晶体结构，空间点阵，基元，B格子、单式格子和复式格子之间的关系和区别。
6.W-S元胞的主要优点，缺点各是什么？
7.配位数的定义是什么？
8.晶体中有哪几种密堆积，密堆积的配位数是多少？
9.晶向指数，晶面指数是如何定义的？
10.点对称操作的基本操作是哪几个？
11.群的定义是什么？讨论晶体结构时引入群的目的是什么？
12.晶体结构、B格子、所属群之间的关系如何？
13.七种晶系和十四种B格子是根据什么划分的？
14.肖特基缺陷、费仑克尔缺陷、点缺陷、色心、F心是如何定义的？
15.棱(刃)位错和螺位错分别与位错线的关系如何？
16.位错线的定义和特征如何？
17.影响晶体中杂质替位几率的主要因素有哪些？
18.晶体中原子空位扩散系数D与哪些因素有关？
19.解理面是面指数低的晶面还是面指数高的晶面？为什么？
20.为什么要提出布拉菲格子的概念？
21.对六角晶系的晶面指数和晶向指数使用四指标表示有什么利弊？
第二部分倒格子
1.倒格子基矢是如何定义的？
2. 正、倒格子之间有哪些关系？
3.原子散射因子是如何表示的，它的物理意义如何？
4. 几何结构因子是如何表示的，它的物理意义如何？
5. 几何结构因子S h与哪些元素有关？
6．衍射极大的必要条件如何？
7．什么叫消光条件？
8．反射球是在哪个空间画的，反射球能起到什么作用，如何画反射球？
9．常用的X光衍射方法有哪几种，各有什么基本特点？
10．为什么要使用“倒空间”的概念？
第三部分 晶格振动
1. 讨论晶格振动时的物理框架是牛顿力学还是量子力学？
2. 讨论晶格振动时采用了哪些近似条件？
3. 什幺是近邻近似和简谐近似？
4. 为什幺可使用玻恩－卡曼周期边界条件？
5. 一维单原子链色散关系是怎样的？相速度v p 等于什幺？
6. 一维格波波矢q 的的取值范围是什幺？q 在第一B 、Z 内取值数是多少？
7． 一维格波波矢q 有哪些特点？
8. 一维双原子链的色散关系是怎样的？
9. 在三维晶体中，格波独立的q →
点数，声学波支数，光学波支数，格波总支数分
别等于多少？
10. 定性地讲，声学波和光学波分别描述了晶体原子的什么振动状态？
11. 格波模式密度g(ω)的定义是什幺，g(ω)是如何表示的？
12. 在一般情况下，求解格波模式密度g(ω)的困难是什么？
13. 晶格振动的色散曲线有哪些对称性？
14. 讨论晶格振动的系统能量时为什幺要引入简正坐标Q q (t)？
15. 讨论晶格振动时，进行了量子力学修正，引入了量子谐振子的能量表示，在
此过程中，把什么能量表示为谐振子的能量？
16. 什么叫声子？
17. 讨论晶格振动时的量子力学修正体现在什幺地方？
18． 声子有哪些性质？
19. 什么是晶格振动的Einsten 模型和Debye 模型？
20. 解释二模型与实验结果比较的原因。
（重点）
21. 有人定性地认为，德拜温度θD 是经典概念与量子概念解释比热的分界线，你的看法如何？
22. 热膨胀系数αv 是如何表示的？
23. 热传导系数（热导率）λ是如何表示的？
24. 什么叫N 过程和U 过程？
25. 为什么说光学支一般对热导贡献小？
26. 有人说，热容C v 是声子密度的度量，你的看法如何？
27. 为什么说“晶格振动”理论是半经典理论？
28．简述晶格振动理论中简谐近似的成功之处和局限性。
29. 什么是声子的准动量？为什么称它们是“准”动量，而不直接称为动量？
30．为了制备室温附近高导热材料，应选θD 高的材料还是θD 低的材料？
31．晶格振动中的力常数β是否影响材料的低温热导率λ？要提高热导率λ，是
选β较大的材料还是选β较小的材料？
32. 在一维双原子链中存在光学支和声学支之间的“带隙”。
若需要增大该“带隙”的宽度，可采取哪些措施？
33．晶格振动中的光学波和声学波之间可以存在“带隙”，晶体对频率处于该带隙的格波和电磁波是“透明”的吗？
第四部分 固体能带论
1.固体能带论的两个基本假设是什么?
2.固体能带论的基本思路是怎样的？
3.固体中电子状态的主要特征有哪些？
4.什么叫Bloch 定理？
5.由Bloch 定理有哪些结论和推论？
6． 在第一B 、Z 内波矢K →的取值，K →点数，K →
点密度。
7． 能态密度D 是如何定义的？
8.试计算自由电子的能态密度D 。
9.特鲁多模型及其成功与不足之处有哪些？
10.特鲁多模型的“自由电子气”与无限大真空中自由电子能量有何异同？
11.索末菲的“自由电子费米气”模型与特鲁多模型的异同。
12.费米分布函数的表示式和物理意义是什么？
13.电子密度分布的意义是什么？
14.什么叫费米面？
15.简述无限大真空自由电子，晶体中特鲁多模型，索未菲模型，近自由电子模型的关系。
16.按N.F.E 模型，晶体中的能隙是如何解释的？
17.按近自由电子模型能求解哪些问题，近自由电子近似的零级近似如何取？它主要
能计算哪些物理量？
18.按紧束缚模型能求解哪些问题，紧束缚近似的零级近似如何取？它主要能计算哪
些物理量？
19.什么叫接触电势差？
20.产生接触电势差的原因是什么？
21.两块同种金属的温度不同，接触后温度未达到相等前，是否存在电势差?为什么？
22.什么是尼克龙克－潘纳模型？
23．固体中电子状态的主要特征有哪些？
第五部分晶体中的电子输运
1.存在外电场
E时，讨论晶体中电子的输运的基本思路是怎样的？为什么未采用解薛
定格方程的方法？
2.BLoch电子的运动速度如何表示？电子的运动速度与波矢的方向是否总是相同？
3.什么是BLoch电子的准动量，为什么称之为“准”动量？
4.简述BLoch电子的有效质量的重要特征。
5.什么是BLoch电子费米气？
6.为什么满带不导电？
7.对绝缘体费米能级E f必处在导带、禁带、价带的哪一个？为什么？
8.什么叫空穴？为什么要引入这个概念？
9.半导体和半金属有何异同？
10.晶体电阻的起因是什么？。