1-晶体结构及其对称性(研)(1)

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如图,A原子位于立方体的顶角,B原子位于立方 体的体心位置,而O原子位于六个面心位置。
可以看到B原子位于O原子形成的氧八面体中心。 钙钛矿结构亦可视为基元(A、B、OⅠ、OⅡ、OⅢ ) 的简立方。
典型的铁电晶体BaTiO3, PbTiO3, PbZrO3, PLZT …, 高温超导体YBaCuO…, 巨 磁阻材料 (LaCa)MnO3等具 有ABO3结构 。
方法:以单胞基矢坐标系为例说明晶面的密勒 指数(hkl). 若一个晶面在其三个基矢方向上的截距分别为 ua 、vb 、wc ,
用u、v 、w 三个数字就可以标志晶面的空间方位。
但如果晶面与某一基矢平行,这三个数字中就有一个为无限大;
11 1
故采用截距的倒数 u 、 v 、 w ,并约化为三个互质的整数
点阵:
忽略基元内原子分布的具体细节,而用一 个几何点来代表它,这样的点称为结点。
实际的晶体结构就可以抽象为一个纯粹的 几何结构,称为点阵。
点阵是一个分立点的无限阵列,是结点在 空间有规则地作周期性排列。从这个阵列的任 何一个结点去看,周围结点的分布与方位都是 精确相同的。
——布拉菲点阵
由于晶体中所有的基元完全等价,所以整个 晶体的结构可看作是由基元沿空间3个不同方向, 各按一定的周期平移而构成。
布喇菲(A. Bravais),法国学者,1850年提出。 定义:
各晶体是由一些基元(或格点)按一定规则, 周
期Rn重 n复1a排1 列n2a而2 成n。3a3任。一其格中点,n的1、位n2矢、n均3 可取以整写数成,a形1 、式a2、 a3为基矢,Rn 为布拉菲格子的格矢。
格点 与(n1, n2, n3)一一对应。
A 原子的右侧一定 距离处有一个碳原子而 左侧没有,但是B 原子 则相反。
二维蜂窝格子 (非布拉菲格子)
如果将A、B两个原子看作为 一个基元,则点阵结构就如前页所 示,格子就是布拉菲格子了。
14种布拉菲格子:
1.简单三斜; 2.简单单斜, 3.底心单斜; 4.简单正交, 5.底心正交, 6.体心正交, 7.面心正交; 8.六角; 9.三角; 10.简单四方, 11.体心四方; 12.简单立方, 13.体心立方, 14.面心立方。
满足上述关系的空间点阵称为布拉菲点阵,相应 的空间格子称为布拉菲格子.
布拉菲格子
一个无限延展的理想点阵,没有边界,其中的 所有格点是等价的。
格点所代表的内容、它的环境与所处的地位是 相同的。(平移对称性, 晶体在上述任一平移下保 持不变)
判断1:
是二维 布拉菲格子
判断2:石墨层晶体
A
B
虽然所有原子都是 化学性质完全相同的碳 原子,但是几何环境不 完全相同,存在两种几 何环境不同的碳原子A 和B。
准晶体:介于周期晶体和非晶玻璃之间的一种新 的固体物质形态。
§1.1 晶体及其平移对称性 一、晶体结构 与 基元
晶体结构 = 点阵 + 基元
1、晶体结构 = 点阵 + 基元
基元:
构成晶体的基本结构单元。
基元是化学组成、空间结构、排列取向、周围 环境相同的原子、分子、离子或离子团的集合。
可以是一个原子(如铜、金、银等),可以是两 个或两个以上的原子(如金刚石、氯化钠、磷化镓 等),有些无机物晶体的一个基元可有多达100个以 上的原子,如金属间化合物NaCd2的基元包含1000 多个原子,而蛋白质晶体的一个基元包含多达 10000 个以上的原子。
2
,
1
,
1
)
332
c
ab
(2) 立方密堆积
ABCABC…密积方式
这是一个简单晶格。
三、维格纳-赛茨原胞(Wigner-Seitz Cell)
以某格点为中心,作其与最近邻格点(有时也包 括次近邻)的连线中垂面所围成的多面体。
WS原胞只包含一个格点。 WS原胞具有相应布拉菲晶胞的对称性。
WS原胞:
二、晶面和晶面指数
任意三个不共线的格点,构成一个晶面.
与晶列性质类似,晶面也具有下面三个方面的性质: 任一晶面上都有无穷多个格点; 任一晶面都有无穷多个互相平行的晶面,构成一个晶面簇; 每一个晶面簇都将晶体中所有的格点包含无遗.
一个晶面的标志,就是要 指明它的空间方位,提出晶面 指数。
晶面指数
与该晶面在三个坐标轴上的截距的倒数相对应的三个 互质整数,就称为该晶面的晶面指数,亦称密勒指数。
1. 简立方点阵的WS 原胞仍为立方体; 2. 体心立方点阵的WS 原胞为截角八面体; 3. 面心立方点阵的WS 原胞为菱十二面体.
§1.2 晶向指数与晶面指数
一、晶列和晶向指数
任意两个格点的连线,构成一个晶列.
晶列具有三个方面的性质: 任一晶列上都有无穷多个格点; 任一晶列都有无穷多条互相平行的晶列,构成一个晶列簇; 每一个晶列簇都将晶体中所有的格点包含无遗.
NaCl 晶体的配位数为 6 ,因 为每个离子有6个最近邻的异类 离子。
大多数碱金属卤化物晶体, 如LiF、KCl、LiI 等都具有 NaCl 晶体结构。
(2) CsCl 结构:
基元是CsCl 分子,由一个正离子和一个负离子组成。 CsCl 结构的布拉菲格子是简立方。 也可以看作是Cs 的简立方子晶格和Cl 的简立方子晶 格沿立方体的体对角线平移1/2 体对角线长度套构而成.
或可视为两个面心立方子晶格,沿体对角线平移1/4 体对角 线长度套构而成,如图所示.
金刚石晶体的配位数是4, 这4个碳原子构成一个 正四面体,碳-碳键角为109º28´。
具有金刚石结构的晶体有: 金刚石、元素半导体Si、Ge ,灰锡等。
(4) 闪锌矿(立方ZnS)结构:( cubic zinc sulfide )
Be、Mg、Zn、 Cd、Ti等,其构 成的晶体就是六 方密堆积结构.
密堆积结构
晶体的密堆积结构有六角密堆积和立方密堆积 两种,配位数都是12,这是晶体结构中最大的配位 数.
(1) 六角密堆积
ABABAB……密积方式
这是一个复式晶格。
六角密堆积晶格结构是一个复式晶格
基元为两个原子
(0,0,0)、(
CsCl 晶体的配位数 为8,因为每个离子有8 个最近邻的异类离子。
具有CsCl结构的晶体 有CsBr、CsI、TlCl、TlI 等。
(3)金刚石结构( diamond ):
碳的同素异构体。 经琢磨后的金刚石又称钻石。
无色透明、有光泽、折光力极强,最硬的物质。
金刚石结构是复式晶格结构,基元中有两个碳原子A、B, 布拉菲格子是面心立方。
第一章 晶体结构及其对称性
§1.1 晶格及其平移对称性 §1.2 晶列与晶面 §1.3 倒点阵 §1.4 晶体的宏观对称性 §1.6 晶体X射线衍射
固体分类
晶体定义:原子、分子、离子、原子团有规则 地在三维空间的周期性重复排列形成的固体, 具有长程序。
晶体分单晶体和多晶体。
非晶体:内部粒子在三维空间不是周期性的有规 则的排列。长程无序,但在一个原子附近的若干 原子的排列是有一定规则的排列——短程有序。
即:晶体结构 = 点阵 + 基元。
2、原胞与晶胞
用平行的直线连接点阵中所有的格点所形成网 格,称为晶格。
构成晶格的最小周期性结构单元称为原胞. 原胞的选取不唯一。原胞中只含一个格点。 原胞基矢用a1、a2、a3来表示。
原胞往往不能反映晶格的对称性。
在能够保持晶格对称性的前提下,构成晶体 的最小的周期性结构单元,称为结晶学原胞,简 称晶胞。
(6) 巴基球、巴基管
碳的同素异构体。团簇。 巴基球,亦称足球烯,C60。 C60分子在室温时构成面心 立方晶格。
3、六角密堆积结构(hcp,hexagonal close packed )
晶体的密堆积结构有六角密堆积和立方密堆积两种。 配位数都是12。
1,立方密堆积就是面心立方结构,其本身就是一个布拉菲 格子,是简单晶格。 2,六角密堆积晶格结构是一个复式晶格,相邻层(A、B) 原子的化学性质虽然相同,但几何环境不同,晶体的基元是 由A、B两个原子组成的六方密堆积结构。
l1 : l2 : l3 l1 : l2 : l3
则该晶列就可用[ l1l2l3 ]来标志,这就是该晶列的晶向指数。
一个晶列簇中的各个晶列,其晶向指数相同.
例如,简立方晶格的几个晶列如图所示。
其中:
a1
轴[100],
a2
轴[010], a3
轴[001],

a1 轴 [1 00] 等,其中-1的负号放在1的上面。
贵金属Cu、Ag、Au 及Al、Ni、Pb等金属. 面心立方的配位数为 12 . 面心立方是自然界最密集的堆积方式之一, 称为面心立方密堆积,简称立方密堆积或立方密积.
面心立方(fcc)的原胞与晶胞
原胞基矢为:
a1

a 2
(j

k)

a2

a 2
(i

k)

a3

a 2
与金刚石结构类似,金刚石的基元是化学性质相同的两个 原子A、B ,而闪锌矿结构的基元是两个不相同的原子.
闪锌矿结构也可视为是两个不同原子的面心立方子晶格, 沿体对角线平移1/4 体对角线长度套构而成.
闪锌矿结构的配 位数是4 .
化合物半导体GaAs、 GaP、ZnS 等晶体具有闪 锌矿结构。
(5) 钙钛矿结构(ABO3):
h、k、l
来标志晶面,即:1 u
:1: v
1 w
h:k :l

将(hkl)放在圆括号中,就称为该晶面的密勒指数(hkl). 如果有负数,负号标在该数的上面,与晶向指数中的表示相同。
一个晶面簇中的各个晶面,其晶面指数相同.
例如,简立方晶格的几个晶面表示。
注意:晶向指数与晶面指数的表示差异。
晶列的取向称为晶向;晶向用晶向指数来表示.
晶向指数:
中,在任一一个格晶点列的上位,置选矢取量某为一:格R点l 为原l1a点1 ,l在2a2原胞l3基a3矢坐标系


其中,l1 、l2 、l3 为整数,a1 、a 2 、a3 为原胞基矢。
Rl 为格矢。 若是将 l1 、l2 、l3 化为互质数。
二、几种典型的晶体结构
1、立方晶系的布拉菲晶胞 由同一种元素的原子所组成,基元只有一个原子。
有:简单立方、体心立方、面心立方。
(1)简单立方(sc、 simple cubic) :
在自然界中该晶体比较少见.如:钋Po在室温时
( 相). 配位数为6。
原胞即为晶胞。
简立方(sc)的原胞与晶胞
原胞即为晶胞,晶胞中含有1个格点。
如果晶体的基元中包含两种或两种以上的原 子。显然,每一种等价原子各构成与晶体基元代 表点的空间格子相同的网格,称为晶体的子晶格. 每一种等价原子的子晶格具有相同的几何结构, 整个晶格可视为,子晶格相互位移套构而成。该 晶体晶格称为复式晶格.
例如:氯化钠晶体
由两个面心立方 子晶格相互位移套 构而成。
4、布拉菲(Bravais)格子
晶胞一般不等于原胞。其体积(面积)可以
是原胞的整数倍。晶胞中可含多个格点。
晶胞基矢用a、b、c (晶格常数)来表示。
3、简单晶格与复式晶格
简单晶格:
如果晶体由完全相同的一种原子组成,例 如铜晶体的基元只包含一个铜原子,这种晶体 的晶格称为简单晶格,简单晶格与晶体基元代 表点的空间格子相同。
复式晶格:
原胞基矢为:
a1

a 2
(i

j

k)
、a2

a
(i

j

k)
2
、a3

a
(i

j

k)
2
原胞体积为:


a1

(a2

a3
)

a3
/
2
原胞体积为晶胞体积的一半。 晶胞中含有2个格点。
(3)面心立方(fcc、 face-centered cubic ):
格矢即为基矢 a1、a2、a3

a1 ai
a
2

aj
a3 ak
原胞体积为:


a1

(a2

a3
)

a3
(2)体心立方(bcc、 body-centered cubic):
碱金属Li、Na、K、Rb、Cs, 难熔金属Cr、Mo、 W等.
体心立方的配位数是 8 .
体心立方(bcc)的原胞与晶胞
(i

j)
原胞体积为:


a1

(a2

a3
)

a3
/
4
原胞体积为晶胞 体积的四分之一。 晶胞中含有4个格点。
原胞体积=晶胞体积/晶胞内格点数
2、立方晶系的复式格子
(1)NaCl Hale Waihona Puke Baidu构:
基元是由一个Na+、一个Cl-组成; 布拉菲格子是面心立方。 也可以看作是Na的面心立方子晶格和Cl 的面心立方子晶格 套构而成,套构的方式是沿立方体的棱平移1/2棱长.
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