第2讲 晶体材料的结构及缺陷
武汉理工材料学-晶体结构缺陷PPT课件
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7
Now What Do You See?
Interstitial Vacancy
.
8
Point Defects
• Vacancies:
-vacant atomic sites in a structure.
distortion of planes
第二章 晶体结构缺陷
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1
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。
研究缺陷的意义：由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种 各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以 实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺 过 缺程陷的对控 材制料，性对能材的料影性响能举的例改: 善，对于新型材料的设计、 研 材究料与的开 强发化具，有如重钢要——意是义铁。中渗碳 陶瓷材料的增韧 半导体掺杂
线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密 切相关。
Байду номын сангаас
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12
刃型位错
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13
刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图
G
H
F
E
晶体局部滑移造成的刃型位错
.
14
螺型位错
.
15
C B
D A
C
D
B A
(a )
(b)
螺型位错示意图:（a）立体模型 ；（b）平面图
.
16
螺型位错示意图
.
17
3.面缺陷
晶体结构缺陷
（6）带电缺陷
不同价离子之间取代如Ca2+取代Na+——Ca
· Na
Ca2+取代Zr4+——Ca”Zr
(7) 缔合中心 在晶体中除了单个缺陷外，有可能出现邻近两个缺陷
互相缔合，把发生 缔合的缺陷用小括号表示，也称复合缺陷。 在离子晶体中带相反电荷的点缺陷之间，存在一种有
利于缔合的库仑引力。 如：在NaCl晶体中，
Sr O(S ) Li2O Sr •. V O
Li
Li
O
(3) Al2O3固溶在MgO晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
Al2O3
(
S
)
MgO
2
Al
•. Mg
VMg
3OO
(4) YF3固溶在CaF2晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
2Y F (S ) CaF2 2Y •. V 6F
(1－4)
3MgO Al2O3 2MgAl Mgi•• 3OO
(1－5)
（1－5〕较不合理。因为Mg2+进入间隙位置不易发生。
33
写出下列缺陷反应式：
(1) MgCl2固溶在LiCl晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
MgCl2 (S)
LiCl
Mg •. Li
VLi
2ClCl
(2) SrO固溶在Li2O晶体中(产生正离子空位，生成置换型SS)
3
HRTEM image of an edge of a zeolite beta crystallite（沸石）
STM图显示表面原子 存在的原子空位缺陷
4
自然界中理想晶体是不存在的 对称性缺陷？晶体空间点阵的概念似乎 不能用到含有缺陷的晶体中，亦即晶体 理论的基石不再牢固? 其实，缺陷只是晶体中局部破坏 统计学原子百分数，缺陷数量微不足道
材料科学基础 第2章 晶体缺陷PPT课件
2.2.1.点缺陷的种类及形成
当温度高于绝对零度时，晶体中原子或离 子围绕其平衡位置作热振动；并且晶体中原子 的能量非平均分配，存在热起伏。由于热运动， 晶体中的一些能量足够高的质点离开它的平衡 位置而形成的缺陷称为热缺陷，它是一种本征 缺陷。热缺陷包括肖特基缺陷、弗伦克尔缺陷 和间隙原子。
（1）肖脱基缺陷
kT
[ln(N n) lnn]
平衡时，自由能达到最 小 ，即：
F 0 n T
lnn ln(N n) EV TSf kT
ln n EV Sf N n kT k
当N＞ ＞ n时：
ln n ln n Nn N
C Aesp EV kT
将上式指数分子分母 同乘以阿伏加德罗常数 6.02×1023，则上式变为：
（3）间隙原子
晶体表面上的原子由于热涨落跳跃进入晶体内部的间隙位 置。这时晶体内部只有间隙原子。
（4）热缺陷形成时的晶格畸变及畸变能
形成缺陷后，不仅使得晶体内部局部位置原有的 规则排列遭到破坏，原子位置发生了变化，而且原有 的作用力也将失去平衡，将引起晶格畸变，产生畸变 能。与空位形成相比，间隙原子引起的畸变能更大， 因此晶体中间隙原子浓度比空位浓度低得多。
2.2.1位错的基本类型和特征
位错是晶体中原子排列的一种特殊组态， 从位错的几何结构看，可分为刃型位错和螺 型位错两种基本类型。另外，混合位错是刃 型位错和螺型位错的混合体。
1.刃型位错
滑移区
半原子面
位错线
滑移面 未滑移区
τ
τ
刃型位错的特征
①刃型位错有一个多余半原子面，根据 额外半原子面在滑移面的上方或下方， 可②④分刃晶为性体正位中刃错产性线生位可韧错理性和解位负为错刃晶之性体后位中，错已位滑错移线周 区围和的未点滑阵移发区生的弹边性界畸线变，，滑既移有线切或应为变， 直又线有，正也应可变能。为在曲畸线变，区但，必原定子垂具直有于较大 ③滑的刃移平型方均位向能错(量滑不。移只就矢是正量一刃)列；型原位子错，，而上是部以为位压 错应线力为，中而心下轴部的为一张个应圆力筒。状负区刃域型，位其错半则 径相一反般。为2～3个原子间距。在此范围内 原子发生严重错排。
材料科学基础 第02章 晶体缺陷课件
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子 面，再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)类似排列 方式(转90度)，这也是刃型位错。
位错的形式 ：
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
确定方法： 首先在原子排列基本正常区域作一个包含位错的 回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变 。然后将同样大小的回路置于理想晶体中，回路当然不可 能封闭，需要一个额外的矢量连接才能封闭，这个矢量就 称为该位错的柏氏(Burgers)矢量。
第一节 材料的实际晶体结构
一、多晶体结构
多晶体:
实际应用的工程材料 中，那怕是一块尺寸很小 材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小 晶体的内部，晶格位向是 均匀一致的，而各个小晶 体之间，彼此的位向却不 相同。称这种由多个小晶 体组成的晶体结构称之为 “多晶体”。
第一节 材料的实际晶体结构
螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错)
混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
柏氏矢量守恒：
①同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和走向无关。
②位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位 错，在位错网的交汇点，必然
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将上半部分向上移动一个原子间距，之间插入半个原子面， 再按原子的结合方式连接起来，得到和(b)类似排列方式(转 90度)，这也是刃型位错。
第三节 位错的基本概念
一、位错的原子模型
若将晶体的上半部分向后 移动一个原子间距，再按原子 的结合方式连接起来(c)，同样 除分界线附近的一管形区域例 外，其他部ห้องสมุดไป่ตู้基本也都是完好 的晶体。而在分界线的区域形 成一螺旋面，这就是螺型位错 。
材料科学基础第2章晶体缺陷.ppt
扭转型：它可以看成两个简单立方晶粒之间的扭转晶界。扭 转型小角度晶界，是由相交的螺位错网络所构成。
由于小角度晶界的界面能低于规则晶粒的晶界能，所以小角 度晶界对滑移几乎没有什么阻碍作用。
2. 大角度晶界(θ＞10°) 亚晶界
5
5
图2-23 扭转型小角度晶界
图2-24 大角度晶界结构的示意图
6
2.3.3 晶界特性
晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低 晶界的总能量。大角度晶界的界面能远高于小角度晶界的界 面能。所以，大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。
由于界面能的存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子 时，这些原子就将向晶界偏聚，这种现象称为内吸附。凡是 提高界面能的原子，将会在晶粒内部偏聚，这种现象叫做反 内吸附。
4
4
图2-22 对称倾转型小角度晶界
Figure 2.22 The small angle grain boundary is produced by an array of dislocations, causing an angular mismatch θ between lattices on either side of the boundary.
晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。
由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内，且易于腐蚀 和氧化。
晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此，原子的扩散速度较 快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界形成。
7
7
Figure The effect of grain size on the yield strength of steel at room temperature.
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。
晶体的结构及晶体中的缺陷
晶胞类型
序 熊夫里 号 斯记号 国际记号
对称元素
四4
方
abc
13 c4v
90 14
D2d
15
D4h
4mm
42m 422 mmm
4,4m 4,22,2m 4,42,5m, i
菱面体晶胞
c 16
3
3
3
abc
中
c 17
3i
3
3, i
三
120 90
方 3 六方晶胞
abc
18 D3
c 19
D3h
6 6 6 6m22
6mm
6m2
6
6(3, m)
6, m,i
6,62
6,6m
6(3, m),32,4m
27 D6h
622 mmm
6,62,7m, i
28 T
23 43,32
43在 abc
29 Th
高
立 方
立方的 体对角
90
30
O
线方向
31 Td
2 m
3
43,32,3m, i
432 43,34,62
第24页/共35页
晶体的微观结构是1912年Laue开 始用X－射线进行分析。
第25页/共35页
非晶态不具有晶体微观结构的平移对称性。
晶态与非晶态微观结构对比 图中对比了晶态和非晶态。可见，晶 体微观空间的原子排列，无论是近程还是远 程，都是周期性有序结构，而非晶态只是近 程有序而远程无序，无周期性规律。
交 个互相垂的
2
6
abc
7
90
8
D2
D2v
D2h
222 mm2
材料科学基础--第2章晶体缺陷PPT课件
12
2.1.5点缺陷与材料行为
Or, there should be 2.00 – 1.9971 = 0.0029 vacancies per unit cell. The number of vacancies per cm3 is:
17
Other Point Defects
Interstitialcy - A point defect caused when a ‘‘normal’’ atom occupies an interstitial site in the crystal.
11
2.1.4 过饱和点缺陷
晶体中的点缺陷浓度可能高于平衡浓度，称为过饱和点 缺陷，或非平衡点缺陷。获得的方法：
高温淬火：将晶体加热到高温，然后迅速冷却（淬火 ），则高温时形成的空位来不及扩散消失，使晶体在低 温状态仍然保留高温状态的空位浓度，即过饱和空位。
冷加工：金属在室温下进行冷加工塑性变形也会产生 大量的过饱和空位，其原因是由于位错交割所形成的割 阶发生攀移。
6
2.1.1 分类
3.置换原子（Substitutional atom） 异类原子代换了原有晶体中的原子，而处于晶体点阵的结 点位置，称为置换原子，亦称代位原子。 各种点缺陷，都破坏了原有晶体的完整性。它们从电学
和力学这两个方面，使近邻原子失去了平衡。空位和直 径较小的置换原子，使周围原子向点缺陷的方向松弛， 间隙原子及直径较大的置换原子，把周围原子挤开一定 位置。因而在点缺陷的周围，就出现了一定范围的点阵 畸变区，或称弹性应变区。距点缺陷越远，其影响越小 。因而在每个点缺陷的周围，都会产生一个弹性应力场 。
晶体结构与缺陷讲解
物之间的固溶体，即不等价置换是发生 在同一种离子中的高价态与低价态之间 的相互置换；（如，四氧化三铁） • （3）缺陷的浓度与温度(wēndù)无关
精品资料
点缺陷对材料性能的影响：
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起晶格畸变，使材料内部的能量提高，系统不稳定， 容易发生晶型转变等。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传 导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着ห้องสมุดไป่ตู้响，特别是对高温下进行的过程 起着重要的作用。 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热 处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切 的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照(fú zhào)缺陷）还提高了 金属的屈服强度。 在一般情形下，点缺陷对金属力学性能的影响较小，而对材料 的物理性能的影响较大
0.1%），进入晶体后无论位于何 处，均因杂质质点和原有的质点 性质不同，故它不仅破坏了质点 有规则的排列，而且在杂质质点 周围的周期势场引起改变，因此 形成—种缺陷。
溶剂：原晶体 溶质：溶质
精品资料
• 晶体中杂质含量在未超过其固溶度时，杂质 缺陷的浓度与温度无关；这点是与热缺陷是 不同的。
• 应用： • 在某些情况(qíngkuàng)下，晶体中可以溶
入较大量的杂质，如制造固体氧化物燃料电 池电介质材料，使用8－10％(mol)Y2O3溶 入ZrO2中，Y3＋置换Zr4＋，形成大量氧 空位缺陷，可传导氧离子，起到离子导电的 作用。
•
精品资料
• 杂质缺陷的小结：
• 概念——杂质原子进入晶体而产生的缺陷。原子 进入晶体的数量一般(yībān)小于0.1%。
2第二章晶体结构与晶体中的缺陷
还可以把O2-看成近似六方紧密堆积，而Ti4+位于1/2
的八面体空隙中
Mo属O于2；金W红O石2结；构M的nF晶2；体有Mg：FS2n；OV2O；2PbO2；MnO2；
九、CdI （碘化镉）型结构 2
三Cd方2+晶占系有，六空方间原群始P格m子，的a结0点=30位.4置24，nIm-交，叉c0分=布0.于68三4个nmC，d2Z+=的1；三角形中心的上、下方； Cd2+的配位数是6，上下各3个I- ， I-配位数是3，3个Cd2+处于同一边，因此，该结 构相当于两层I-离子夹一层Cd2+ ，构成复合层。层间由范德华力相连，是一种较典型 的层状结构，层间范德华力较弱，而呈现∥（0001）的解理；层内则由于极化作用，Cd －I之间是具有离子键性质的共价键，键力较强。
第二章 晶体结构与晶体中的缺陷
§2.1 典型结构类型 §2.2 硅酸盐晶体结构 §2.3 晶体结构缺陷
§2.1 典 型 结 构 类 型
一．金刚石结构 二．石墨结构 三．NaCl型结构 四．CsCl型结构 五．闪锌矿型结构 六．纤锌矿型结构
七．萤石型结构 八．金红石型结构 九．碘化镉型结构
十. 刚玉型结构
离子坐标：Cs+—½ ½ ½ ； Cl-—0 0 0
属于CsCl型结构的晶体：CsBr、CsI、NH4Cl等
五、β－ZnS（闪锌矿）型结构
4 子，立S方2晶-位系于F立3方m面，心a0的＝结0点.54位0置nm，，而ZZ＝n24+，交立错方地面分心布格
于立方体内的1/8小立方体的中心。
阴、阳离子的CN均为4，若把S2-看成立方最紧密堆积，
全部八面体空隙中，阴、阳离子配位数均为6。
2-第二章晶体结构缺陷-1详解
2.点缺陷的符号表征（克劳格-文克符号）
以MX型化合物为例：
1）空位（vacancy）用V来表示，右下标表示缺陷 所在位置，VM含义即M原子位置是空的。
2）间隙原子（interstitial），填隙原子，用Mi、Xi 来表示，M、X原子位于晶格间隙位置。
3）错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含 义是M原子占据X原子的位置。
①取代式杂质原子（置换式） ②间隙式杂质原子（填隙式）
根据缺陷产生的原因：
弗伦克尔缺陷 (1)热缺陷：
间隙原子和空位 晶体体积不变
肖特基缺陷 正离子空位和负离子空位
晶体体积增加
(2)杂质缺陷(组成缺陷)：外来原子进入晶体
(3)电荷缺陷：自由电子空穴
(4)色心：负离子缺位和被束缚的电子(NaCl+TiO2) (5)非化学计量结构缺陷：随周围气氛的性质和压
MgO形成肖特基缺陷时，表面的Mg2+和O2-离子 迁移到表面新位置上，在晶体内部留下空位:
MgMg surface+OO surface MgMg new surface+OO new surface +
V'' Mg
VO..
以零O（naught）代表无缺陷状态，则：
O
V'' Mg
VO..
例4·AgBr形成弗仑克尔缺陷
单晶试棒在拉伸应力作用下的 变化（宏观）
应力
2.晶体在外力作用下的孪生
在外力作用下，晶体的一部分相对于另一 部分，沿着一定的晶面和晶向发生切变，切 变之后，两部分晶体的位向以切变面为镜面 呈对称关系。
(a)孪生面、孪生方向的方位
(b)（11 0）晶面：孪生过程中（111）
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。
晶体结构和晶体缺陷
(3)体心立方堆积:(boyd centered cubic packing,bcc)
立方体的 中心和8个顶角 各为一个球占 据。
配位数：8
密堆积结构中存在许多空隙 四面体空隙
八面体空隙
3.晶体类型
(1) 离子晶体 离子晶体(ionic crystal)：正、负离子交
替排列在晶格结点上，相互间以离子键结合 而构成的晶体。
特征结构：共价键有方向性和饱和性,不 是紧密堆积,配位数 低。晶体中没有独 立的分子存在。
例如：金刚石晶体
特征物性：有较高的熔点、硬度，是电
的不良导体，在一般溶剂中都不溶解，延展 性差。
常见的原子晶体有金刚石、SiC、SiO2、 Si、Ge等。
(3)分子晶体 分子晶体(molecular crystal):由分子排列
错位粒子、间隙粒子、杂质粒子和空位。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷 杂质缺陷
错位粒子缺陷 本征缺陷
线缺陷
线缺陷：晶体中某些区域发生一列或 若干列粒子有规律的错排现象称为线缺陷, 又称位错。
线缺陷有两种基本类型： 刃型位错 螺型位错
理想晶体
原子面堆 积
含有刃型位错 晶体原子面堆 积
含有螺型位 错晶体原子 面堆积
晶体缺陷对晶体性质的影响
晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。
杂质粒子缺陷
空位缺陷
间隙粒子缺陷
点缺陷引起的三种晶格畸变
晶格畸变引起晶体结构的变化，对晶体 性质如机械强度、导电性、耐腐蚀性和化学 反应性能都有较大影响。
引入杂质可改变半 导体的能带结构，所以 杂质对半导体材料电学 性能的影响十分显著。 在晶体中引入杂质粒子 称掺杂。
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。
晶体结构缺陷
缺陷种类名称点缺陷瞬变缺陷声子电子缺陷电子、空穴原子缺陷空位填隙原子取代原子缔合中心广泛缺陷缺陷簇切变结构块结构线缺陷位错面缺陷晶体表面晶粒晶界体缺陷孔洞和包裹物第二章晶体结构缺陷我们在讨论晶体结构时，是将晶体看成无限大，并且构成晶体的每个粒子（原子、分子或离子）都是在自己应有的位置上，这样的理想结构中，每个结点上都有相应的粒子，没有空着的结点，也没有多余的粒子，非常规则地呈周期性排列。
实际晶体是这样的吗？测试表明，与理想晶体相比，实际晶体中会有正常位置空着或空隙位置填进一个额外质点，或杂质进入晶体结构中等等不正常情况，热力学计算表明，这些结构中对理想晶体偏离的晶体才是稳定的，而理想晶体实际上是不存在的。
结构上对理想晶体的偏移被称为晶体缺陷。
实际晶体或多或少地存在着缺陷，这些缺陷的存在自然会对晶体的性质产生或大或小的影响。
晶体缺陷不仅会影响晶体的物理和化学性质，而且还会影响发生在晶体中的过程，如扩散、烧结、化学反应性等。
因而掌握晶体缺陷的知识是掌握材料科学的基础。
晶体的结构缺陷主要类型如表2—1所示。
这些缺陷类型，在无机非金属材料中最基本和最重要的是点缺陷，也是本章的重点。
表2—1 晶体结构缺陷的主要类型2.1点缺陷研究晶体的缺陷，就是要讨论缺陷的产生、缺陷类型、浓度大小及对各种性质的影响。
60年代，F．A．Kroger和H．J．Vink建立了比较完整的缺陷研究理论——缺陷化学理论，主要用于研究晶体内的点缺陷。
点缺陷是一种热力学可逆缺陷，即它在晶体中的浓度是热力学参数（温度、压力等）的函数，因此可以用化学热力学的方法来研究晶体中点缺陷的平衡问题，这就是缺陷化学的理论基础。
点缺陷理论的适用范围有一定限度，当缺陷浓度超过某一临界值(大约在0．1原子％左右)时，由于缺陷的相互作用，会导致广泛缺陷（缺陷簇等）的生成，甚至会形成超结构和分离的中间相。
但大多数情况下，对许多无机晶体，即使在高温下点缺陷的浓度也不会超过上述极限。
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空间点阵
NaCl的晶体结构
NaCl 晶体结构中等同点的分布，及其相应 导出的二维点阵
结点
空间点阵 ＋ 结构基元 ＝ 晶体结构
空间点阵：
结点在三维空间的排列构成空间点阵。
晶胞
在空间点阵中截取一个 有代表性的平行六面体， 空间对称性 （将其沿三维方向平行堆积 空间点阵的最基本单元。 空间点阵晶格）
Density (Dx):
晶体材料的基本结构分析仪器
X-射线单晶 衍射仪 X-射线粉末衍射仪
Peak Search Report (10 Peaks, Max P/N = 37.7) L K b cos [429SDW-38.raw] 429SDW-38 PEAK: 27-pts/Parabolic Filter, Threshold=3.0, Cutoff=1.5%, BG=3/1.0, Peak-Top=Summit 2-Theta d (A) BG Height I% Area I% FWHM 10.541 8.3859 456 868 2.2 344.2 2.7 0.337 28.300 3.1510 864 38777 100.0 12783.6 100.0 0.280 362 32.760 2.7314 705 18213 47.0 9383.0 73.4 0.438 202 35.900 2.4994 434 1076 2.8 352.4 2.8 0.278 356 47.060 1.9294 420 17538 45.2 7157.6 56.0 0.347 270 55.820 1.6456 518 16258 41.9 8774.4 68.6 0.459 203 58.520 1.5759 352 5606 14.5 2303.3 18.0 0.349 278 68.480 1.3690 303 1389 3.6 1277.1 10.0 0.782 124 75.940 1.2520 362 5693 14.7 3328.6 26.0 0.497 208 78.260 1.2206 413 3870 10.0 2795.6 21.9 0.614 170
磁性能与晶体学方向的关系
光学各向异性--双折射
简单正交 正交 orthorhombic a ≠ b≠c
体心正交
a = b = g = 90
底心正交
面心正交
简单单斜
底心单斜
单斜 monoclinic
a ≠ b≠c
a = g = 90 b
简单三斜
三斜 triclinic
a ≠ b≠c
a b g 90
Card Information Names:gamma-Bismuth Tungsten Oxide Russellite, syn Formula:
晶面间距的规律性：
一般 (hkl)数值小, 则d大，晶面上原子排列越紧密
晶体从液体中自由成 长为多面体外形时的 暴露晶面？
原子密度最大的晶面 ----能量最低、最稳定
简单立方点阵的晶面间距
性能研究中高活性面的问题？
晶体结构的表征参数（以面心立方fcc为例）： 晶胞中的原子数： N=Ni+Nf/2+Nc/8
具有面心立方晶格的金属有g-Fe、βCo、Ni、Cu、Ag、Au、Pb等
配位数和致密度：
晶体中原子排列的紧密程度。
配位数： 晶体结构中，与任一原子最近邻并且 等距的原子数。
晶胞中原子体积 致密度= 晶胞体积
fcc中，配位数=12 致密度=0.74
材料晶体结构致密度与性能的关系？
晶体的各向异性举例
晶胞参数： z a b x
棱长a,b,c
z
y x
——决定平行六面体的尺寸
b a g
c
y
6个晶胞参数（点阵常数）:
夹角α,β,γ——决定平行六面体的形状
晶系(syngonies）
Bravais通过数学运算指出：依据晶胞参数之间关系的不 同，可以把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系。
晶系名称 1 立方 cubic 2 四方 tetragonal 晶胞棱边 a=b=c a=b≠c 棱边夹角
z
[uvw]代表一组晶向还是一个晶相？
[111]
y
[110]
x
晶向族：
原子排列情况相同，但空间位向不同的一组 晶向的集合。用<uvw>表示 。
晶面与晶面指数
晶面：
空间点阵的结点所处平面。 晶面指数： 表示晶面方位的符号，常称密勒指数，以 （hkl）来表示。（除六方晶系） 建坐标系 求截距 取倒数？ 化整
PDF Number:
Bi2WO6
39-256
Space Group: Pbca (no. 61)
Cell and Symmetry Information System: orthorhombic
a: 5.4568
Density (Dm):
b: 16.4355
9.496
c: 5.4382
9.496 Z: 4
三轴坐标：（100）（110） 四轴坐标：（1010）（1100）
Z
(111)
(110)
Y
X
(100)
(hkl) 代表相互平行的一组晶面
晶面族： 原子排列情况相同，但空间位向不同的一组 晶面的集合。 表示方法： 用花括号{hkl}表示。
Z
(110)
Y
Xቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
{111}晶面族： (111) (111) (111) (111)
原子排列的 有序程度
非晶态
C
C
C
天然金刚石
天然石墨
碳黑
SiO2 玻 璃 态 三维无规网络
SiO2晶态结构
周期性程度不同
晶体和非晶体的根本区别
晶体:长程有序
非晶体:短程有序
最近邻原子 次近邻原子
原子间距 配位数
非晶Si的微观结构示意图
晶体的空间点阵（Space Lattice）
空间点阵的提出：
在原子尺度上，晶体结构中 相同部分具有直线周期平移 的特点。
a ≠ b≠c a ≠ b≠c
a = b = g = 90 a = g = 90 b a b g 90
对于每一类格子，考虑到平行六面体选取 原则，可能会出现四种情况
面心格子：除了 8 个顶点 底心格子：除了 8 个顶点 体心格子：除 8 个顶 外，六个表面的中心处各有 简单格子:只有八个 外，上下两个表面的中心 点外，六面体中心处 1 个结点。 顶点处有结点 处各有 还有1 1个结点。 个结点
Photocatalytic Activity Enhancement
for Bi2WO6 by Fluorine Substitution
2d sin n
晶 格 畸 变：
However, with the decrease in calcination temperature corresponding to an increase of F content (according to the XRF results), a comparison of the (131) diffraction peaks in the range of 2θ ) 27-30° (Figure 2b) showed that the peak position of Bi2WO6-XF2X shifted slightly toward a lower 2θ value. According to Bragg’s law, the decrease in 2θ value should result in the increase in lattice parameters (d(131) value). Therefore, the observed shift of the diffraction peak toward lower angle could be due to the substitution of one O2- by two F- in order to maintain an electroneutrality condition.
10°to 70°.
表征结果描述：
The crystallinity and phase purity of the products were examined by XRD measurement. Figure 1 shows a typical XRD pattern of the as-synthesized products. All of reflections can be indexed to pure orthorhombicphase Bi2WO6 [space group B2cb], which is in good agreement with the reported data (JCPDS No. 73-1126). After refinement, the crystal lattice parameters of Bi2WO6 were calculated: a=0.5456 nm, b=1.6445 nm, and c=0.5444 nm. Widened diffraction peaks show that the size of the crystalline grain is small. According to the Scherrer equation, the crystalline size is ca. 35 nm.
3 六方 hexagonal
4 三方（菱方） （rhombohedral） 5 正交 orthorhombic 6 单斜 monoclinic 7 三斜 triclinic