晶体结构与晶体材料

立方晶胞顶角有个TiO6 八面体基团，有对称中心， 无非线性光学性能。
温度降低时，晶胞发生 畸变，转变为四方晶系，无 对称中心，四方BaTiO3是非 线性光学晶体。
Ba Ti O
用途：对高强度的激光光源进行调频、调相等，优 良的压电、铁电等重要功能晶体材料。
6.4.3 BGO晶体材料
——化合物Bi4Ge3O12的简称。 特点：无色透明，在光和X射线辅照下，室温有 很强的发光性能，是新一代闪烁晶体材料。
非晶态物质不具有上述性质。
6.3 晶体的对称性与晶系
对称性普遍存在于自然界。 自然界中的 对称性
两个p轨道构成的 成键轨道和 反键轨道
6.3.1 晶体的宏观对称性
1）旋转轴 对称元素，绕旋转轴可做旋转操作。
每次操作都能产生一个和原 来图形等价的图形，通过一次或 几次操作使图形完全复原。
对称操作: 旋转
第6章
晶体结构与晶体材料
6.1 晶体的结构特点
晶体是由原子或分子按照一 定的周期性规律重复排列而成的 固体物质。
NaCl晶体
1）晶胞
——晶体的一个基本结构单元， 无数的晶胞在空间规则地重复排列 就形成晶体。
立方晶胞
注：NaCl这种表示方法只是一个化学式，整块NaCl 晶体是个巨大的分子，把它看成一个分子是不对的。
作用：使电流单向导通，是个整流器，可将交流 电转变为直流电，使电流从P-N结的P区流向N区。
用途：做晶体管（将光信号转变为电信号，且把 光电流放大）、集成电路。
习题： 课后1. 2. 3. 4. 5.
6.3.2 7个晶系
按宏观对称性，可将晶体划分为7类，称为7个 晶系。
划分依据：根据特征对称元素（对称性最高的 对称元素）进行划分。
若要判断一个晶体属何种晶系，先要找出该晶 体的全部对称元素，再根据特征对称元素就可找到 归属。
晶系
7Baidu Nhomakorabea晶系及其特征对称元素 特征对称元素
立方晶系 六方晶系 四方晶系 三方晶系 正交晶系 单斜晶系 三斜晶系
2）晶胞参数 ——规定晶胞的大小和形状。
z
c
b
x a
a = b =c，
90o的晶胞为立
方晶胞。
y
NaCl：a = 562.8
pm。
3）结构基元
——晶体中作周期性规律重复排列的那部分内 容，是晶体中重复排列的基本单位。
条件：化学组成相同、空间结构相同、排列取 向相同、周围环境相同。
晶胞中含一个结构基元的为素晶胞，含两个或 两个以上结构基元的称复晶胞。
对称元素，通过对称中心可 做倒反操作，常用i表示。
有无对称中心对晶体的性质 有较大影响。
y
i x
4）反轴 前三种对称元素所做的对称操作都是简单操作；如果
连续做两个简单操作就成为复合操作。 反轴：旋转倒反的复合操作，记为n。 反轴也只有1、2、3、4、6五种。其中只有4是独立存
在的。
晶体中独立存在的宏观对称元素有8种：1、2、3、 4、6、4、m、i。
用途：探测X射线、 射线和石油勘探等。
BGO晶体属立方晶系，晶胞中有4个Bi4Ge3O12分 子。Bi3+周围有6个GeO4四面体。
作为闪烁晶体，对BGO晶体的纯度要求极高。
6.5 晶体缺陷
知识点 理想晶体是指晶体中的原子、分子完全按照严
格的周期性重复排列得到的晶体。实际晶体偏离理 想的周期性重复排列的现象，称为晶体缺陷。
围的不同。
六
用途：在阴极射线激发下，可放 方
出荧光，做彩色电视荧光屏中的蓝色
荧光粉。
2 单晶硅、锗和信息材料
——性能优异的半导体材料。
a. P型半导体
单晶硅是金刚石结构，每个硅原 子外层有8个电子。
Si
Si Si
Ga
Si
机制：掺杂镓后，Ga外层只有7个电子，产生了空穴。 相邻的Si原子价层上电子可移动到空穴，而又留下一个空 穴，这相当于空穴在移动。
4个3次轴 1个6次轴 1个4次轴 1个3次轴
3个互相垂直2次轴，或2个互相垂直对称面
1个2次轴，或1个对称面 无
6.4 晶体材料
6.4.1 石英晶体与压电材料
压电效应 把晶体切成薄片，薄片受压后在两个面上分别产生正 电荷和负电荷，这就是晶体的压电效应。 没有对称中心的晶体叫非中心对称晶体，只有非中心 对称晶体可能有压电效应。 利用压电效应可判断晶体的对称性。
O
H1
H2
例： 3次轴的对称操作
120 o
n次旋转轴记为n ， n 2 ；
α 为基转角（规定为逆时针旋转）
120 o
注
晶体宏观外形中存在的旋转轴有1、2、3、4、6 次旋转轴，不存在5次轴和大于6次的旋转轴。
2）对称面 对称元素，借对称面可
做反映操作。对称面也称镜 面，常用m表示。
H2O
3）对称中心
这种由空穴迁移导电的称为P型半导体。
b. N型半导体
机制：掺杂As后，As外层有9个 价电子，多出了一个电子可以激发到 导带而导电。
Si
Si Si
As
Si
这种由电子移动导电的称为N型半导体。
c. P-N结 若将单晶硅的一端掺Ga，另一端掺As，则掺Ga部分
形成P型半导体，掺As部分形成N型半导体。N型和P型半 导体的结合处称为P-N结。
对晶体材料来说，晶体缺陷非常重要。有的晶 体需克服晶体缺陷，更多的晶体需人们有计划、有 目的地制造晶体缺陷以造就各种性能的晶体材料。
1 ZnS晶体与蓝色荧光粉
材料：掺杂了AgCl的ZnS晶体。
立 方
机制：掺杂0.0001%的AgCl后，
破坏了ZnS晶体的周期性结构，使杂
质原子周围的电子能级与Zn2+、S2-周
面心立方 简单立方
NaCl CsCl
体心立方 金属钨
6.2 晶体的基本性质
晶体的基本性质由晶体的周期性结构决定。
性质 a. 均匀性、各向异性（晶体中沿不同的方向，原子 或分子排列的情况不同，表现为不同方向呈现的性质不 同）。 b. 具有确定的熔点。 c. 具有对称性。 d. 能使X射线产生衍射。
石英晶体没有对称中心，是很好的压电材料。
6.4.2 钛酸钡晶体与非线性光学材料
1 非线性光学效应
当光通过某种晶体后产生频率为入射光两倍的光，这 种现象即非线性光学效应。
产生非线性光学效应的晶体叫非线性光学晶体。 要求：非中心对称晶体。
2 钛酸钡晶体
分子式：BaTiO3。高温时，属立方晶系；温度降低时 为四方晶系。