功能材料系列材料科学基础.pptx

功能材料学功能材料学主讲：主讲：材料化学教研室材料化学教研室 刘守华刘守华,18755351608安徽师范大学化学与材料科学学院安徽师范大学化学与材料科学学院College of Chemistry and Materials Science 课件制作：刘守华课件制作：刘守华内内 容容 提提 要要uu 引言引言引言引言uu 晶体学基础及材料性能晶体学基础及材料性能晶体学基础及材料性能晶体学基础及材料性能uu 超导材料超导材料超导材料超导材料uu 储氢合金储氢合金储氢合金储氢合金uu 形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金uu 磁性材料磁性材料磁性材料磁性材料uu 半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料uu 光学材料光学材料光学材料光学材料uu 纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料uu 功能转换材料功能转换材料功能转换材料功能转换材料uu 功能薄膜材料功能薄膜材料功能薄膜材料功能薄膜材料uu 新型功能材料新型功能材料新型功能材料新型功能材料引言INTRODUCTION（一）功能材料的概念（一）功能材料的概念000组组 成成性性 能能结结 构构用用 途途材料三元素图材料三元素图材料三元素图材料三元素图（二）材料的分类（二）材料的分类从不同角度对材料均可进行分类从不同角度对材料均可进行分类从不同角度对材料均可进行分类从不同角度对材料均可进行分类;从材料的性能及其用途分从材料的性能及其用途分从材料的性能及其用途分从材料的性能及其用途分:结构材料、功能材料结构材料、功能材料结构材料、功能材料结构材料、功能材料 结构材料结构材料结构材料结构材料:利用其力学性能利用其力学性能利用其力学性能利用其力学性能,用于用于用于用于承载部位承载部位承载部位承载部位的材料的材料的材料的材料;功功功功能能能能材材材材料料料料:具具具具有有有有优优优优良良良良的的的的声声声声、热热热热、光光光光、电电电电、磁磁磁磁、化化化化学学学学及及及及生生生生物物物物学学学学等等等等功功功功能能能能及及及及其其其其相相相相互互互互转转转转换换换换的的的的功功功功能能能能的的的的材材材材料料料料,用用用用于于于于非非非非承承承承载载载载部部部部位位位位;功能材料的细分功能材料的细分功能材料的细分功能材料的细分按物质属性按物质属性按物质属性按物质属性(组成组成组成组成)分为：分为：分为：分为：金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料、复合功能材料金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料、复合功能材料金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料、复合功能材料金属功能材料、无机非金属功能材料、有机功能材料、复合功能材料基于功能特性分为：基于功能特性分为：基于功能特性分为：基于功能特性分为：声学功能材料、热学功能材料、光学功能材料、电学功能材料、磁学声学功能材料、热学功能材料、光学功能材料、电学功能材料、磁学声学功能材料、热学功能材料、光学功能材料、电学功能材料、磁学声学功能材料、热学功能材料、光学功能材料、电学功能材料、磁学功能材料、化学功能材料、生物医药功能材料等。功能材料、化学功能材料、生物医药功能材料等。功能材料、化学功能材料、生物医药功能材料等。功能材料、化学功能材料、生物医药功能材料等。第一章第一章 晶体学基础及材料性能晶体学基础及材料性能1.1 晶体特征晶体特征Q1:规则的几何外形是不是晶体的本质?Q2:晶体的本质是什么?晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列晶体的共同特征是内部质点在三维空间按周期性的重复排列.Q3:晶体的定义?晶体是内部质点在三维空间按晶体是内部质点在三维空间按晶体是内部质点在三维空间按晶体是内部质点在三维空间按周期性周期性周期性周期性重复排列的固体。或者重复排列的固体。或者重复排列的固体。或者重复排列的固体。或者说晶体是具有说晶体是具有说晶体是具有说晶体是具有格子构造格子构造格子构造格子构造的固体。的固体。的固体。的固体。不不不不是是是是晶体结构的周期性周期性：一定数量和种类的粒子在空间排列时，在一定的方向上，相隔一定的距离重复地出现。周期性的二要素：(1)周期性重复的内容结构基元(2)周期性重复的方式周期大小和方向点阵一维点阵结构与直线点阵(1)实例(a)NaCl晶体中沿某晶棱方向排列的一列离子 结构：结构单元：点阵：Na+102pm Cl-181pm(b).聚乙烯链型分子-CH2-CH2n-结构：结构单元：点阵：或 C-C：键长154pm，键角120(c).石墨晶体中的一列原子结构：结构单元：点阵：小结：结构单元的选取原则：最小化、全面化。由不同晶体中抽象出的一维点阵相同唯一不同的是点阵点之间的距离基本向量和平移群基本向量(大小、方向)：连接相邻两点阵点所得的向量平移：所有点阵点沿相同方向平行移动相同的距离 平移的特点：经平移后，点阵不变(所有的点阵点复原)平移群：图形中全部平移操作的集合一维平移群统写为：2.二维点阵结构与平面点阵(1)实例(a)NaCl晶体中平行于某一晶面的一层离子结构：结构基元：点阵：(b)石墨晶体中一层C原子结构：结构基元：点阵：(2)平面格子连结平面点阵中各点阵点所得平面网格：平面格子中的结点代表平面点阵中的阵点平面格子与平面点阵本质相同,且绘制容易,表达清楚.平面格子平面点阵(3)平面点阵单位这些平行四边形称为平面点阵单位，可划分：素单位：仅含有个点阵点复单位：含有个及以上点阵点复单位可以分解成若干个素单位，因此素单位更具有表征点阵结构的意义。(4)二维平移群将素单位中2个互不平行的边作为平面点阵的基本向量,则两两连接该平面点阵中所有点所得向量均可用这两个基本向量表示:全部这些平移构成二维平移群：3.三维点阵结构与空间点阵(1)实例:结构：结构基元:点阵：Na+Cl-Cs+Cl-Na以含有一个基本单元的结构为基本结构，抽象成一个几何点，则该空间点阵为：简立方（）空间点阵单位这些平行六面体称为空间点阵单位，同样也可以划分：素单位：含1个点阵点复单位：含2个及以上点阵点素单位三种复单位(3)空间格子(晶格):将空间点阵按选定平行六面体的三个轴单位用直线划分,可得空间格子，也称为晶格。(4)三维平移群:总结空间点阵的由来：将晶体结构中的结构基元抽象成一个几何点，按晶体的周期性特点在三维空间周期性重复排列，就得到了该晶体的空间点阵。1.1.1 空间点阵(以NaCl为例)由由由由NaClNaCl导出的点阵导出的点阵导出的点阵导出的点阵结结结结点点点点:NaNa+/Cl/Cl-/NaNa+和和和和ClCl-中中中中间间间间的任意位置的任意位置的任意位置的任意位置等同点等同点等同点等同点:在晶体结构中占据相同位置，并具有相同环境的点在晶体结构中占据相同位置，并具有相同环境的点在晶体结构中占据相同位置，并具有相同环境的点在晶体结构中占据相同位置，并具有相同环境的点 空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵:一系列按周期性排列的等同点一系列按周期性排列的等同点一系列按周期性排列的等同点一系列按周期性排列的等同点等同点行列行列行列行列面网面网面网面网空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵若所取的三组不共面的行列不同，就可以划分出若所取的三组不共面的行列不同，就可以划分出若所取的三组不共面的行列不同，就可以划分出若所取的三组不共面的行列不同，就可以划分出不同的平行六面体不同的平行六面体不同的平行六面体不同的平行六面体 .练习：不是不是答对了 晶体结构与空间点阵术语回顾 晶体晶体(crystal)(crystal)It is solid.It is solid.The arrangement of atoms The arrangement of atoms in the crystal is periodic.in the crystal is periodic.点阵点阵（LatticeLattice）An infinite array of points in space,An infinite array of points in space,in which each point has identical in which each point has identical surroundings to all others.surroundings to all others.晶体结构晶体结构（Crystal StructureCrystal Structure）It can be described by associating each It can be described by associating each lattice point with a group of atoms lattice point with a group of atoms called the called the MOTIFMOTIF(BASISBASIS)二.单位平行六面体与单位晶胞（正当点阵单位与正当晶胞）一定的点阵结构对应的点阵是唯一的，练习：等同点选取：空间点阵？表示结构单元；为一个周期的点阵结构练习：等同点选取：空间点阵？一定的点阵结构对应的点阵是唯一的，和几何点的选取没有关系；划分点阵单位的方式是多种多样的。行列行列行列行列面网面网面网面网空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵点阵单位(平行六面体)晶体结构平行六面体的选取规则：所选平行六面体的对称性应复合整个空间点阵的对称性；所选平行六面体的对称性应复合整个空间点阵的对称性；不不违违反反对对称称的的条条件件下下，应应选选择择棱棱间间呈呈直直角角关关系系最最多多的的平平行行六六面体；面体；遵循前二者前提下，所选的平行六面体体积应为最小；遵循前二者前提下，所选的平行六面体体积应为最小；在在对对称称性性规规定定棱棱间间夹夹角角不不为为直直角角时时，在在遵遵循循前前三三条条前前提提下下，应应选选择择结结点点间间距距小小的的行行列列作作为为平平行行六六面面体体的的棱棱，且且棱棱间间的的夹夹角角接近于直角的平行六面体。接近于直角的平行六面体。原始格子原始格子:六面体结点均处于顶角上六面体结点均处于顶角上;单单位位平平行行六六面面体体除除原原始始格格子子外外还还有有体体心心格格子子、面面心心格格子子、单单面心格子（底心格子）。面心格子（底心格子）。1.划分原则:尽量选取夹角关系最接近直接的点阵单位做单位平行六面体；在照顾对称性的条件下,尽量选取含点阵点少的点阵单位做单位平行六面体,相应的晶胞叫做单位晶胞；符符合合对对称称特特点点和和符符合合选选择择原原则则的的格格子子共共有有14种种，对对应应于于七七大大晶系晶系布拉维格子布拉维格子1:三斜晶系2,3:单斜晶系4,5,6,7:正交晶系8:六方晶系9:三方晶系10,11:四方晶系12,13,14:等轴晶系/立方晶系晶胞晶胞晶胞晶胞晶晶晶晶胞胞胞胞:晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构中中中中的的的的平平平平行行行行六六六六面面面面体体体体，其其其其形形形形状状状状大大大大小小小小与与与与对对对对应应应应的的的的空空空空间间间间格格格格子的平行六面体一致子的平行六面体一致子的平行六面体一致子的平行六面体一致晶晶晶晶胞胞胞胞与与与与空空空空间间间间格格格格子子子子唯唯唯唯一一一一的的的的区区区区别别别别：空空空空间间间间格格格格子子子子由由由由晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构抽抽抽抽象象象象而而而而来来来来，空空空空间间间间格格格格子子子子中中中中的的的的平平平平行行行行六六六六面面面面体体体体是是是是由由由由不不不不具具具具有有有有任任任任何何何何物物物物理理理理、化化化化学学学学特特特特性性性性的的的的几几几几何何何何点点点点构构构构成成成成，而而而而晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构中中中中的的的的晶晶晶晶胞胞胞胞则则则则由由由由实实实实在在在在的的的的具具具具体体体体质质质质点点点点所所所所组组组组成成成成（晶胞的绘制图的点代表具体的质点结构基元晶胞的绘制图的点代表具体的质点结构基元晶胞的绘制图的点代表具体的质点结构基元晶胞的绘制图的点代表具体的质点结构基元）总结：由某一晶体中所抽象出的空间点阵唯一；在选取原则及对称性的限制下，空间点阵对应的单位平行六面体唯一；最终实现：晶体结构 单位平行六面体单位平行六面体和晶体结构中的单位晶胞相对应，单位晶胞在三维空间按平移操作，做无缝密排即得晶体；只需对单位平行六面体进行描述就可代表整个晶体。三.点阵中的点、直线、平面的结构参数1.点指标：u,v,wu,v,w 即为点阵点p的指标。2.直线点阵(或晶棱)指标,u,v,w以与直线平行的向量表示,表明该直线或晶棱的取向取向.直线经平移至坐标原点后，线上任意点阵点，在各结晶轴上的坐标，经化简即得。特殊说明：负坐标在其参数上加一横线进行表征；由于直线同时直线坐标原点的两端，因此，如果一对向量的参数大小相等，而正负号一一对应相反，则表示一条直线或晶棱；指标中的？练习：蓝色直线的指标仍是110，可见晶棱符号表征的是一系列平行的直线族，而非一条直线。即它表示直线的方向，而不是方位。指标中的表示直线垂直于该结晶轴。3.平面点阵(晶面)指标(h k l)密勒指数密勒指数(1)定义:一平面在三个晶轴上的倒易截数之比，即截距系数的倒数比。特殊说明：指标中的0？当晶体平行某坐标轴时，由于截距系数为 ，而1/，故米氏指数为0。坐标有正负之分，凡晶面与某一坐标轴的负轴相交时，应在相应的米氏指数上方加一负号“”，记做 。晶面的平面投影由图可见，晶面在ab平面内的投影是一条直线，因此这些晶面必是平行于轴的，因此对应于轴的晶面参数为定义：晶体的对称性是指晶体经过某些对称操作后仍能回复原状的特性。对称操作：不改变图形中任意两点间的距离，能使图形复原的操作；基本的对称操作有旋转和反映两种。对称操作所依赖的几何要素称为对称元素对称元素对称元素对称元素，如点、线、面等。1.1.3对称性对称中心(C)：是一个假想的几何点，其相应的对称变换是对于这个点的倒反(反伸)。C对称面(P)：一个假想平面，相应的对称变换为对此平面的反映。对称轴(Ln)：假想直线，相应的对称操作是绕此直线旋转。物体在旋转一周的过程中复原的次数(n)称为该对称轴的轴次。图为2次对称轴L2。PL倒转轴（Lin）：复合对称要素。一个假想的直线和在此直线上的一个点。相应的对称操作是先绕此直线做一定角度的旋转，后再对此定点倒反后，才可回复原状。这两个对称操作缺一不可，但与变换的次序无关。映转轴(Lsn)：复合对称要素，一根假想的线和垂直于该直线的一个平面组成。相应的对称操作是绕此直线旋转一定角度，后对此平面反映。这两个对称操作缺一不可而且变换次序不能颠倒1.2 化学键与晶体类型化学键与晶体类型 离子键与离子晶体离子键与离子晶体离子键与离子晶体离子键与离子晶体 离离离离子子子子键键键键通通通通过过过过两两两两个个个个或或或或多多多多个个个个原原原原子子子子间间间间失失失失去去去去或或或或获获获获得得得得电电电电子子子子而而而而成成成成为为为为离离离离子子子子后后后后形形形形成成成成，产产产产生生生生于于于于正正正正、负负负负电电电电荷荷荷荷之之之之间间间间的的的的静静静静电电电电引引引引力力力力(相相相相当当当当于于于于库库库库仑仑仑仑引引引引力力力力)。离离离离子子子子晶晶晶晶体体体体最最最最典典典典型型型型的的的的结结结结构构构构有有有有两两两两种种种种：NaClNaCl型型型型 结结结结 构构构构，配配配配 位位位位 数数数数 为为为为 6 6 6 6；CsClCsCl型结构，配位数为型结构，配位数为型结构，配位数为型结构，配位数为8 8 8 8。性性性性能能能能：晶体结构稳定，结合能较大，具有导电性差、熔点高、硬度高和膨胀系数小等特点。配位数配位数(CN):(CN):一个原子或离子的配位数是指在晶体结构中，该原子或离子的周围，与它直接相邻结合的原子个数或所有异号离子的个数。共价键与原子晶体共价键与原子晶体共价键与原子晶体共价键与原子晶体 在在在在晶晶晶晶体体体体中中中中，一一一一对对对对为为为为两两两两个个个个原原原原子子子子所所所所共共共共有有有有的的的的自自自自旋旋旋旋相相相相反反反反、配配配配对对对对的的的的电电电电子子子子结构称为共价键。结构称为共价键。结构称为共价键。结构称为共价键。共价键有两个基本特点：共价键有两个基本特点：共价键有两个基本特点：共价键有两个基本特点：饱和性：饱和性：饱和性：饱和性：符合8N定则；方方方方向向向向性性性性：原子总是在其价电子波函数最大的方向上成键。孤对电子共价键性能：性能：性能：性能：该类晶体熔点和硬度均很高；共价晶体中价电子定域在共价键上，故其导电性很弱，一般属于绝缘体或半导体。金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键与金属晶体 金金金金属属属属键键键键由由由由自自自自由由由由电电电电子子子子及及及及排排排排列列列列成成成成晶晶晶晶格格格格状状状状的的的的金金金金属属属属离离离离子子子子之之之之间间间间的的的的静静静静电电电电吸吸吸吸引力组合而成。引力组合而成。引力组合而成。引力组合而成。金属键的基本特征：金属键的基本特征：金属键的基本特征：金属键的基本特征：电电电电子子子子为为为为晶晶晶晶体体体体共共共共有有有有，即即即即原原原原属属属属于于于于各各各各原原原原子子子子的的的的价价价价电电电电子子子子不不不不再再再再束束束束缚缚缚缚在在在在原原原原子子子子上，可在整个晶体内运动。上，可在整个晶体内运动。上，可在整个晶体内运动。上，可在整个晶体内运动。金属键示意图红色代表金属离子，绿色代表自由电子金属晶体的结构和性能：金属晶体的结构和性能：金属晶体的结构和性能：金属晶体的结构和性能：多数为多数为多数为多数为面心立方结构，面心立方结构，面心立方结构，面心立方结构，CN=12CN=12CN=12CN=12；熔点较高；熔点较高；熔点较高；熔点较高；有有有有良良良良好好好好的的的的导导导导电电电电性性性性、导导导导热热热热性性性性及及及及高高高高延延延延展性。展性。展性。展性。范德华力与分子晶体范德华力与分子晶体范德华力与分子晶体范德华力与分子晶体 范范范范德德德德华华华华力力力力又又又又叫叫叫叫分分分分子子子子之之之之间间间间作作作作用用用用力力力力，其其其其作作作作用用用用范范范范围围围围为为为为0.3-0.5nm0.3-0.5nm0.3-0.5nm0.3-0.5nm，一般不具有方向性和饱和性。一般不具有方向性和饱和性。一般不具有方向性和饱和性。一般不具有方向性和饱和性。惰性元素在低温下形成典型非极性分子晶体；惰性元素在低温下形成典型非极性分子晶体；惰性元素在低温下形成典型非极性分子晶体；惰性元素在低温下形成典型非极性分子晶体；晶体多为面心立方结构；晶体多为面心立方结构；晶体多为面心立方结构；晶体多为面心立方结构；透明、绝缘，熔点特低。透明、绝缘，熔点特低。透明、绝缘，熔点特低。透明、绝缘，熔点特低。练习：为什么面心立方晶体的配位数是多少？计算法(在一个面心立方格子中)：绿色原子数：1/8；与该原子直接相邻的原子数：1/2紫色原子 1/2蓝色原子1/2橙色原子=3/2原子；故：一个绿色原子周围与其之间相邻的原子数为3/2812CN=12计数法晶体结构晶体结构与晶体缺陷与晶体缺陷1 13 3 晶体结构晶体结构1.3.1 元素的晶体结构元素的晶体结构第第一一类类：周周期期表表中中左左面面的的元元素素，均均为为金金属属，具具有有面面心心立立方方、六六方方和和体体心心立立方方等等密密堆堆积积晶晶体体结结构构。第第三三类类：周周期期表表右右面面的的元元素素，均均为为非非金金属属。由由于于形形成成共共价价键键，这这类类结结构构的的配配位位数数不不超超过过8遵遵守守8N规则。规则。第二类：周期表中中间的元素。第二类：周期表中中间的元素。元元素素的的同同素素异异构构体体：同同一一元元素素具具有有两两种种或或两两种种以以上上的的结结构构形形式式，这这两两种种或或两两种种以以上上的的结结构构形形式式就就称称为为某某元元素素的的同同素素异异构构体体。其其形形成成条条件件和和元元素素本本身的特性无关，取决于温度、压力等外部条件。身的特性无关，取决于温度、压力等外部条件。金属单质的结构近似模型等径球体密堆积模型近似模型等径球体密堆积模型1.近似的合理性近似的合理性 等径等径同种元素的原子半径相等同种元素的原子半径相等 圆球圆球组成晶格的原子近似球形对称组成晶格的原子近似球形对称 密堆积密堆积金属键无方向性无饱和性，为使体金属键无方向性无饱和性，为使体系能量最低，尽可能多的配位。系能量最低，尽可能多的配位。密置列与密置层、点阵密置列与密置层、点阵密置列直线点阵，一维点阵的唯一形式；密置层点阵：面心六方，密置层唯一形式；密置双层：唯一方式A:B:形成两种空隙：四面体空隙 1个A，3个B 八面体空隙 3个A，3个B等径球体最紧密堆积结构中：N球：N四：N八1：2：1三维密堆积的三种典型型式A1型密置层重复方式：ABCABC晶胞:面心立方，Z4，CN=12空间占有率(密堆积系数)代表金属：自然金 做立方最紧密堆积，晶胞为立方面心格子A3 型：六方最紧密堆积密置层重复方式：ABAB晶胞:六方,Z6,CN=12(6绿+3红+3黄)；空间占有率(密堆积系数)代表金属：纯金属Mg 六方格子的顶点位置，同时若把一个六方分割成六个三方柱体，则在/2三方柱体的体中心有原子占据。A2型:体心立方晶胞:体心立方,Z2,CN=8；空间占有率(密堆积系数)液态铁结晶后形成体心立方液态铁结晶后是体心立方晶格，称为-Fe；在1394以下转变为面心立方晶格。可见体心立方结构是高温相，而面心立方结构是低温相。在常温下铁的晶体结构有向面心立方转变的趋势。总结：金属单质的常见结构形式中，A2不是最紧密堆积形式；金属单质做最紧密结构堆积时，其密堆积系数相同。1.3.2 典型晶体结构典型晶体结构NaCl型晶体型晶体 顶点处的Cl面心处的ClNa晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：ClClClCl按按按按立立立立方方方方面面面面心心心心排排排排布布布布，NaNaNaNa填充于所有的八面体空隙。填充于所有的八面体空隙。填充于所有的八面体空隙。填充于所有的八面体空隙。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(NaCN(NaCN(NaCN(Na)CN(ClCN(ClCN(ClCN(Cl)6 6 6 6 金刚石型晶体金刚石型晶体 顶点处的C面心处的C小立方体体心处的C晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：C C C C按按按按立立立立方方方方面面面面心心心心排排排排布布布布，同同同同时时时时交交交交替替替替填填填填充充充充于于于于1/21/21/21/2小小小小立立立立方方方方体体体体的的的的体体体体心。心。心。心。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(C)CN(C)CN(C)CN(C)4 4 4 4 闪锌矿闪锌矿(-ZnS)型晶体型晶体 晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：S S S S2-2-2-2-按按按按立立立立方方方方面面面面心心心心排排排排布布布布，ZnZnZnZn2+2+2+2+交交交交替替替替填填填填充充充充于于于于1/21/21/21/2小小小小立立立立方方方方体体体体的的的的体体体体心。心。心。心。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(SCN(SCN(SCN(S2-2-2-2-)CN(ZnCN(ZnCN(ZnCN(Zn2+2+2+2+)4 4 4 4 顶点处的S2-面心处的S2-Zn2+CsCl型晶体型晶体晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：ClClClCl-按按按按简简简简单单单单立立立立方方方方排排排排布布布布，占占占占据据据据立立立立方方方方原原原原始始始始格格格格子子子子的的的的顶顶顶顶点点点点，CsCsCsCs+分布在立方体的体心。分布在立方体的体心。分布在立方体的体心。分布在立方体的体心。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(ClCN(ClCN(ClCN(Cl-)CN(CsCN(CsCN(CsCN(Cs+)8 8 8 8纤锌矿纤锌矿(-ZnS)型晶体型晶体 晶系：晶系：晶系：晶系：六方晶系六方晶系六方晶系六方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：S S S S2-2-2-2-按按按按六六六六方方方方最最最最紧紧紧紧密密密密堆堆堆堆积积积积排排排排布布布布，ZnZnZnZn2+2+2+2+交交交交替替替替填填填填充充充充于于于于1/21/21/21/2四四四四面面面面体体体体空隙中。空隙中。空隙中。空隙中。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(SCN(SCN(SCN(S2-2-2-2-)CN(ZnCN(ZnCN(ZnCN(Zn2+2+2+2+)4 4 4 4 萤石萤石(CaF2)型晶体型晶体 顶点处的Ca2+面心处的Ca2+F晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：CaCaCaCa2+2+2+2+按按按按立立立立方方方方面面面面心心心心排排排排布布布布，F F F F-填填填填充于八个小立方体的体心。充于八个小立方体的体心。充于八个小立方体的体心。充于八个小立方体的体心。配位数：配位数：配位数：配位数：CN(FCN(FCN(FCN(F-)4 4 4 4 CN(CaCN(Ca2+2+)8 8 练习：二元化合物中的配位数与化学计量数的关系？练习：二元化合物中Mxy中正负离子的配位数之比？正离子的（）n（）负离子的（）（）由于电中性的要求：n（）（）（）（）由此：（）（）（）（）（）：（）（）：（）由化学计量数及电中性要求可得：x.（）y.（)（）：（)：故：（）：（）：即：正负离子的配位数之比等于其化学计量数的倒数比。注意：此法仅适用于二元化合物。钙钛矿钙钛矿(CaTiO3)型晶体型晶体 晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：CaCaCaCa2 2 2 2和和和和O O O O2 2 2 2共共共共同同同同做做做做立立立立方方方方最最最最紧紧紧紧密密密密堆堆堆堆积积积积排排排排布布布布，其其其其中中中中CaCaCaCa2 2 2 2 占占占占据据据据立立立立方方方方面面面面心心心心格格格格子子子子的的的的顶顶顶顶点点点点，O O O O2 2 2 2占占占占据据据据面面面面心心心心；TiTiTiTi4 4 4 4位于立方格子的体心位置。位于立方格子的体心位置。位于立方格子的体心位置。位于立方格子的体心位置。Ca2O2Ti4+配位数：配位数：配位数：配位数：CN(TiCN(TiCN(TiCN(Ti4 4 4 4)CN(OCN(OCN(OCN(O2 2 2 2)6 6 6 6；CN(CaCN(CaCN(CaCN(Ca2 2 2 2)=12)=12)=12)=12尖晶石尖晶石(AB2O4)型晶体型晶体 晶系：晶系：晶系：晶系：立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系离子排布：离子排布：离子排布：离子排布：O O O O2 2 2 2做做做做立立立立方方方方最最最最紧紧紧紧密密密密堆堆堆堆积积积积排排排排布布布布(立立立立方方方方面面面面心心心心)，二二二二价价价价的的的的A A A A离离离离子子子子填填填填充充充充于于于于1/81/81/81/8的的的的四四四四面面面面体体体体空空空空隙隙隙隙，三三三三价价价价的的的的B B B B离离离离子子子子填填填填充充充充于于于于1/21/21/21/2的八面体空隙的八面体空隙的八面体空隙的八面体空隙正尖晶石；正尖晶石；正尖晶石；正尖晶石；O O O O2 2 2 2做做做做立立立立方方方方最最最最紧紧紧紧密密密密堆堆堆堆积积积积排排排排布布布布(立立立立方方方方面面面面心心心心)，二二二二价价价价的的的的A A A A离离离离子子子子填填填填充充充充于于于于八八八八面面面面体体体体空空空空隙隙隙隙，三三三三价价价价的的的的B B B B离离离离子子子子一一一一半半半半填填填填充充充充于于于于四四四四面体空隙，一半填充于八面体空隙面体空隙，一半填充于八面体空隙面体空隙，一半填充于八面体空隙面体空隙，一半填充于八面体空隙反尖晶石。反尖晶石。反尖晶石。反尖晶石。1.4 晶体缺陷实际晶体与理想晶体总存在某种程度的偏离，主要体现在以下几实际晶体与理想晶体总存在某种程度的偏离，主要体现在以下几个方面：个方面：理想晶体是在三维空间无限延伸的，而实际晶体的晶粒总是有限理想晶体是在三维空间无限延伸的，而实际晶体的晶粒总是有限的，最边缘处的粒子排布必然存在边界性，即与内部粒子不具有的，最边缘处的粒子排布必然存在边界性，即与内部粒子不具有等同性；等同性；但由于边界出的粒子数相对内部粒子数较少，所以科学上允许合但由于边界出的粒子数相对内部粒子数较少，所以科学上允许合理近似，忽略不计，所以实际晶体的晶格仍然是无限点阵结构；理近似，忽略不计，所以实际晶体的晶格仍然是无限点阵结构；粒子总是在平衡位置出粒子总是在平衡位置出“热震动热震动”，因此没有绝对固定的位置，因此没有绝对固定的位置，严格意义上即不是严密周期性；严格意义上即不是严密周期性；但热振动振幅相对晶格周期太小，可忽略，且内部质点的振动具但热振动振幅相对晶格周期太小，可忽略，且内部质点的振动具有同步性，因此仍把晶体结构看成周期性点阵结构；有同步性，因此仍把晶体结构看成周期性点阵结构；实际晶体中缺陷在所难免，按其几何形状可分为：实际晶体中缺陷在所难免，按其几何形状可分为：实际晶体中缺陷在所难免，按其几何形状可分为：实际晶体中缺陷在所难免，按其几何形状可分为：点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷：在在在在三三三三维维维维空空空空间间间间中中中中各各各各个个个个方方方方向向向向上上上上的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸都都都都很很很很小小小小的的的的缺陷；缺陷；缺陷；缺陷；线线线线缺缺缺缺陷陷陷陷：原原原原子子子子尺尺尺尺寸寸寸寸的的的的局局局局部部部部缺缺缺缺陷陷陷陷扩扩扩扩展展展展分分分分布布布布在在在在一一一一维维维维线线线线度度度度上成为线缺陷；上成为线缺陷；上成为线缺陷；上成为线缺陷；面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷：晶晶晶晶体体体体周周周周期期期期性性性性破破破破坏坏坏坏扩扩扩扩展展展展在在在在的的的的一一一一个个个个面面面面两两两两旁旁旁旁原原原原子子子子尺寸范围内的二维缺陷。尺寸范围内的二维缺陷。尺寸范围内的二维缺陷。尺寸范围内的二维缺陷。1.4.1 1.4.1 点缺陷点缺陷 间隙原子空位间间间间隙隙隙隙原原原原子子子子：晶晶晶晶体体体体的的的的组组组组成成成成原原原原子子子子进进进进入入入入晶格间隙；晶格间隙；晶格间隙；晶格间隙；空空空空位位位位：晶晶晶晶体体体体的的的的晶晶晶晶格格格格上上上上缺缺缺缺失失失失一一一一个个个个原原原原子的状态；子的状态；子的状态；子的状态；置置置置换换换换杂杂杂杂志志志志原原原原子子子子：外外外外来来来来杂杂杂杂质质质质原原原原子子子子取取取取代晶格中的晶体组成原子；代晶格中的晶体组成原子；代晶格中的晶体组成原子；代晶格中的晶体组成原子；置换杂质原子间隙杂质原子间隙杂志原子：间隙杂志原子：间隙杂志原子：间隙杂志原子：外来杂质原子进入晶格间隙。外来杂质原子进入晶格间隙。外来杂质原子进入晶格间隙。外来杂质原子进入晶格间隙。1.4.2 1.4.2 线缺陷线缺陷 1.4.3 1.4.3 面缺陷面缺陷 线缺陷即为线缺陷即为线缺陷即为线缺陷即为位错位错位错位错晶体中最简单的位错是晶体中最简单的位错是晶体中最简单的位错是晶体中最简单的位错是刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错和和和和螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错。主要的面缺陷有主要的面缺陷有主要的面缺陷有主要的面缺陷有表面表面表面表面、界面界面界面界面和和和和堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错。不不不不管管管管是是是是点点点点缺缺缺缺陷陷陷陷、线线线线缺缺缺缺陷陷陷陷还还还还是是是是面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷均均均均会会会会破破破破坏坏坏坏晶晶晶晶体体体体的的的的周期性势场，影响材料的性能。周期性势场，影响材料的性能。周期性势场，影响材料的性能。周期性势场，影响材料的性能。“缺陷”的价值没有实际晶体的有限性，整个世界只能有一个晶体，没有人类的生存空间，更别说五彩斑斓的世界；“缺陷”是留给人类想象和发挥的空间，不同的缺陷类型和缺陷数量使得同一基体的材料具备各异性，有的甚至天壤之别：红宝石晶体(Al2O3:Cr)蓝宝石晶体(Al2O3:Ti)缺陷的种类和数量给材料性能带来了“不确定性”；不确定性给人探索和求知的欲望，还有对未来的向往和希望。1.5 1.5 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体1.5.1能带填充与晶体导电性能带填充与晶体导电性 当电子完全填充某个能带时，形成满带，电子不导电当电子完全填充某个能带时，形成满带，电子不导电 只有部分填充能带中的电子可以导电只有部分填充能带中的电子可以导电,即只有固体的能带结构即只有固体的能带结构中具有未满带材料才具有导电性中具有未满带材料才具有导电性1.5.2 导体、半导体和绝缘体的区别导体、半导体和绝缘体的区别导导 体体有有不不完完全全被被电电子子填填充充的的能能带带，即即构构成成未未满带，无需电子激发就可以导电。满带，无需电子激发就可以导电。按按泡泡利利不不相相容容原原理理，每每个个电电子子轨轨道道上上最最多多可可容容纳纳两两个个自自旋旋方方向向相相反反的的电电子子，故故仅仅当当元元胞胞内内含含有有偶偶数数个个电电子子时时，才才可可能能产产生生满带；满带；当当有有奇奇数数个个电电子子时时则则必必定定形形成成未未满满带带，材料为导体。材料为导体。当当导导带带是是空空带带，而而紧紧靠靠近近它它的的价价带带是是满满带带时时，要要看看禁禁带带宽宽度度(Eg)：Eg较较大大(Eg2ev)时时，很很难难通通过过激激发发使使价价带带的的电电子子激激发发到到空空带带，材料表现为绝缘性。材料表现为绝缘性。对对绝绝缘缘体体施施加加极极高高的的电电压压，也也可可以以使使电电子子从从满满带带跃跃迁迁到到空空带带，导导致致其其具具有有导导电电性性，这这称称为为绝绝缘缘体的击穿。体的击穿。EcEv绝缘体绝缘体 当当禁禁带带宽宽度度较较小小时时(Eg0K，仅仅靠靠热热激激发发就就可可把把价价带带的的电电子子激激发发到到空空带带里里面面，使使其其转转变变成成未未满满带带，从从而具备导电能力。这类材料就是半导体。而具备导电能力。这类材料就是半导体。温温度度越越高高，电电子子受受热热激激发发变变成成导导电电电电子子的的几几率率越越大大，晶晶体的导电性越好。体的导电性越好。半导体半导体EgEcEv由此可根据材料的导电性将材料分为：由此可根据材料的导电性将材料分为：导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体本章结束本章结束