1-1晶体学基础1

材料科学基础FundamentofMaterialsScience材料科学与工程学院绪论课程内容介绍课程学习要求绪论…..课程内容材料科学研究什么?核心问题是结构、性能及其二者间的关系材料的组元及其排列和运动方式原子、分子、离子等组元间的结合类型电子运动原子热运动材料的结构:绪论…..课程内容结构分为不同的层次：材料中各相的含量和形貌构成的图象介观：原子、离子的空间排列小大微观：原子结构原子中电子绕原子核的排列方式晶体结构、非晶结构、晶体缺陷宏观：显微组织结构绪论…..课程内容材料的性能:性能是材料对给定外界条件下的反应或表现。功能是对应于某种输入信号时，所发生质或量的变化，或对某些变化会产生一定的输出，感生出另一种效应通常在讨论性能时，往往将功能考虑进去绪论…..课程内容碳的异构体异构体密度(g/cm3)成键轨道键长(Å)物理特性0维维数1维C60sp21.721.40半导体C纳米管sp21.2-2.01.44导体半导体2维石墨sp22.261.42导体3维金刚石sp33.521.54绝缘体半导体无定形Csp2+sp32~31.54绝缘体材料的性能由内部结构决定绪论…..课程内容此外还要考虑材料尺寸对性能的影响体材料与低维材料的物理、化学性能不一样块状金的熔点为1064℃，2nm金微粒的熔点降至327℃；•了解课程前后衔接关系•在理解的基础上快乐学习•提高课堂学习效率•完成课后作业绪论…..课程学习要求第二节结合键第一章原子结构与结合键原子之间的结合力结合键：化学键:离子键、共价键和金属键物理键:范德华力和氢键第二节结合键第一章原子结构与结合键离子键：当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。无方向性和饱和性，第二节结合键第一章原子结构与结合键无方向性:离子电荷的分布是球形对称的，所以它在空间各个方向的静电效应是相同的，可无饱和性：由于离子键无方向性的特点，只要空间允许，一个离子可以吸引尽量多的电荷相反的离子。以在任何方向吸引电荷相反的离子。第二节结合键第一章原子结构与结合键强弱通常用点阵能的大小表示离子键：点阵能越大，表示离子键越强，晶体越稳定,晶体的硬度愈大，熔点愈高，热膨胀系数愈小。熔融时导电离子极化经常会造成键能加强、键长缩短等现象;还能产生离子键向共价键过渡.第二节结合键第一章原子结构与结合键具有方向性，共价键结合的材料是脆性的,共价键：原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键通常具有键能较大、熔点高、强度和硬度都较大、不导电等特点。现代价键理论基本论点：1、自旋相反的未成对电子相互靠近时能互相配对即发生原子轨道重叠，使核间电子概率密度增大，可形成稳定的共价键。2、原子轨道重叠时，总是沿着重叠最多的方向进行。重叠的越多，核间电子云密度越大，形成的共价键越稳固。所以，共价键尽可能沿着原子轨道大重叠的方向形成，这称为最大重叠原理。1、在分子的形成过程中，为了形成更稳定的化学键，把不同类型的、能量相近的原子轨道，重新组合成与原来轨道形状不同的新轨道，这一过程，称为轨道的杂化。杂化后的杂化轨道理论的基本要点新轨道，叫做杂化轨道。2、杂化轨道的数目与参与杂化的原子轨道数目相同，每个杂化轨道都含有组成它的原子轨道的成分。3、杂化利于形成牢固的共价键和稳定的分子。如S轨道与P轨道杂化，形成的杂化轨道都是一头大一头小，大头为成键提供了最大的可重叠区域。而且杂化轨道之间尽可能采取最大夹角，满足斥力最小原则。C1s22s22p2—→激发为1s22s12px12py12pz1，碳原子的2s轨道和三个2p轨道杂化，组成四个新的相同的sp3杂化轨道，每个sp3杂化轨道含有1/4s轨道成分和3/4p轨道成分。如sp3杂化：第二节结合键第一章原子结构与结合键金属键：当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子．为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键没有方向性和饱和性，金属不透明,有金属光泽,有良好的导热、导电性和延展性。第二节结合键第一章原子结构与结合键范德华键：分子间作用力，键能比其他化学键的键能约低1-2个数量级。作用范围约为0.3-0.5nm。没有方向性与饱和性。第二节结合键第一章原子结构与结合键氢键：电负性越大，氢键越强；Y的半径愈小则氢键愈强。饱和性：指X—H中的H原子，能与一个Y原子形成一个氢键，不能形成第二个。方向性：指只有X—H…Y三个原子在同一直线上时，作用最强烈，氢键相对稳定。第二章固体结构2.1晶体学基础2.2金属的晶体结构2.3合金相结构2.4离子晶体结构2.5共价晶体结构2.6纳米晶与准晶2.1.1空间点阵和晶胞晶体是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性重复排列的固体2.1晶体学基础1.空间点阵与晶胞物质中质点在三维空间呈周期性重复排列，晶体(crystal)：2.1晶体学基础即具有长程有序的固体。结构基元：在晶体中重复出现的基本单元；在三维空间周期排列；为简便,可抽象几何点空间点阵：上述几何点在空间的分布，每个点称为点阵点。晶体是内部质点(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性重复排列的固体NaCl晶胞2.1晶体学基础空间点阵（将晶体结构中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点）空间格子（表示晶体结构周期重复规律的简单几何图形要画出空间格子，就一定要找出相当点。）相当点（两个条件：1、性质相同，2、周围环境相同。）2.1晶体学基础晶胞（构成晶体的基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体）具体的晶体结构是多种原子、离子组成的，使得其重复规律不容易看出来，而空间格子就是使其重复规律突出表现出来。空间格子仅仅是一个体现晶体结构中的周期重复规律的几何图形，。2.1晶体学基础将空间点阵中的阵点按一定规律连接起来就形成了空间格子。比具体晶体结构要简单的多空间点阵有以下几种要素：(1)阵（结)点(2)行列(4)平行六面体(3)面网等同点结点间距面网间距2.1晶体学基础面网AA’间距d1面网BB’间距d2面网CC’间距d3面网DD’间距d4面网间距依次减小,面网密度也是依次减小的.所以:面网密度与面网间距成正比.2.1晶体学基础2.平行六面体（晶胞）:结点在三维空间形成的最小单位(引出:晶胞参数：a,b,c;α,β,γ,也称为轴长与轴角）abc2.1晶体学基础6个点阵参数(可决定平行六面体尺寸和形状)xYZ2.1晶体学基础★平行六面体（晶胞）选取原则:(1)(1)经分析而划分出来的平行六面体应能反映出整个空间点阵的最高对称性。(2)在上述前提下，所选取的平行六面体中棱与棱之间的直角关系力求最多；(3)在满足以上二条件的基础上，所选取的平行六面体的体积力求最小。根据上述原则，证明仅存在14种不同的晶格（或点阵），称做布拉维点阵，按对称性可分为7个晶系。下面两个平面点阵图案中，请同学们画出其空间格子：L44PL22PL44PL22P引出一个问题：空间格子可以有带心的格子3.晶系按点阵常数对晶体的分类。2.1晶体学基础2.1晶体学基础三斜晶系triclinicabc,g90agabc,g90cb2.1晶体学基础单斜晶系monoclinicbacabc,=g=90bac2.1晶体学基础斜方晶系Orthorhombicabc,==g=902.1晶体学基础2.1晶体学基础a=bc,==g=90四方晶系Tetragonal2.1晶体学基础立方晶系(Cubicsystem)abc,==g=90根据结点在单位平行六面体上的分布特征以及平行六面体的划分原则，布拉维推导出14种空间格子，这14种空间格子就称为布拉维格子．根据结点在单位平行六面体上的分布空间格子可分为四种：2.1晶体学基础原始格子（P）：又称简单格子，结点分布在平行六面体的几个角顶，每个晶系都有一个原始格子。4.布拉维格子结点分布在平行六面体的角顶和一对平面的中心底心格子：体心格子（I）：(1)结点分布在平行六面体的角顶和平行六面体的中心。面心格子（F）：结点分布在平行六面体的角顶和平行六面体中每个面的中心2.1晶体学基础小结掌握以下重要的基本概念:1)晶体、空间点阵、空间格子、晶胞；它们之间的关系。（p22)2)结点、行列、面网、平行六面体;结点间距、面网间距与面网密度的关系.2.1晶体学基础2.1.3晶体的对称性1.对称:物体相同部分通过一定的操作可在不同的方向或位置上作有规律的重复.晶体的对称不仅体现在外形上，同时也体现在物理性质。(p28)一、宏观对称性2.1晶体学基础进行对称变换时所凭借的几何要素.一定的对称要素与一定的对称变换相对应能使物体相同部分作有规律重复的变换动作.对称操作(变换):对称要素:2.对称要素与对称操作2.1晶体学基础晶体外形可能存在的对称操作和对称要素如下:对称中心是一个假想的点，相应的对称操作是对此点的反伸。如果通过此点作任意直线则在此线上距对称中心等距离的两端上必定可以(1)对称中心(C)找到对应点。国际符号表示为i只可能在晶体中心，只可能一个。2.1晶体学基础(2)对称面（P）对于此平面的镜像反映。国际符号用m表示.对称面是一个假想的平面，相应的对称操作为可以有多个对称面存在，如5P、9P等.2.1晶体学基础必定通过晶体几何中心。对称轴是一根假想的直线。当绕对称轴旋转一定的角度后，能使图形的等同部分重合。(3)回转对称轴（Ln）轴次n:旋转一周重合的次数（2，3，4，6）基转角:重合时所旋转的最小角度n2的对称轴称为高次轴晶体中如存在对称轴，必定通过晶体的几何中心2.1晶体学基础2.1晶体学基础(4)回转-反演轴（）一种复合的对称要素，一根假想的直线和此直线上的一个点。相应的对称是围绕此直线的旋转和对此直线上的一个点反伸的复合操作。Li1=CLi2=PLi3=L3CLi4Li6=L3P2.1晶体学基础6,4,3,2,1niL对称要素的组合方式是非常多，但在晶体中由于受到内部格子构造及外形是有限图形的限制，对称要素可能的组合方式有32种组合，称为32种对称型或32个点群.点群:在晶体多面体中，全部对称元素相交于一点，在进行对称操作时至少有一个点不移动，因此，对称型也称为点群。对称型:宏观晶体中所有点对称要素的集合3.32种点群2.1晶体学基础4、晶族与晶系ininin用晶体的对称性对晶体进行分类1).晶族根据晶体中是否存在高次轴及其数目将晶体划分成高、中、低三个晶族2).晶系每一个晶族可按旋转轴和旋转反伸轴的轴次和数目把晶体分成七个晶系2.1晶体学基础in高级晶族立方晶系(等轴晶系)晶体中存在4个3中级晶族三方晶系：唯一的高次轴为3或34四方晶系：:唯一的高次轴为4或,六方晶系特点:唯一高次轴为6或2.1晶体学基础6in低级晶族正交晶系:3个相互垂直的2或2个m单斜晶系：一个2或m三斜晶系：只有1或i，2.1晶体学基础32种点群按点阵常数对晶体的分类2.1晶体学基础。2.1晶体学基础1.平移轴：一条直线，图形沿该直线移动一定距离时，图形的相等部分重复，能使图形复原的最小平移距离称为平移轴的移距晶体结构中任一行列都是平移轴。二、微观对称元素(p29)2.1晶体学基础2.滑动面：一个假想平面，图形先对此平面反映，然后沿平面内一直线方向移动一定距离后，图形的相等部分重复．2.1晶体学基础滑动面按其滑移的方向和距离可分为a、b、c、n、d五种其中a、b、c为轴向滑移，移距分别为1/2a，1/2b，1/2c。n为面对角线平移，1/2（a+b）or1/2（b+c）等。d为金刚石型滑移，移距为1/4（a+b）等。2.1晶体学基础3.螺旋轴：为一条假想直线，图形绕该直线旋转一定角度并沿此直线方向平移一定距离，结构中的每一质点都与其相同的质点重合。沿螺旋轴