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材料科学基础第三章典型晶体结构


晶体结构的描述通常有三种方法:
1)坐标法:给出单位晶胞中各质点的空间坐标,这
种采用数值化方式描述晶体结构是最规范化的。为了
方便表示晶胞,还可以采用投影图,即所有的质点在 某个晶面(001)上的投影。 2)球体紧密堆积法:与坐标法相比,以球体堆积的 方法来描述晶体结构,则相对直观,有助于理解。
3)配位多面体及连接方式法:适用于结构比较复杂
Cl
Na
等同点的分布:
NaCl型结构可以想象
为2套等同点构成的fcc点
阵互相穿插,每套等同点
由一种离子构成,每套等
同点占据另一套等同点的
八面体间隙位置。
思考题:为什么晶胞 中原子数不同都属于 一个空间格子?
表示方法:
Cl
Na
球体紧密堆积法
坐标法或投影图
配位多面体及其连接方式:
钠离子的配位数为6,构成 了Na-Cl八面体。NaCl结 构就是由Na-Cl八面体共 棱的方式相连而成的。 NaCl型结构在三维方向上键力分布比较均匀,因此 其结构无明显解理(晶体沿某个晶面劈裂的现象称
如方解石CaCO3和菱镁矿MgCO3共生成白云石[(Ca,Mg)CO3]。
2.
NaCl 型结构(AB type)
点群: 等轴晶系; 空间群符号: 晶胞分子数(正负离子个数)
Cl Na
Z为
正负离子配位数:
Cl
Na
堆积及间隙情况: • 以体积较大的Cl-作立方紧密堆积 • Na+如何填充? • 空隙如何分布?
同质多晶: 化学组成相同的物质,在不同的热力学条件下
生成不同的晶体结构的现象,称为同质多晶现象。当
外界条件改变时,各变体之间就要发生结构转变,称
为同质多晶转变。 类质同晶: 在晶体结构中,原有原子或离子被其性质相似的 离子或原子代替,但是并没有引起键性、晶体结构的
变化,把这种现象称为类质同晶现象。
75 0,100
与金刚石晶胞的对比 ,有什么不同?
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、-ZnS(纤锌矿)型结构 (AB type)
六方晶系,简单六方格子
配位数: 晶胞中正负离子个数 堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
S
1 8
等同点:
4套等同点。这种结构 可想象为Zn及S各自构成密
温度变化,结果在与晶体 C轴平行方向的一端出现正 电荷,在相反的一端出现负电荷的性质。晶体的热释 电性与晶体内部的自发极化有关。实际上,这种晶体 在常温常压下就存在自发极化,只是这种效应被附着
于晶体表面的自由表面电荷所掩盖,只有当晶体加热
时才表现出来,故得其名。热释电晶体可以用来作红 外探测器。
小 结
1. 2. 3. 4.
同结构类型的物质:人工合成六方氮化硼
石墨的结构特征: C 原子成层 状排列,每一层中 C 原子排列 成六方环状,每个 C 原子与周 围 3个 C原子成共价键结合,层 中 C原子的距离为 0.142nm,层 与层之间依靠分子键结合,层 间距为0.335nm。
思考:为什么介于 C-C单键和C=C双 键之间?
• 实际上,由于离子极化的结果, r+/r- 值下降, 配位数和键性都发生了变化

Zn2+的配位数为 4 ,结构类型与理论预期的
结构不同 • 充分体现了极化性能对晶体结构的影响。
6. CaF2(萤石)型结构
(AB2 type)
点群: 立方晶系;面心立方格子 空间群: 配位数: 晶胞中正负离子个数
堆积及空隙分布:
等同点分布:
共有2套等同点。这种 结构可以看作是Zn离子处
在由S离子组成的面心立方
点阵的4个四面体间隙中, 即有一半四面体间隙被占 据,上层和下层的Zn离子 的位置交叉错开。
表示方法:球体堆积法;坐标法;投影图;配位多面体
连接方式
0,100
50
0,100
75 50 25 0,100 50
25 0,100 50
萤石结构的解理性:在﹛111﹜面上存在着相互毗邻的同号负离 子层,因静电斥力导致晶体平行于﹛111﹜方向发生解理,故萤
石常呈八面体解理。
常见萤石型结构的晶体是一些四价离子M4+的氧化物MO2,如ThO2, CeO2,UO2,ZrO2(变形较大)等。 立方ZrO2属萤石型结构:常被用作测氧传感器探头、固体氧化物燃
C60分子图
应用:
据报道,对C60分子进行掺杂,使C60分子在其 笼内或笼外俘获其它原子或基团,形成类C60的衍
生物,例如C60F60。再如,把K、Cs、Ti等金属原
子掺进C60分子的笼内,就能使其具有超导性能。
再有C60H60这些相对分子质量很大地碳氢化合物
热值极高,可做火箭的燃料等等。
2)碳纳米管
2800℃左右,是碱性耐火材料镁砖中的主要晶相。
例3-2. 以氯化钠为例,说明它的结构符合Pauling规则。
(r Na+ =0.102nm, rcl- =0.181nm)
答:NaCl的结构如图,这是一个以面心立方点阵为基础的结构,
Cl-离子占据点阵的结点,Na+离子则位于其八面体空隙中。现 在来验证这个结构是否符合Pauling规则。由正负离子半径比 rNa+/rcl- ≈0.54, 在0.414-0.732区间,由Pauling规则可知,负离 子多面体应为八面体。显然,这是符合图示的结构的,因为Na+ 离子正是位于Cl-离子的八面体间隙中。 另外,再按第二规则来确定Cl-离子的配位数CN- 。S=1/6, Z-=1, CN-=6,即每个Cl-离子同时与6个Na+离子形成离子键。 这也符合NaCl的结构特点。
思考:氯化 钠中晶体常 数与离子半 径的关系?
讨论:CsCL是一个离子化合物,对这类计算,应使用
离子半径而不能使用原子半径。
4. -ZnS(闪锌矿)型结构 (AB type)
点群:
空间群: 配位数: 晶胞中正负离子个数Z:
堆积及间隙情况: • • • 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 Zn2+如何填充? 空隙如何分布?
Hale Waihona Puke 晶胞在(001)面的投影图
标出A、B、C的坐标?
晶胞中由几套等同点?
在坐标为 000 和坐标为 1/4 1/4 3/4 的原子的环境是不同的, 它们不能独立抽象为一类等同 点,这是两类等同点。最后, 它的布拉维格子仍为面心立方 格子。 这种结构可以看成是由 2 个面 心立方布拉维格子穿插而成: 这 2 个面心立方格子(图中的 灰色和红色点)沿体对角线相 对位移动a/4<111>。
第三章 金属与无机 材料的结构
材料科学基础
3.3.2 典型晶体的结构
目的:学习无机材料中一些典型的晶体结构和硅 酸盐晶体结构,同时探讨晶体的化学组成、晶体的结
构以及它们与性能的关系。
不同的晶体物质具有不同的密度、硬度、颜色、 光泽等等性质,除了与物质的化学成分有关外,另一 个重要因素就是具有不同的晶体结构,即晶体结构中 质点的排列方式(位置,相互间的间距等)不同。
3) 金刚石型结构
晶系: 基本格子: 空间群国际符号: 晶胞个中原子数:
球体堆积模型
结构特点:不能形成封闭的分 子,只能构成三维空间无限延 伸的大分子。
金刚石的晶胞图
Z
坐标法
0,100
投影图
50 0,100
A
75 50 25 0,100
B
50
Y X
0,100
25 50
75
C
0,100
金刚石的晶胞图
并且堆积方式也类似于fcc点阵,…AA’BB’CC’AA’BB’CC’……。
虽然金刚石结构属于fcc的结构, 但它的堆积致密度却很低,只 有0.34。最近邻原子中心距离是 a[111]/4,所以原子半径 一个晶胞有8个原子,故结构的 致密度η为:
与金刚石属于同一种类型结构的物质: 硅、锗、灰锡、人工合成立方氮化硼等。 性能及用途: 硬度、熔点高; 导热性好; 半导体性能。 因此,金刚石常被用作高硬切割材料和磨料以及钻 井用钻头、集成电路中散热片和高温半导体材料。
的晶体,如硅酸盐晶体结构,对于结构简单的晶体, 反而不一定适合。
1、单质碳的晶体结构
1)富勒烯 富勒烯是碳的一类空间有限 的笼状结构的总称,也称为球碳。 如C60、C70、C84…..C240等。 C60分子是以什么样的结构而 能稳定呢?Kroto等认为C60是由 60个碳原子组成的球形32面体, 即由12个五边形和20个六边形组 成,只有这样C60分子才不存在 悬键。
1 2
3 8
排六方格子,这两个格子
个沿 c 轴错开 3c/8 。即每个
120
点阵占据另一点阵的四面
体间隙位置。它仍为六方
: S (O) : Zn
原始格子。
纤锌矿结构与热释电性及声电效应:
某些纤锌矿型结构,由于其结构中无对称中心存
在,使得晶体具有热释电性,可产生声电效应。热释
电性是指某些像六方 ZnS晶体,由于加热使整个晶体
• CsCl和NaCl是典型的离子晶体 • 符合Pauling规则。
• ZnS晶体不是完全离子键,向共价键过渡 • Zn2+18个外层电子,极化力高,S2-极化率较高
• 较明显的离子极化,改变了正、负离子之间的
距离和键性 • 但尚未引起晶体结构类型的根本改变。
• ZnO晶体结构中Zn2+的配位数应该为6,本应 属于NaCl型结构。
为解理),破碎后颗粒呈现多面体形状。
类似于NaCl型晶体结构的晶体较多,只是晶胞
参数不同而已。
常见的NaCl型晶体都是碱土金属氧化物和过渡
金属的二价氧化物。化学式可写为MO,其中M2+是 二价金属离子,结构中M2+和O2-分别占据了NaCl中 钠离子和氯离子的位置。这些氧化物有很高的熔点, 尤其是MgO(矿物名称方镁石),其熔点高达
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