晶体结构和晶体缺陷PPT课件

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1、 晶体晶体(crystal):内部微粒内部微粒(原子、分子或离子原子、分子或离子)在空间按一定规律周期性排列构成的固体。在空间按一定规律周期性排列构成的固体。1.晶体结构的特征与晶格理论晶体结构的特征与晶格理论4.4.1 晶体结构特征和类型晶体结构特征和类型 非晶体非晶体(amorphous solid):内部微粒在空间内部微粒在空间作无规则排列构成的固体。作无规则排列构成的固体。晶体晶体非晶体非晶体晶晶 体体非非 晶晶 体体规则几何外形规则几何外形无定形无定形确定的熔点确定的熔点各向异性各向异性各向同性各向同性无确定的熔点无确定的熔点对对X射线的衍射效应射线的衍射效应 无无 对称性对称性 无

2、无 晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别 将晶体内的微粒视为几何上的点将晶体内的微粒视为几何上的点,这些点所这些点所组成的几何构型称为组成的几何构型称为晶格晶格(crystal lattice)。而。而微粒所占有的位置称为微粒所占有的位置称为晶格结点晶格结点(lattice point)。晶胞晶胞(Unit cell)：晶体的最小重复单元，晶体的最小重复单元，通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成晶体。通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成晶体。由晶胞参数由晶胞参数a，b，c，表表示，示，a，b，c 为为六面体边长，六面体边长，分别是分别是bc ca,ab 所形成的所形成的三个夹角。三个夹角。晶胞的两个要

3、素：晶胞的两个要素：(1)晶胞的大小与形状：晶胞的大小与形状：(2)晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞的内容：粒子的种类，数目及它在晶胞中的相对位置。晶胞中的相对位置。按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系。晶晶系系 边边长长 夹夹角角 晶晶体体实实例例 立立方方晶晶系系 a=b=c=900 NaCl 三三方方晶晶系系 a=b=c=900 Al2O3 四四方方晶晶系系 a=bc=900 SnO2 六六方方晶晶系系 a=bc=900,=1200 AgI 正正交交晶晶系系 abc=900 HgCl2 单单斜斜晶晶系系 abc=900,900 KClO3 三三斜斜

4、晶晶系系 abc 900 CuSO45H2O 按带心型式分类，将七大晶系分为按带心型式分类，将七大晶系分为14种种型式。例如，立方晶系分为简单立方、体心型式。例如，立方晶系分为简单立方、体心立方和面心立方三种型式。立方和面心立方三种型式。晶格的晶格的14种型式种型式简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方简单四方简单四方体心四方体心四方简单六方简单六方简单菱形简单菱形简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心正交简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜简单三斜简单三斜 单晶单晶(single crystal)：单个晶体构成的物单个晶体构成的物体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位

5、向。体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向。一般所谓的晶体都是泛指单晶体。一般所谓的晶体都是泛指单晶体。多晶多晶(polycrystals)：由许多晶体由许多晶体(晶粒晶粒)构成的物体。或者说多晶体是由许多取向不构成的物体。或者说多晶体是由许多取向不同而随机排布的小晶体组成。同而随机排布的小晶体组成。(1)六方密堆积六方密堆积:(hexagonal closest packing,hcp)配位数：配位数：12 同层每个同层每个球周围有六个球周围有六个球，第三层与球，第三层与第一层对齐，第一层对齐，形成形成ABAB排列方式。排列方式。2.球的密堆积球的密堆积(2)面心立方密堆积面心立方密堆积:(c

6、ubic closest packing,ccp)配位数：配位数：12 第三层与第三层与第一层不是对第一层不是对齐的，有错位，齐的，有错位，以以ABCABC方式排列。方式排列。(3)体心立方堆积体心立方堆积:(boyd centered cubic packing,bcc)配位数：配位数：8 立方体的立方体的 中心和中心和8个顶角个顶角各为一个球占各为一个球占据。据。密堆积结构中存在许多空隙密堆积结构中存在许多空隙四面体四面体空隙空隙八面体空隙八面体空隙 离子晶体离子晶体(ionic crystal)：正、负离子交正、负离子交替排列在晶格结点上，相互间以离子键结合替排列在晶格结点上，相互间以离

7、子键结合而构成的晶体。而构成的晶体。(1)离子晶体离子晶体 特征结构：特征结构：配位数高，晶体中没有独立配位数高，晶体中没有独立的分子存在。离子在晶体中采取紧密堆积方的分子存在。离子在晶体中采取紧密堆积方式。式。阴离子：大球，密堆积，形成空隙。阴离子：大球，密堆积，形成空隙。阳离子：小球，填充空隙。阳离子：小球，填充空隙。规则：阴阳离子相互接触稳定；规则：阴阳离子相互接触稳定；配位数大，稳定。配位数大，稳定。3.晶体类型晶体类型三种典型的离子晶体三种典型的离子晶体NaCl型型晶胞中离子的个数晶胞中离子的个数:个414112:Na个4216818:Cl晶格晶格:面心立方面心立方配位比配位比:6:

8、6(红球红球Na+,绿球绿球Cl-)CsCl型型晶胞中离子的个数晶胞中离子的个数:个1:Cs个1818:Cl-晶格晶格:简单立方简单立方配位比配位比:8:8(红球红球Cs+,绿球绿球Cl-)晶胞中离子的个数晶胞中离子的个数:个4:Zn+2个4818216:S-2ZnS型型(立方型立方型)晶格晶格:面心立方面心立方配位比配位比:4:4(红球红球Zn2+,绿球绿球S2-)半径比半径比(r+/r-)规则规则:NaCl晶体晶体:其中一层横截面其中一层横截面:1)22(2)4(22rrrr令414.0/rrr+/r-0.414414.0/rr理想的稳定结构理想的稳定结构(NaCl)rr/配位数配位数构型

9、构型0.225 0.414 4ZnS 型型0.414 0.732 6NaCl 型型0.732 1.00 8CsCl 型型 离子半径比与配位数的关系离子半径比与配位数的关系 晶格能晶格能U(lattice energy)：在标准状态下，在标准状态下，由离子晶体变为气态的正、负离子时所吸收由离子晶体变为气态的正、负离子时所吸收的能量。单位：的能量。单位：kJmol-1 晶格能可用于衡量晶体离子键的强弱晶格能可用于衡量晶体离子键的强弱-1molkJ786U-1molkJ786rHm(g)Cl+(g)NaNaCl(s)-+例如：例如：rHm 影响晶格能的因素：影响晶格能的因素：离子的电荷离子的电荷(晶

10、体类型相同时晶体类型相同时)离子的半径离子的半径(晶体类型相同时晶体类型相同时)Z,U 例例:U(NaCl)U(CaO)特征物性：特征物性：有较高的熔点、硬度，是电的有较高的熔点、硬度，是电的 良导体，但延展性差良导体，但延展性差,较脆。较脆。NaCl型离子晶体Z1Z2r+/pmr-/pmU/kJmol-1熔点/oC硬度NaFNaClNaBrNaIMgOCaOSrOBaO11112222111122229595959565991131351361811952161401401401409207707336834147355733603091992801747662280025762430192

11、33.22.52.52.55.54.53.53.3晶格能对离子晶体物理性质的影响晶格能对离子晶体物理性质的影响(2)原子晶体原子晶体 原子晶体原子晶体(atom crystal):由原子排列在晶由原子排列在晶格结点上，相互间以共价键结合而构成的晶格结点上，相互间以共价键结合而构成的晶体。体。特征结构：特征结构：共价键有方向性和饱和性共价键有方向性和饱和性,不不是紧密堆积是紧密堆积,配位数配位数低。晶体中没有独低。晶体中没有独立的分子存在。立的分子存在。例如：金刚石晶体例如：金刚石晶体 特征物性：特征物性：有较高的熔点、硬度，是电有较高的熔点、硬度，是电的不良导体，在一般溶剂中都不溶解，延展的不

12、良导体，在一般溶剂中都不溶解，延展性差。性差。常见的原子晶体有金刚石、常见的原子晶体有金刚石、SiC、SiO2、Si、Ge等。等。(3)分子晶体分子晶体 分子晶体分子晶体(molecular crystal):由分子排列由分子排列在晶格结点上，相互间以分子间力结合而构在晶格结点上，相互间以分子间力结合而构成的晶体。成的晶体。特征结构：采取紧密堆积，特征结构：采取紧密堆积，配位数高，配位数高，晶体中有独立的分子存在。晶体中有独立的分子存在。特征物性：特征物性：熔点、沸点低，硬度小，某熔点、沸点低，硬度小，某些极性分子的水溶液能够导电，延展性也很些极性分子的水溶液能够导电，延展性也很差。差。例如：

13、干冰的晶体结构例如：干冰的晶体结构 金属晶体金属晶体(metallic crystal):由金属原子或由金属原子或正离子排列在晶格结点上，以金属键结合而正离子排列在晶格结点上，以金属键结合而构成的晶体。构成的晶体。结构特征：结构特征：等径球的紧密堆积，配位数等径球的紧密堆积，配位数高，晶体中没有独立的分子存在。高，晶体中没有独立的分子存在。(4)金属晶体金属晶体金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种：金属晶体中粒子的排列方式常见的有三种：六方密堆积六方密堆积(Hexgonal close Packing)；面心立方密堆积面心立方密堆积(Face-centred Cubic clode Packi

14、ng)；体心立方堆积体心立方堆积(Body-centred Cubic Packing)。特征物性：特征物性：具有良好的导电性、导热性具有良好的导电性、导热性和延展性，金属光泽。熔、沸点，硬度差异和延展性，金属光泽。熔、沸点，硬度差异较大。较大。晶体基本类型晶体类型原子晶体离子晶体金属晶体分子晶体实 例晶体结点微粒结合力原 子正、负离子原子、离子分 子共价键离子键金属键分子间力、氢键结构特点方向性明显，配位数少无方向性，配位数较大 无方向性，配位数大，密度大无方向性时配位数大力学性质热学性质电学性质溶解性质硬度大、脆、无延展性硬度较大、脆、无延展性硬度各不相同，有延展性疏松 质软熔点高，膨胀系

15、数小熔点较高，膨胀系数较小熔点高低不等，导电性好熔点低，膨胀系数大，易挥发绝缘体（半导体）绝缘体熔体为导体溶液为导体导电性良好绝缘体,有的水溶液为导体在大多数溶剂中不溶大多数溶于极性溶剂难 溶结构相似者相溶NaCl,CaOCu,Ag,合金冰,干冰,N2,He金刚石,SiC(5)混合型晶体混合型晶体 层状结构晶体层状结构晶体 例如：例如：层间为分子间力石墨的结构石墨的结构 同一层：同一层：CC 键长为键长为142pm，C 原子原子采用采用 sp2 杂化轨道杂化轨道，与周围三个，与周围三个 C 原子形原子形成三个成三个键键，键角为，键角为 1200，每个，每个 C 原子还原子还有一个有一个 2p

16、轨道，垂直于轨道，垂直于sp2 杂化轨道平面，杂化轨道平面，2p 电子参与形成了电子参与形成了键，这种包含着很多键，这种包含着很多原子的原子的键称为键称为大大键键。层与层间：距离为层与层间：距离为 335pm，靠靠分子间分子间力力结合起来。结合起来。石墨晶体既有共价键，又有分子间力，石墨晶体既有共价键，又有分子间力，是混合键型的晶体。是混合键型的晶体。链状结构晶体链状结构晶体 单链单链双链双链链状结构的硅酸盐链状结构的硅酸盐 微晶微晶(crystallite)：具有晶体的轮廓具有晶体的轮廓,但生但生长还不完全的晶体颗粒。尺寸小到约长还不完全的晶体颗粒。尺寸小到约0.1微米微米至数十微米的晶体至

17、数十微米的晶体。如如:磁记录材料磁记录材料Fe2O3磁粉，其颗粒线度约磁粉，其颗粒线度约为为0.1 m。由于由于微晶比其他单微晶比其他单晶体小千百倍晶体小千百倍以上，因而具有比表面高，吸附性能强，表以上，因而具有比表面高，吸附性能强，表面活性突出等特性。碳黑是石墨的面活性突出等特性。碳黑是石墨的微晶体，微晶体，其颗粒线度相当于几个至几十个晶胞边长的其颗粒线度相当于几个至几十个晶胞边长的长度。长度。(6)微微 晶晶 显微镜下纯净燧石是一种无色的微晶显微镜下纯净燧石是一种无色的微晶石英集合体石英集合体。颜色因含杂质不同而变。颜色因含杂质不同而变。液晶液晶(liquid crystal):当晶体受热

18、熔融或当晶体受热熔融或被溶解后，外观呈液态，微观仍保留晶体的被溶解后，外观呈液态，微观仍保留晶体的有序排列，且物理性质各向异性。是介于晶有序排列，且物理性质各向异性。是介于晶体和液体之间的一种过渡相态。处于这种相体和液体之间的一种过渡相态。处于这种相态的物质称为态的物质称为液晶。液晶。(7)液液 晶晶 按分子排列的结构不同按分子排列的结构不同，液晶可分为液晶可分为相相列型列型(Nematic)、胆甾型胆甾型(Cholesteric)和和近晶型近晶型(Smectic)三种类型。三种类型。相列型相列型近晶型近晶型胆甾型胆甾型 具有液晶性质的分子已发现有六、七千具有液晶性质的分子已发现有六、七千种，

19、都是有机化合物。种，都是有机化合物。如：如：R CH N CN R CO CN O R C CH R R 液晶显示是平面显示中发展最快、应用液晶显示是平面显示中发展最快、应用最广泛的新技术。最广泛的新技术。晶体缺陷晶体缺陷(crystal disfigurement):晶体中某些晶体中某些区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完区域粒子的排列不象理想晶体那样规则和完整，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中整，这种偏离完整性的区域，或者说晶体中一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。一切偏离理想的晶格结构称做晶体缺陷。4.4.2 晶体缺陷晶体缺陷 按照缺陷的形成和结构分类：按照缺陷的形成和结构分类：本征

20、缺陷本征缺陷(固有缺陷固有缺陷)：指不是由外来杂指不是由外来杂质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。格结构造成的缺陷。杂质缺陷：杂质缺陷：指杂质原子进入基质晶体中指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。所形成的缺陷。按照缺陷的几何特征分类：按照缺陷的几何特征分类：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。点缺陷：点缺陷：晶格结点粒子发生局部错乱的晶格结点粒子发生局部错乱的现象。现象。按引起点缺陷的粒子不同，可分为：按引起点缺陷的粒子不同，可分为：错位粒子、间隙粒子、杂质粒子和空位。错位粒子、间隙粒子、杂质粒子和空位。杂

21、质粒子缺陷杂质粒子缺陷间隙粒子缺陷间隙粒子缺陷空位缺陷空位缺陷错位粒子缺陷错位粒子缺陷本征缺陷本征缺陷杂质缺陷杂质缺陷 线缺陷线缺陷：晶体中某些区域发生一列或：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若干列粒子有规律的错排现象称为线缺陷,又称位错。又称位错。线缺陷有两种基本类型：线缺陷有两种基本类型：刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 线线 缺缺 陷陷 理想晶体理想晶体原子面堆原子面堆积积含有刃型位错含有刃型位错晶体原子面堆晶体原子面堆积积含有螺型位含有螺型位错晶体原子错晶体原子面堆积面堆积 面面 缺缺 陷陷 面面 缺缺 陷：陷：由点缺陷或面缺陷造成晶由点缺陷或面缺陷造成晶

22、格中可能缺少整个一层的粒子格中可能缺少整个一层的粒子,形成了层错形成了层错现象现象;也可以看成是整个一层的粒子所构成也可以看成是整个一层的粒子所构成的晶面错开形成的缺陷。的晶面错开形成的缺陷。按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷可分为：可分为：平移界面平移界面(堆垛层错堆垛层错)孪晶界面孪晶界面 位错界面位错界面(晶粒边界晶粒边界)体体 缺缺 陷陷 体体 缺缺 陷：陷：由点缺陷或面缺陷造成在由点缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等裹物等,使晶体内部的空间晶格结构整体使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形

23、式的缺陷。上出现了一定形式的缺陷。晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。晶体缺陷引起晶格局部弹性变形称晶格畸变。点缺陷引起的三种晶格畸变点缺陷引起的三种晶格畸变杂质粒子缺陷杂质粒子缺陷空位缺陷空位缺陷间隙粒子缺陷间隙粒子缺陷晶体缺陷对晶体性质的影响晶体缺陷对晶体性质的影响 晶格畸变引起晶体结构的变化，对晶体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。反应性能都有较大影响。引入杂质可改变半引入杂质可改变半导体的能带结构，所以导体的能带结构，所以杂质对半导体材料电学杂质对半导体材料电学性能的影响十分显著。性能

24、的影响十分显著。在晶体中引入杂质粒子在晶体中引入杂质粒子称掺杂。称掺杂。PSiBSi多电子多电子缺电子缺电子 非化学计量化合物非化学计量化合物(non-stoichiometric compounds)：由于晶体缺陷造成晶体的组成由于晶体缺陷造成晶体的组成中各元素原子的相对数目不能用整数比表示的中各元素原子的相对数目不能用整数比表示的化合物化合物,称非整数比化合物，也称非化学计量称非整数比化合物，也称非化学计量化合物。化合物。如如AmBn:A:B=m:n 为整数比化合物为整数比化合物 A:B m:n 为非整数比化合物为非整数比化合物 如方铁矿如方铁矿(FeO)中，由于少量中，由于少量Fe3+的存在的存在,产生产生Fe2+空位造成晶体缺陷空位造成晶体缺陷,使晶体的实际组成使晶体的实际组成范围为范围为Fe0.89O到到Fe0.96O。非化学计量化合物与相同元素组成的化非化学计量化合物与相同元素组成的化学计量化合物在结构的主要特征上没有太大学计量化合物在结构的主要特征上没有太大的差别，但在光学性质、导电性、磁性和催的差别，但在光学性质、导电性、磁性和催化性能上有明显的差别。化性能上有明显的差别。