晶体结构及氧化铝晶体特点课件

*,*,*,*,*,晶体结构,&,氧化铝晶体结构简介,晶体结构&氧化铝晶体结构简介,1.1,晶体的宏观特征,1.2,晶格的微观结构及常见的晶体结构,1.3,晶格周期性的描述,1.4,典型晶体结构的原胞和晶胞,1.5,晶向,&,晶面及标记,1.6,七大晶系,&14,种原胞,1.7,氧化铝晶体结构简介,1.1 晶体的宏观特征1.2 晶格的微观结构及常见的,1.1,晶体的宏观特征,晶体,：粒子（原子、离子或分子）在空间周期性地,长程有,序排列,形成的固体,1,、晶体与非晶体,Be,2,O,3,晶体,非晶体,：粒子在空间中无,长程序排列,形成的固体,Be,2,O,3,玻璃,1.1 晶体的宏观特征晶体：粒子（原子、离子或分子）在,2,、晶体的宏观特征,自范性,：,晶体物质在适当的结晶条件下，都能自发的成长为单晶体，发育良好的单晶体均以平面作为它与周围物质的界面，而呈现出凸多面体。,本质是晶体中粒子微观空间里呈现周期性的有序排列的宏观表象。,晶面角守恒,：,对于一定类型的晶体来说，不论外形如何，其外表的晶面间总有一特性的夹角。,a,b,面，,b,c,面，,a,c,面三个夹角分别为,141o47,，,120o00,，,113o08,几种不同外形的石英晶体,晶体外形图,2、晶体的宏观特征自范性：晶面角守恒：几种不同外形的石英晶体,解理性,：,晶体受外力作用时，具有沿某一个或几个特定晶面劈裂的性质。,如云母很容易沿自然层状结构平行方向劈为平面，这些劈裂面称为解理面。,各向异性,：,晶体的物理性质随观测方向而变化的现象。包括压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。,如石墨的电导率沿晶体不同方向测时，数值不同。,均匀性,：,晶体的宏观性质不随内部位置的变化而异。,对称性,：,晶体的宏观性质在不同方向有规律地重复出现的现象。,最低内能,：,从气态、液态、非晶态到晶态都要放热。反方向的变化都要吸热。表明晶体内能最小，因此晶体最稳定。,熔点固定,：,当加热晶体到某一特定的温度是，晶体开始熔化，且在熔化过程中保持温度不变，直至晶体全部溶化后，温度才又开始上升。,解理性：晶体受外力作用时，具有沿某一个或几个特定晶面劈裂的性,1.2,晶体微观结构,2,，晶格或点阵,晶体中的原子都是周期性地长程有序排列的，,若把晶体内部的微粒看成是几何学上的点，这些点按一定规则组成的空间格子称为晶格（或点阵）,。,1,，基元,晶体可以由一种或多种原子（或离子）组成，它们构成晶体的基本结构单元，称为基元,。,晶格,1.2 晶体微观结构2，晶格或点阵1，基元晶格,基元,+,晶体,晶格,基元+晶体晶格,1,、简单立方,1,）将原子球在一个平面内按正方排列形成原子层,2,）将原子层按图所示沿垂直层面方向叠加起来就得到简单立方结构，其最小的重复结构单元如图,3,）用原点表示原子的位置，即得到,简单立方格子,常见的晶体的结构,原子层,原子层,原子层,最小单元,简单立方,格子,1、简单立方1）将原子球在一个平面内按正方排列形成原子层,2,、体心立方,1,）原子球按正方形式铺开形成一原子层，计为原子层，类似排列形成另一原子层，计为原子层,2,）将,B,层原子放在层四个原子的间隙里，第二层的每个球和第一层的四个球紧密相切，如图，按,AB AB AB.,次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到体心立方。体心立方单元如图所示,3,）用原点表示原子的位置，即得到,体心立方格子,Li,、,Na,、,K,、,Rb,、,Cs,、,Fe,等金属为典型的具有体心立方晶格的金属,2、体心立方1）原子球按正方形式铺开形成一原子层，计为,3,、面心立方,1,）面心立方晶体的原胞和简单立方相似，所不同的是，除立方体顶角上有原子外，在立方体的六个面的中心还有六个原子。,2,）用原点表示原子的位置，即得到面心立方格子,Cu,、,Al,、,Ni,等具有面心立方结构。,3、面心立方1）面心立方晶体的原胞和简单立方相似，所不同,4,、六角密排结构,1,）,原子球平铺在平面上，任意一个球都与六个球相切，每三个相切的球的中心构成一等边三角形，且每个球的周围有六个空隙，这样构成一原子层，计为原子层。,3,）将,B,层的球放在层相间的,3,个空隙里，,B,层每个球和,A,层三个球紧密相切，如图。,2,）类似排列形成另一原子层，计为原子层。,4,）按,AB AB AB.,次序沿垂直于层面方向叠加起来就得到六角密排结构,5,）用原点表示原子的位置，即得到六角密积格子,Be,、,Mg,、,Zn,、,Cd,等具有六角密排晶格结构。,B,A,4、六角密排结构1）原子球平铺在平面上，任意一个球都与六,5,、金刚石结构,金刚石由碳原子构成，其结构可以看成是由面心立方结构演变而来的，即：在一个面心立方原胞的基础上在体内再额外加四个原子，体内四个原子分别位于四个空间对角的,1/4,处。,面心立方,金刚石,重要的半导体材料，如,Ge,、,Si,等，都有四个价电子，其晶体结构和金刚石相同,5、金刚石结构金刚石由碳原子构成，其结构可以看成是由面心,6,、,闪锌矿结构,和金刚石结构相似，所不同的是，在立方体顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。,许多重要的化合物半导体，如,InSb,、,ZnS,、,GaAs,、,InP,等均是闪锌矿结构。,6、闪锌矿结构和金刚石结构相似，所不同的是，在立方体顶角和面,1,、晶格周期性的描述,原胞,一个晶格中最小的周期性单元（重复单元）,晶格的共同特点是具有周期性，可以用,原胞,和,基矢,来描述这一周期性,二维布喇菲格子,原胞，由相邻的四个原子构成的面积最小的平行四边形,晶格周期性的描述,1、晶格周期性的描述原胞一个晶格中最小的周期性单元（重复单元,二维布喇菲格子,基矢,基矢,原胞的边矢量,三维格子的重复单元是平行六面体,基矢,是原胞的三个边矢量,原胞对应体积最小的重复单元,三维布喇菲格子,二维布喇菲格子基矢基矢原胞的边矢量三维格子的重复单元是平行六,晶胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期，代表晶胞三个边的矢量称为晶胞基矢，用、表示，这,三个矢量的长度,a,、,b,和,c,实际上就是所谓的晶格常数。,原胞是晶格的最小周期性单元，但是很多情况下原胞不能反映晶格的对称性。因此，为了同时反映晶格的对称性，往往会取较大的周期单元。结晶学中选取的单元称为结晶学单胞，简称,晶胞,。,晶胞,晶胞的边在晶轴方向，边长等于该方向上的一个周期，代表晶胞三个,在一些情况下，晶胞就是原胞,而在另一些情况下，晶胞不是原胞,原胞,晶胞,原胞,晶胞,例如简单立方晶格,例如面心立方晶格,在一些情况下，晶胞就是原胞而在另一些情况下，晶胞不是原胞原胞,2,、晶格周期性的描述,格矢,对于简单格子，一旦基矢被确定，则任一原子,A,的位置可由下列格矢表示,任意两个格点间的位移矢量，即,格矢量，简称格矢,例如,l,1,、,l,2,、,l,3,为一组整数,2、晶格周期性的描述格矢对于简单格子，一旦基矢被确定，则任,因此，可以用表示一个空间格子,即一组（,l,1,、,l,2,、,l,3,）的取值表示一个格点，所有（,l,1,、,l,2,、,l,3,）可能取值的集合就表示一个空间格子，这个空间格子又称为,布喇菲,格子,。,晶体可以看成是布喇菲格子的每一个格点上放上基元构成的,晶体布喇菲格子基元,因此，可以用表示一个空间格子即一组（l1、,复式格子,如果晶体包含两种或两种以上的原子，则不同的原子各自构成自身的布喇菲格子（子晶格），若干个相同的布喇菲格子相互位移套构而形成所谓的,复式格子,。,整个金刚石晶格可以看成是由沿体对角线相互位移四分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。,整个,NaCl,晶格可以看成是由沿体对角线相互位移二分之一对角线长度的两个面心立方晶格套构而成。,复式格子如果晶体包含两种或两种以上的原子，则不同的原子各自构,对于复式格子，任一原子,A,的位置可由下列格矢表示,l,1,、,l,2,、,l,3,为一组整数,1,，,2,，,3,.,例如：金刚石晶格,对角线上的原子（红色）位置,面心立方位置上（绿色）的原子位置,是原胞中各种等价原子之间的相对位移,对于复式格子，任一原子A的位置可由下列格矢表示l1、l2、l,1.4,常见晶体结构的原胞和晶胞,（,1,）简单立方,体积,原子数,1,原胞,晶胞,晶胞,原胞,体积,原胞只含一个原子,基矢,1.4 常见晶体结构的原胞和晶胞（1）简单立方体积原子,（,2,）体心立方,体积,原子数,2,晶胞,原胞,由立方体的中心到三个顶点引三个基矢,基矢,原胞只含一个原子,体积,（2）体心立方体积原子数2晶胞原胞由立方体的中心到三个顶点,（,3,）面心立方,原胞,晶胞,原子数,4,体积,原胞只含一个原子,体积,基矢,由立方体的顶点到三个近邻的面心引三个基矢,基矢,（3）面心立方原胞晶胞原子数4体积原胞只含一个原子体积基,（,4,）六方结构,原胞基矢 、在密排面内，互成,1200,角,沿垂直密排面的方向。,基矢,（4）六方结构原胞基矢 、在密排面内，互成,1.5,晶向晶面和它们的标记,通过任何两个格点连一直线，则这直线上包含无限个相同的格点，这样的直线称为晶体的晶列。,相互平行的晶列，叫做一族晶列。整个晶体可以看作是由一族晶列组成的。一族晶列不但方向不同而且格点分布的周期也相同。不同方向的晶列不但方向不同而且晶列上格点排列的周期也不同,晶列,晶体具有方向性，沿晶格不同方向晶体性质不同，如何区别和标志晶格中不同的方向。,1.5 晶向晶面和它们的标记通过任何两个格点连一直线，,一族晶列定义了一个方向，称为晶向。,确定晶向的一组参数,l,1,、,l,2,、,l,3,晶向,晶向指数,l,1,、,l,2,、,l,3,为一组整数,以晶列上任一格点,O,为原点，以原胞的,3,个单位矢量,为轴建立坐标系,则在该晶列上任取,1,格点,A,，其位矢可表示为：,很明显，晶列,OA,的取向被,l,1,、,l,2,、,l,3,三个整数所确定。,若,l,1,、,l,2,、,l,3,为互质整数，则可直接用这三个互质整数来表示该晶列的方向,称为晶向指数,若,l,1,、,l,2,、,l,3,不为互质整数，则先要将这三个数简约为互质整数,确定晶向指数方法,一族晶列定义了一个方向，称为晶向。确定晶向的一组参数l1、,简立方格子立方边,OA,、面对角线,OB,和体对角线,OC,的晶向指数,立方边,OA,的晶向指数为,100,立方边共有,6,个不同的晶向，晶向指数分别为,由于立方晶格的对称性，每一组晶向中所有晶向是等效的，因此，常常用,表示边的,晶向。,数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的属于同一族晶向。,简立方格子立方边OA、面对角线OB和体对角线OC的晶向指数立,体对角线,OC,的晶向指数为,111,体对角线共有,8,个不同的晶向,面对角线,OB,的晶向指数为,110,面对角线共有,12,个不同的晶向,同理，由于立方晶格的对称性，常常用,和,分别表示边、面对角和体对角线的,晶向。,体对角线OC的晶向指数为111面对角线OB的晶向指数为,晶格中同一平面上的各点所构成的平面,晶面,晶面指数,确定晶面空间取向的一组参数（,hkl,），也叫密勒指数,晶格中同一平面上的各点所构成的平面晶面晶面指数确定晶面空间取,密勒指数的确认方法,晶格中任选一格点为原点，以晶胞的,3,个棱边为坐标轴，组成坐标系，求出任一晶面在三根轴上的截距（,pqr,），求倒数（,1/p,1/q,1/r,）,约化为为质数（最小整数）（,hkl,）即为密勒指数,截距,p=3,a,，,q=2,b,，,r=1,c,所以,密勒指数的确认方法晶格中任选一格点为原点，以晶胞的3个棱边为,O,A,B,C,D,E,F,G,对如图所示的基矢，求：,ABC,晶面的密勒指数；,DEFG,晶面的密勒指数,(1),ABC,晶面在三个基矢方向上的截距分别为,4a,、,b,、,c,，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,(144),(2),DEFG,晶面在三个基矢方向上的截距分别为,2a,、,3,b,、,，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,(320),OABCDEFG对如图所示的基矢，求：(1)ABC晶面在三个,简立方格子典型晶面的密勒指数,1,、,(100),晶面,在三个基矢方向上的截距分别为,a,、,、,，因此截距的倒数为,由于立方晶格的对称性，这三组晶面是等效的，因此，常常用,100,来表示,(100),、,(010),和,(001),三个等效的晶面。,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有,(010),、,(001),简立方格子典型晶面的密勒指数1、(100)晶面在三个基矢方向,在三个基矢方向上的截距分别为,a,、,b,、,，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有,6,个，密勒指数分别为,记为,110,2,、,(110),晶面,3,、,(111),晶面,在三个基矢方向上的截距分别为,a,、,b,、,c,，因此截距的倒数为,因此，该晶面的密勒指数为,类似的晶面有,4,个，密勒指数分别为,记为,111,在三个基矢方向上的截距分别为a、b、，因此截距的倒数为因此,说明：六角密排结构,4,指数表示晶向和晶面,三指数表示晶向、晶面原则上适用于任何晶系，但用于六角晶系有个缺点：,晶体具有等效的晶面、晶向不具有类似的指数,。,例：六棱柱两个相邻的外表面在晶体学上应是等价的，但其密勒指数却分别为（,100,）和（,1,10,）。,夹角为,60o,的密排方向是等价的，,但晶向指数却为,100,和,110.,说明：六角密排结构4指数表示晶向和晶面三指数表示晶向、晶面原,解决方法：,引入四指数，即引入,4,个坐标轴,(hkl),(hkil),晶面指数,i=-(h+k),10,1,0=(10,1,0),(1,1,00),(01,1,0),晶向指数,(UVW),(uvtw),u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(u+v),w=W,100,2,11,0,110,1,12,0,解决方法：(hkl)(hkil)晶面指数i=-(h+k,1.6,七大晶系,14,种原胞,根据晶体的宏观对称性，可以把晶体划分为,7,大晶系，,14,种布喇菲原胞,1.6 七大晶系14种原胞根据晶体的宏观对称性，可以把,1),、三斜晶系,abc,90,因为,a,、,b,和,是互相倾斜的，所以称为三斜系,1)、三斜晶系 因为a、b和是互相倾斜的，所以称为三斜,2),、单斜晶系,abc,90,因为只有,a,和是互相倾斜的，所以称为单斜系,1.,简单单斜,abc ,90,2.,底心单斜,abc ,90,2)、单斜晶系 因为只有a和是互相倾斜的，所以称为单,3),、正交晶系,abc,90,因为,a,、,b,和,是互相正交的，所以称为正交系,1,、简单正交,abc ,90,2,、底心正交,abc ,90,3,、体心正交,abc ,90,4,、面心正交,abc ,90,简单正交,底心正交,体心正交,面心正交,3)、正交晶系 因为a、b和是互相正交的，所以称为正,4),、正方晶系 （又称四角晶系）,a,bc,90,1,、简单四角,a,bc ,90,2,、体心四角,a,bc ,90,4)、正方晶系 （又称四角晶系）1、简单四角ab,6),、三角晶系,a,b,c,90,5),、六角晶系,a,bc,90,120,6)、三角晶系 5)、六角晶系,7),、立方晶系,a,b,c,90,1,、简单立方,a,b,c ,90,2,、体心立方,a,b,c ,90,3,、面心立方,a,b,c ,90,简单立方,体心立方,面心立方,7)、立方晶系 1、简单立方abc ,XRD,检测晶体结构,布喇格定律,(1),(1),XRD 检测晶体结构布喇格定律(1)(1),晶体结构及氧化铝晶体特点课件,1.7,Al,2,O,3,晶体结构简介,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,氢氧化铝在高温下完全脱水变成稳定的最终产物,-Al,2,O,3,，在此之前由于温度、压力、蒸汽分压的不同可形成多种不同的晶型，这些晶型可以看作是中间（或过渡）形态。目前已知的,Al,2,O,3,结晶形态有,8,种。,高温,低温,-Al,2,O,3,-Al,2,O,3,刚玉,-Al,2,O,3,1.7 Al2O3晶体结构简介-Al2O3-Al2O3,Al,2,O,3,各种晶型的晶体性质,Al2O3各种晶型的晶体性质,O2-,Al3+,空格,-Al,2,O,3,晶体结构,O2 以六角密排方式排列，,Al3+,处于氧离子的缝隙中，处于一个八面体,的中心位置，但只有,2/3,的缝隙填有,Al3+,O2-Al3+空格-Al2O3晶体结构 O2 以六角密排,六方晶胞,晶胞常数：,a=4.75 A,，,c=12.97 A,c/a=2.73,由于,Al3+,处于氧离子的缝隙中，但只有,2/3,的缝隙填有,Al3+,，其余,1/3,的间隙是空着的。因此，,Al3+,的分布必须有一定的规律，其原则就是在同一层及层与层之间，,Al3+,的之间的距离应保持最远。,经分析有,Al3+,层与氧离子层交互排列至第,13,层时才出现重复，如图所示为六方晶胞。,六方晶胞晶胞常数：a=4.75 A，c=12.97 A 由于,如果将,-,Al,2,O,3,晶体的结构做层次分析，可以看到,O2-,排列在一个平面上，这个平面垂直于晶体的光轴,C,3,。,如果将-Al2O3晶体的结构做层次分析，可以看到O2-排列,菱面体晶胞,菱面体晶胞：边长,5.124 A,，平面角,55o17,每个晶胞,2,个分子，即,10,个离子，,6,个,Al3+,和,4,个,O2-,严格来说，离子晶体不存在分子基元。但为了方便理解，将菱面体,8,个顶角及中心均放置一个,Al,2,O,3,分子，而中心的分子对于顶角的分子来说，转过了,180,度,菱面体晶胞菱面体晶胞：边长5.124 A，平面角55o17,Al,2,O,3,分子构造如左图。,3,个,O2-,距离,2.49 A,2,个,Al3+,距离,2.7 A,Al3+,和,6,个,O2-,距离稍有差别，其中,3,个距离较近的为,1.89 A,，另,3,个为,1.93 A,。,Al2O3分子构造如左图。,六方晶胞与菱面晶胞,形态学晶胞,结构晶胞,六方晶胞与菱面晶胞形态学晶胞结构晶胞,八面体单元,每个铝离子周围有,6,个氧离子，组成一个歪扭的八面体。,八面体单元每个铝离子周围有6个氧离子，组成一个歪扭的八面体。,图,a,c,平行和垂直于,C,轴的八面体单元排布方式,图,b,包含八面体单元的堆积示意图（,corundum motive,）,图,d,分解的包含八面体单元的图堆积示意图,图,e,晶体沿,C,轴八面体单元排布示意图,八面体单元配位生长,图a,c 平行和垂直于C轴的八面体单元排布方式八面体单元配,晶体结构及氧化铝晶体特点课件,