几种常见的晶体结构

一一. 晶体结构的表达方法晶体结构的表达方法 二二. 晶向、晶面和它们的标志晶向、晶面和它们的标志 三三. 晶面间距晶面间距 四四. 典型晶体结构典型晶体结构 五五. 多晶型现象和结构相变多晶型现象和结构相变1.3 几种常见的晶体结构几种常见的晶体结构一.一.晶体结构的表达方法晶体结构的表达方法 指出晶体所属的点阵、晶系、点群和空间群类指出晶体所属的点阵、晶系、点群和空间群类型是在不同层次上对晶体结构做描述。型是在不同层次上对晶体结构做描述。 以NaCl为例说明。 面心立方点阵面心立方点阵说明了它属于立方晶系立方晶系，可以用 a=b=c, =90面心立方晶胞表示其 原子周期排列特点。 点群为点群为Oh ，说明了它的外形具有的宏观对称性。 空间群为空间群为Oh5-Fm3m ,指出了它的原子排列规律。 至此我们才可以说对NaCl晶体的几何结构特点有了比较充分的认识。对晶体结构几何特征的了解归结为绘出它的结晶学结晶学晶胞晶胞（包括基元中原子的种类、数量、相对取向及位置的点阵惯用晶胞），定出全部原子的位置，并定出全部原子的位置，并确定出它的晶胞参量确定出它的晶胞参量： a, b, c 和和, 通过X光衍射等实验方法即可以做到这些。 对 NaCl 晶体结构的测定，使我们得到了右面的反映其完整结构的晶胞图（测定原理见1.5节）Cl-1Na+1a=5.628zyxNaCl结构中的原子排列结构中的原子排列NaCl晶体为八面体群的说明：Oh, 它的每个原子都处在不同原子组成的8面体体心位置。考虑它的晶场时就要注意到这个特点。点群对称操作：体对角线是3重轴；3 条棱边是4重轴；棱对角线是2重轴，体心是反演中心。 原子位置的表示原子位置的表示：绘制晶胞时需要明确指出基元中各原子的位置。基元中第 j 个原子的中心位置相对于作为坐标原点的格点位置可以表示为：如果以晶胞各边长度做单位以晶胞各边长度做单位，NaCl中，Cl原子位置为： Na原子位置为：jjjjrx ay bz c0,1jjjxyz1 1111 1000,0,0,0,2 2222 21 1 1111,00,00,00,2 2 2222CsCl晶体为简立方晶胞， Cs原子在 000， Cl原子在 。1 1 12 2 2xyz简单晶格和复式晶格：简单晶格和复式晶格： 许多元素晶体，其最小重复单元就是一个原子许多元素晶体，其最小重复单元就是一个原子，知道了它的点阵类型，把阵点换成原子，就是它的晶胞，我们常称它具有简单晶格简单晶格。例如：具有体心立方结构的碱金属Li、Na、K，和具有面心立方结构的Cu，Ag，Au晶体都是简单晶格。简单晶格晶体中所有原简单晶格晶体中所有原子是子是的，它们不仅化学性质相同而且在晶格的，它们不仅化学性质相同而且在晶格中处于完全相同的位置，有完全相同的环境，比如近中处于完全相同的位置，有完全相同的环境，比如近邻、次近邻原子数目、原子种类等。邻、次近邻原子数目、原子种类等。 但有些元素晶体和所有化合物晶体，其最小重复单位（基元）至少包含基元）至少包含 2个或个或 2 个以上的原子个以上的原子，它们的每一个原子虽然都构成同样的点阵类型（即同样的周期排列方式），但绘成晶胞时，要绘出基元原子之间位置上的相互关系，所以是同样的点阵类型的叠加，我们称这些晶体具有复式晶格晶体具有复式晶格。例如：CsCl晶体是两个原子各自构成简立方点阵后，沿晶胞对角线方向移动二分之一距离的叠加。 NaCl晶体是两个原子各自形成一个面心立方点阵后，沿立方边方向移动二分之一晶胞边长距离的叠加。 上述复式晶格中，每种原子自身是等价的，有完全相同的环境，但两类原子是不等价的，它们的几何环境是完全不同的。 CsCl晶体中，Cs离子的最近邻是 8个Cl离子，而Cl离子的最近邻则是 8个Cs离子，NaCl晶体中，Na离子的最近邻是 6个Cl离子，Cl离子的最近邻则是 6个Na离子。元素晶体也不都是简单晶格，例如密堆六方（hcp）晶体Be，Mg，Zn，Gd等，它的基元包含 2个原子，虽是同种原子，但它们的几何环境是不等价的，从一个A层原子看上下两层原子的三角形，和从一个B层原子看上下两层原子的三角形是不同的。它是复式晶格，它的基元有2个原子。A层层A层层B层层 晶体Cu,Al,Au,AgNaCl,MgO 金刚石型Si,Ge,闪锌矿立方ZnS点阵类型 fcc fcc fcc fcc点群类型 Oh Oh Oh Td 空间群其他符号 A1 B1 A4 B35hO5hO7hOm3mFm3mFd3mF2d43mTF几种立方晶系晶体结构的表示 二二. 晶向、晶面和它们的标志：晶向、晶面和它们的标志： 晶体的一个基本特点是各向异性，沿晶格的不同方向晶体的性质不同，因此有必要识别和标志晶格中的不同方向。 点阵的格点可以分列在一系列平行的直线系上，这些直线系称作晶列。同一点阵可以同一点阵可以形成不同的晶列，每一个晶列形成不同的晶列，每一个晶列定义一个方向，称作晶向定义一个方向，称作晶向。如果从一个阵点到最近一个阵点的位移矢量为：(以基矢为单位）则晶向就用 来标志。1 12233l al al a1 2 3l l l按照上述方法确定的简立方晶格的晶向如图所示，111110100010001晶向指数晶向指数和坐标系的选取有关，OA的反方向记做 ，由于立方晶格的对称性，沿立方边的6个晶向是等价的，记做：100100 , 100 , 010 , 010 , 001 , 001100同样，代表了8个体对角线 晶向。 111 晶体点阵的所有格点也可以看成是排列在一系列相互平行、等间距的平面系上，这些平面叫晶面晶面，很明显，对每个晶面系来说，格点在各晶面中的分布是相同的；一个晶面系必须包含所有格点，晶格中可以有很多个（严格说是无穷个）晶面系。以后讨论晶体的性质时常要指出具体晶面，因此需要确定晶面系的名称晶面指数晶面指数。晶面指数的一般确定方法：晶面指数的一般确定方法：1. 在一组相互平行的晶面中任选一个晶面，量出它在三个坐标 轴上的截距并用点阵周期a,b,c为单位来量度；2. 写出三个截距的倒数，和一个坐标轴平行、截距为时，倒 数记做零；3. 将三个倒数分别乘以分母的最小公倍数，把它们化为三个简 单整数，并用圆括号括起，即为该组平面系的晶面指数。这种方法定义出的晶面指数也叫 “密勒（密勒（Miller）指数）指数”。)( ,1:1:1:hklwvulkh如晶面在基矢轴上的截距分别是如晶面在基矢轴上的截距分别是u、v、w，其倒数比的互质的整数比就，其倒数比的互质的整数比就是表示晶面方向的晶面指数是表示晶面方向的晶面指数wcuavbcab如果基矢是晶胞的基矢，指数就是如果基矢是晶胞的基矢，指数就是MillerMiller指数指数, ,一组一组MillerMiller指数指数(h,k,l)(h,k,l)代表无穷多互相平行的晶面。代表无穷多互相平行的晶面。100),001(),10(0),100(Miller指数指数这种原子聚集密度大、间距大的晶面(晶面指数简单的晶面，面间距大），晶面间结合力较弱，因而较易分裂开，这种晶面称为解理面。同时晶面上原子聚集密度大时，对X-Ray散射强烈，因而Miller指数简单的晶面族，在X-Ray衍射图谱中通常表现为较强峰和最强峰。晶面族指各轴间相互平行的晶面，或者晶面间距和晶面上原子分布完全相同的晶面。1相互平行；2空间方位不同，但空间位向性质相同（即晶面间距和原子分布相同）。密勒指数不仅可以用来表示晶面族，而且可以得出下面的信息：（1）用于计算晶面族的面间距。密勒指数小的晶面族的面间距较大，而往往成为晶体的解理面。（2）用于计算不同晶面族之间的夹角。一般而言，密勒指数分别为(h1k1l1) 和(h2k2l2)的晶面族的2个平面之间的夹角的余弦为： 在X射线衍射和结晶学中，密勒指数不一定为互质整数，例如，面心立方中一些平行于（100）的晶面而截a a轴于1/2处的面，其指数为（200），其原因是晶胞并非是晶体中的最小重复单元。1 1121 21122222222111222cos()()hhk kl lhklhkl简立方点阵两个方向上的点阵平面系简立方点阵两个方向上的点阵平面系， 见Ashcroft p90晶面指数简易求法晶面指数简易求法： 在一平面族中，取一个不过原点的平面，它在三个坐标轴上的截距分别为x1、x2和 x3 123111:h k lxxx其中h、k、l为互质整数，则定义该晶 面的面指数为（hkl）。等效晶面：hkl取它们的倒数之比：例如：(1) 以O为原点的直角坐标系OX、OY、OZ（选择的晶面与坐标原点O不能有交点） (2) 以一个晶格常数a为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（m1，n1/2，p1/2）。(3) 取截距的倒数（1/m1，1/n2，1/p2），化简成最小整数放入（hkl）内，晶面指数为（122） 下图标出了简立方点阵的几组最重要的晶面系的晶面指数和晶向指数。从中可以明显看出晶面指数最简单的晶面族面间距最大，它们也是以后经常讨论到的最重要的晶面。 六角晶系晶面指数的表示与其它晶系不同，晶体学中往往采用四轴定向的方法，这样的晶面指数可以明显地显示出 6 次对称的特点。晶面指数小结晶面指数小结（1）一个晶面指数代表空间相互平行的一组晶面，将晶面指数各乘以-1表示同一晶面。 )111( ,111表示同一晶面。（2）晶面空间方位不同，但原子排列规律相同属于同一晶面族用hkl表示。 100（100）+（010）+（001） （3）可以证明，如此确定的晶面指数晶面法线方向和三如此确定的晶面指数晶面法线方向和三个坐标轴夹角的方向余弦之比个坐标轴夹角的方向余弦之比。注意：注意：晶向和晶面指数的定义都涉及到坐标轴的选取，或者选点阵原胞的基矢a1a2a3,或者选惯用晶胞的三个边abc，当二者不一致时，比如体心立方和面心立方情形，用两个坐标系定义出的晶向和晶面指用两个坐标系定义出的晶向和晶面指数是不一致的，使用时必须注意到它们的差别数是不一致的，使用时必须注意到它们的差别。多数情况下，我们习惯使用惯用晶胞a,b,c做单位进行的标注。 由上述方法定义的晶向和晶面指数有重要意义： 1. 晶轴方向是最重要的方向，晶向指数最简单； 2. 晶面指数最简单的晶面族，晶面间距最大。 三三. 晶面间距：晶面间距：晶面间距是指两个相邻的平行晶面间的垂直距离。以米勒指数表示的晶面间距以米勒指数表示的晶面间距在晶体结构的测定中是一个很常用的参数，必须掌握。可以证明：（见习题）HKL222HKLad立方晶系：四方晶系：a = b= cHKL22222HKLadacHKL2222d,3(HHKK )L4aabcacHKL2221d,HKLabcabc六角晶系：正交晶系：四四. 典型晶体结构典型晶体结构 在晶体结构报告中常按照化合物中各类原子的种类与数目参照晶体的化学性质进行分类，并用英文字母命名，科学文献中也常使用这种分类，介绍如下： A 代表元素晶体代表元素晶体。 A1 面心立方结构（Cu)， A2 为体心立方（W） A3 密堆六方结构（Mg) A4 金钢石结构 B 代表代表AB型化合物，型化合物，。 B1 NaCl型结构； B2 CsCl型结构； B3 闪锌矿型结构；B4 纤锌矿型结构 ； C 代表代表AB2型化合物型化合物 C1 萤石及反萤石结构（CaF2) C2 黄铁矿 FeS2 C3 赤铜矿（Cu2O) 其中每一小类都代表着许多结构基元排列相同、空间群相同的晶体。我们介绍其中经常提到的和最重要的几类。以元素晶体Cu为代表的晶体，具有面心立方点阵（fcc)，其晶胞内的原子坐标为：点群符号为：空间群符号：原子最近邻 12 ，次近邻 6 。 相同结构的元素晶体还有：Ag,Au,Ni,Al,Pb,Pd,Pt, 及固态稀有气体Ne,Ar,Kr,Xe. A1 1 1 11 1 1000,0,0,02 2 22 2 2hO5hm3mO (F)A2： 以金属钨为代表的元素晶体，体心立方点阵 bcc, 其原子坐标为： 点群符号为： 空间群符号为： 最近邻为 8，次近邻为 6 相同结构的元素晶体有：碱金属Li,Na,K,Rb,Cs, 及金属Ba,V,Cr,Nb,Mo,Ta,W,Fe 等1 1 1000,2 2 29hm3O (I)mhOA3：以金属铋为代表的密堆六方结构hcp。惯用晶胞惯用晶胞0090120abchcp 结构原胞中原子坐标：点群符号：空间群符号：hcp理想的密排比是：最近邻12，但 6个近邻稍近一点，6个稍远。具有hcp结构的元素晶体有：Be,Mg,Sc,Y,Ti,Zr,Zn,Cd 和大多数稀土金属Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Lu1 2 1000,3 3 246hD36 /Pmmc1.633ca6hDA4：金刚石结构（Diamond)金刚石晶胞中的原子位置, 有两种不同晶格位置。1 1 11 1 1000,0,0,0,2 2 22 2 21 1 1 3 3 1 3 1 3 1 3 3,4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4即基元包含2个原子，各自形成面心立方点阵，沿体对角线移动四分之一叠加而成。但每个原子都处在同每个原子都处在同种原子的四面体中，种原子的四面体中，所以具有这种结构的所以具有这种结构的晶体，其原子是共价晶体，其原子是共价键结合键结合。Kittel p13金刚石结构点群符号： 空间群符号：具有相同结构的元素晶体有：C:a=3.567 Si:a=5.430; Ge:a=5.658; （灰锡）:a=6.49。SnhO7hd3mO (F) 金刚石拥有四面体型成键特征，每个原子有4个最近邻和12个次近邻。金刚石结构是比较空的，在总体积中，已被硬球填充的最大比率只有0.34，远低于密堆积结构的填充率0.74。它是周期表中第它是周期表中第族元素具有方向性共价键结合的典型例证。族元素具有方向性共价键结合的典型例证。 不同立方结构中，按刚性球形原子模型计算出所占总体积的比例：B1：NaCl型结构，前面已讲，从略。B2：CsCl型结构，结构图见前，点群符号： 空间群： 晶胞中原子位置： 最近邻 8个异号离子，次近邻 6个同号离子。这是两类可以形成离子性结合的典型结构。这是两类可以形成离子性结合的典型结构。hO1h3O ()m mP1 1 1000,2 2 2B3：闪锌矿结构：闪锌矿结构（立方ZnS）， fcc，结构类似金刚石，原子位置相同，只是基元换成ZnS 分子，因此对称性降低，点群为：空间群为：见Kittel 14页 图24dT2d34T (F)m很多-族，-族化合物具有此结构，是重要的半导体和发光材料。例如：GaAs,InSb,SiC1 1 11 1 1000,0,0,0,2 2 22 2 21 1 1 1 3 3 3 1 3 3 3 1,4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4硫原子坐标：锌原子坐标： ZnS的(110)面。可以看到在该面上原子的zig-zag排列方式。锯齿形的Zn-S原子链 金刚石结构的Si(110)面上的原子zig-zag排列方式和价电子密度分布的计算结果。（现在运用STM可以直接观察到，不过结果与此不同，因为表面重构）。 B4：纤锌矿（六角：纤锌矿（六角ZnS） 晶胞如右图（下方是立方结构）它的两种原子位置分别是：1 2 1000,3 3 33 1 2 700 ,8 3 3 86463( 6)vvCCPmc点群：空间群：C1：萤石结构：萤石结构C3：赤铜矿（：赤铜矿（Cu2O）Cu+1O-21 1 1000,2 2 21 1 3 1 3 1 3 1 1 3 3 3,4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4O-2：Cu1：sc, 4(3 )hOPn m结构特点：它的每个氧离子都处在Cu 离子的四面体中，所以体对角线方向有一个三重对称轴，符合立方晶系的最低要求。E 钙钛矿钙钛矿 CaTiO3： sc，点群：，点群： 空间群：空间群： hO1h3O ()m mP这是一个很特殊的结构，每个基元有 5个原子，各自组成简立方点阵，相互套购叠加而成。MoAl12 ；WAl12合金合金一些比较复杂的 bcc 结构：SiF4合金：合金：Si在在F的四面的四面体中，有体中，有3重轴，重轴， 以上我们介绍的例子多数是立方晶系，1975年从Crystal data No1 中所列出的 5572 种无机化合物中统计，立方晶系 30六方晶系 11四方晶系 14三方晶系 12正交晶系 18单斜晶系 14三斜晶系 2有机化合物和蛋白质晶体则不同，接近80的晶体都属于正交和单斜晶系。比较重要的还有：尖晶石 MgAl2O4 石榴石（Fe,Mn)3Al2(SiO4)373103()()hdmha dOFOI五五. 多晶型现象和结构相变多晶型现象和结构相变 同一种材料在不同的环境下，可以有不同的结晶状态，所以它的晶体结构可能不是唯一的，会随着环境温度、压力的变化而变化。三方晶系三方晶系正交晶系正交晶系四方晶系四方晶系立方晶系立方晶系六角晶系六角晶系熔点熔点58012014601612钛酸钡（BaTiO3) 材料的相变，有5种晶型。低温下的三种结构具有铁电性。111011001MnMnMnMn液体液体A12A13A1A2727109511331244锰金属晶体结构随温度发生变化，低温下为A12型，基元含有58个原子，A13型基元有20个原子，A1是fcc，A2是bcc.立方晶系连续崎变立方晶系连续崎变得到七个晶系得到七个晶系立方晶系立方晶系到三斜晶到三斜晶系的逐步系的逐步变化：变化：090abc090abc090abc090abcabcNaClNaCl结构：面心立方结构：面心立方布拉伐格子布拉伐格子CsClCsCl结构：简单立方布拉伐格子结构：简单立方布拉伐格子金刚石和闪锌矿结构：面心立方布拉伐格子金刚石和闪锌矿结构：面心立方布拉伐格子六角密堆积结构：六角布拉伐格子六角密堆积结构：六角布拉伐格子