晶体结构与缺陷

氢分子，图中电子出现几率较大处为共价键
共价键的特性 共价键结合力的本质是电性的
共价键结合力是两个原子核对共用电子对形成的负电区域 的吸引力。
形成共价键时，组成原子的电子云发生了很大变化。
两个原子轨道发生最大重叠，使两个原子核间电子云出现 机率最大。
共价键具有饱和性 共价键具有方向性
决定了各种原子形成分子时相互结合的数 量关系，是定比定律的内在原因之一。
故而---- 材料的结合方式
材料（物质）由无数原子聚集 而成———凝聚态物理 关注对象：由无数原子聚集而 成的材料 材料的结合方式——— 原子之 间的结合方式！
1.1 材料的结合方式

原子结合能与结合力
当元素的原子相互距离为无限时，彼此间是不存在相 互作用的。使它们相互靠近时，便会发生相互作用。这种 图 2 相互作用既有吸引，也有排斥。无论采取什么方式结合， 2 吸引都是来自于异号电荷的库仑相互作用；排斥则一方面 来自同号电荷的库仑相互作用，另一方面来自于泡利不相 原 子 容原理决定的电子间相互作用。 间 力 这种相互作用能与原子间相互距离的关系见图，由图 和 势 中可见，吸引与排斥的综合作用与距离的关系存在着极小 能 值，即能量最低值。从热力学观点，能量最低的状态是稳 曲 线 定存在状态。表明当单个原子彼此靠近变成凝聚态时，在 适当的原子间距的情况下体系可处于能量最低的稳定状态， 这个能量即原子的结合能。这是宇宙间存在凝聚态物质的 理论基础。由原子间相互作用势能v，可以求出原子间作 用力f， （上图），可见在势能最小值所对应的原子间距 r0处，原子间结合力f=0，表明在这个距离时， 原子间的 吸引力与排斥力大小相等，方向相反，互相抵消，原子处 于平衡位置。
离子键实质：异号离子之间的静电引力
e
特
点：
金属原子 非金属原子
带正电的正离子（Cation） 静电引力 带负电的负离子（anion）
离子键
离子键的特点是没有方向性和饱和性．离子晶体 结合较强，因此破坏这种化学键需要较高的能量， 离子型晶体的熔点，硬度，强度都很高，热膨胀系 数很小，其性质主要取决于离子的性质，如离子的 电荷，离子的半径，离子的电层结构及晶体结构． 多数盐类、碱类和金属氧化物
1.1 材料的结合方式

金属键特点：
金属具有可塑性．有较大的热导率．不透明性, 有金属 光泽, 良好的延展性，导电导热性, 无饱和性和方向性。
上述假设模型叫做金属的自由电子模型，称为改性共价键理论。 对金属的许多重要性质都给予了一定的解释。但是，由于金属的自由 电子模型过于简单化，不能解释金属晶体为什么有结合力，也不能解 释金属晶体为什么有导体、绝缘体和半导体之分。随着科学和生产的 发展，主要是量子理论的发展，建立了能带理论。
1.1 材料的结合方式
1.1.1. 结合键（Bonding）：组成物质整体的质点（原子、
分子或离子）间的相互作用力
结合键分类：
金属键（Metallic bonding） 化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bondin g) 介于化学键和范德华力之间
组成化学键的两个原子间电负性差大于1.8 时，一般 生成离子键；小于1.8 时一般生成共价键；而金属原子之 间则生成金属键。
1.1 材料的结合方式
4.范德瓦尔键（范德华力）：
许多物质分子具有永久极性。 由于分子的极性，分子的一部分往往 带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一个分子的 负电荷部位间，以微弱静电力相吸引， 使之结合在一起，称为范德瓦尔键。
非晶体：不呈周期性的规则排列– 短程有序 晶体与非晶体的区别：
a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复
排列。
b.熔化时：晶体具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只
存在一个软化温度范围（类似于玻璃）。
c. 性能：晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。
金属玻璃；大块非晶合金---本院（国家重点实验室）主要学术方向之一
范德瓦尔键是借助微弱的，瞬时的电 偶极矩的感应作用将原来具有稳定的原 子结构的原子或分子结合为一体的键合， 它存在于中性原子和分子之间．
特 点：
首先它是一种长程作用力，它括静电力，诱导力，和色散力． 它属于物理键，没有方向性和饱和性，比化学键的键能小１－２个 数量级。范德瓦尔键也能很大程度上改变材料的性质．
2. 离子键（电子有失有得）
当活泼金属和活泼非金属元素的原子互相接近时，前 者失去电子形成正离子，后者得到电子形成负离子。正、 负离子通过静电相互作用结合成离子型化合物。
1916年，科塞尔(Kossel)提出了离子键理论： a.当电负性小的活泼金属原子与电负性大的活泼非金属原子 相遇时，它们都有达到稳定结构的倾向，由于两个原子的电 负性相差较大，它们之间容易发生电子的得失而产生正、负 离子。 b.稳定结构，对主族元素来讲，它们生成的离子多数都具有稀 有气体结构，对于过渡元素来讲，它们的d轨道一般都处于半 充满状态。 c.原子间发生电子的转移而形成具有稳定结构的正负离子时， 从能量的角度来看，一定会有能量的吸收和放出，而且新体 系的能量一般也是最低的。 NaCl晶体中的离子排列
1.1 材料的结合方式
3. 金属键（电子有失无得）
金属原子的外层价电子数比较少（通常s,p价电子数少于 4），而金属晶体结构的配位数却很高（高于6），因此 金属晶体中各原子不可能通过电子转移或共用电子而达 到八电子层的稳定结构。 金属键是化学键的一种，主要在金属中存在。由自由电 子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而 成。 由于电子的自由运动，金属键没有固定的方向，因而是 非极性键。金属键有金属的很多特性。例如一般金属的 熔点、沸点随金属键的强度而升高。其强弱通常与金属 离子半径成逆相关，与金属内部自由电子密度成正相关
3. 金属键


在金属晶体中，自由电子作穿梭运 动，它不专属于某个金属离子而为 整个金属晶体所共有。这些自由电 子与全部金属离子相互作用，从而 形成某种结合，这种作用称为金属 键。 由于金属只有少数价电子能用于 成键，金属在形成晶体时，倾向于 构成极为紧密的结构，使每个原子 都有尽可能多的相邻原子(金属晶体 一般都具有高配位数和紧密堆积结 构)，这样，电子能级可以得到尽可 能多的重叠，从而形成金属键。
阵点用平行直线连接---空间格架—晶格 晶胞三维堆砌---空间点阵
同一点阵，晶胞选择方式不同—不同晶胞
选取晶胞的原则： Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
1.1 材料的结合方式
氢 键：
与电负性大的原子X（氟、氯、氧、氮等） 共价结合的氢，如与电负性大的原子Y（与 X相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为 媒介，生成X-H…Y形的键。这种键称为氢 键。
氢键是一种特殊的分子间的作用力，具 有比一般次价键大的键力，又称为氢 桥．
特
点：
具有饱和性和方向性，它可以存在分 子内或分子间，它在高分子材料中特别 重要．
注： 1. 范德华力即物理键 2. 本教材：化学键与结合键未作区分。不严谨！
1.1 材料的结合方式
1.共价键（电子无失无得）
由同类原子或电负性相差不大的原子间通过共用成键电子对形成的； 成键电子对可以由两个原子共同提供，也可以由一个原子单独提供 （后者习惯上称为配位键） 如：周期表IVA、VA、VIA族中的大多数元素 金刚石、单质硅、碳化硅等
《材料物理科学基础》
《Foundations of Materials Physics Science》
第一章 材料的结构
材料物理系 张瑞军
主要内容
1.1 材料的结合方式
1.2 晶体学基础
1.3 材料的晶体结构
1.1 材料的结合方式
本章：材料的结构 结构决定性能！ 而材料的结合方式又决定其结构！-- 性能！ 如：碳的两种典型结构：石墨；金刚石

1.1 材料的结合方式
1.1.2 工程材料的键性
在实际的工程材料中， 原子(或离子、分子)间相 互作用的性质，只有少数 是这四种键型的极端情况， 大多数是这四种键型的过 渡。如果以四种键为顶点， 作个四面体，就可把工程 材料的结合键范围示意在 四面体上，如图。
新材料？
1.3 晶体学基础
前一节：材料中原子之间的结合问题 本节：材料中原子之间的排列问题 主要内容
单晶体与多晶体
1. 单晶体 质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶 核）生长而成的晶体
2. 多晶体 通常由许多不同位向的单晶体(晶粒）所组成---实际材料多如此！ 3. 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 4.多晶体材料一般显示出各向同性——假等向性。
二.晶体的空间点阵（Space lattice）
1. 空间点阵的概念 实际晶体中，质点在空间排列方式多种多样（大阅兵编队：兵、车、飞机） 将晶体中质点（原子、分子或离子等）抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 —空间点阵（space lattice），简称点阵。 特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding) 2．晶胞（Unite cells） 代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities 仍能保持点阵特征的最基本单元！
X
Y
Y