固体物理晶体结构
固体物理中的晶体结构
固体物理中的晶体结构晶体是一种特殊的固态物质，具有高度有序的结构和周期性的排列。
晶体结构的研究是固体物理领域的一个重要课题，对于理解物质的特性和性质具有重要意义。
本文将介绍固体物理中的晶体结构，探讨晶体的组成以及晶格的特点。
一、晶体的组成晶体是由一定种类的原子、分子或离子有序排列而成的具有规则几何形状的固体物质。
晶体的组成可以分为两个主要部分：基本单元和空间格点。
基本单元是晶体中能够表示整个晶体的最小重复单位，也称为晶胞。
晶体的性质可以通过分析和了解晶胞的结构和成分来进行研究。
基本单元可以是原子、分子或离子。
空间格点是晶体结构中原子或离子所占据的位置，也可以看作是晶胞的顶点。
晶格可以展现晶体中原子或离子的位置关系，并决定了晶体的几何形状和物理性质。
在晶体结构中，空间格点呈现出周期性排列的特点。
二、晶体的晶格结构晶体的晶格结构是指晶体中空间格点的特点和分布规律。
常见的晶格结构有立方晶格、正交晶格、六方晶格、斜方晶格等。
立方晶格是晶体结构中最为简单和对称的一种晶格结构。
在立方晶格中，空间格点按照等距离分布，原子或离子在空间中呈现出立方形或立方体的排列形式。
立方晶格可以分为简单立方晶格、体心立方晶格和面心立方晶格。
正交晶格是晶体结构中空间格点按照直角坐标系的规律排列。
正交晶格的特点是空间格点按照垂直和平行于坐标轴的方向排列，原子或离子的位置按照直角坐标系展示。
六方晶格是晶体结构中空间格点的一种特殊排列形式。
在六方晶格中，空间格点呈现出六边形对称性，原子或离子按照六边形的排列方式分布。
斜方晶格是晶体结构中空间格点呈斜角形排列的一种晶格结构。
斜方晶格的特点是空间格点按照倾斜的方向排列，原子或离子的位置关系呈现出倾斜的特点。
三、晶体的晶胞结构晶胞是晶体结构中最小的单位，用于表示整个晶体的性质和结构。
晶胞可以分为原胞和超胞。
原胞是晶胞结构中的基本单位，能够完整地表述晶体的结构与性质。
原胞是一个具有周期性的重复单位，可以通过平移操作来重复堆叠构成整个晶体。
固体物理 第一章 晶体结构 晶格的周期性
Ch1晶体结构 1.2晶格的周期性
1
前课回顾
• 什么是晶格？什么是基元？ • 常见的晶格结构？
2
本节内容
• 晶格具有周期性，用原胞和基矢描述。 • 原胞：一个晶格最小的重复单元。 • 晶体学单胞（晶胞）：反映晶格对称性，选取较大的
周期单元。
• 基矢：原胞或晶胞的边矢量，α1、α2、α3 。 • 简立方、面心立方、体心立方、六角密堆积的原胞、
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晶向、晶面和它们的标志
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本课小结
晶体结构=晶格+基元 布拉维格子、基矢、格矢、格点 原胞，晶体中体积最小的周期性重复单元 维格纳-塞茨(WS)原胞及其构造方法 常见的布拉维格子及其WS原胞
原胞是晶体中体积最小的周期性重复单元，常取 以基矢为棱边的平行六面体； 对某一晶格，尽管习惯上常取三个不共面的最短 格矢为基矢，但基矢的取法并不唯一，因此原胞 的取法也不唯一。
无论如何选取，原 胞都具有相同的体 积，每个原胞只含 有一个格点。
固体物理第一章(2)
例2解答：
c
b
0a （101）
c
b
0a （1-22）
c
b
0a （021）
c
b
a （2-10）
例3、在六角晶系中，晶面指数常用（hkml）表示， 它们代表一个晶面的基矢的截距分别为a1/h，a2/k， a3/m，在c轴上的截距为c/l。
证明（1）h+k=-m；
（2）求出O’A1A3、A1A3B3B1、A2B2B5A5和 A1A3A5四个面的面指数。
例1解答：
晶面族（123）截a1、a2和a3分别为1、2、3等份，ABC面是离原点O最近 的晶面，OA长度等于a1的长度，OB长度等于a2长度的1/2，OC长度等于a3 长度的1/3，所以只有A点是格点。若ABC面的指数为（234）的晶面族，则 A、B和C都不是格点。
例2、在简立方晶胞中，画出（101）、（021）、（1-22）和（2-10）晶面。
ra1 n ra1 cos a1, n d
sa2 n sa2 cos a2 , n d
ta3 n tas cos a3 , n d
由此得： c o sa 1 ,n:c o sa 2 ,n:c o sa 3 ,n1:1:1
r a 1 s a 2 ta 3
与上式相比较，有
cos
h1h2k1k2l1l2
h12k12l12 h22k22l22
指数简单的面是最重要的晶面，如（100）、（110）、（111）之类。 这些面指数低的晶面系，其面间距d 较大，原子层之间的结合力弱，晶 体往往在这些面劈裂，成为解理面，一般容易显露。如Ge、Si、金刚石 的解理面是（111）面，而III-V族化合物半导体的解离面是（110）面。
立方晶格的等效晶面
固体物理晶体结构12晶格基本类型
20
固体物理导论
第 1 章 晶体结构
1.2 晶格的基本类型
3. 正交
abc a b 90
c
ba a b
布拉维格子： 1. 简单正交 2. 底心正交 3. 体心正交 4. 面心正交
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固体物理导论
第 1 章 晶体结构
1.2 晶格的基本类型
4. 四方
abc a b 90
6. 三角
abc
a b 120 , 90
布拉维格子：三角
c
b ab a
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固体物理导论
7. 六角
第 1 章 晶体结构
1.2 晶格的基本类型
abc a b 90 , 120
布拉维格子：六角
c
b ab a
25
固体物理导论
第 1 章 晶体结构
B′
于纸面的轴旋转a角度为
aa
对称操作 C → C′
A
B
C
D
根据格点的等价性，绕通过C点垂直于纸面 的轴旋转-a角度也为对称操作 B → B′
BC // B′C′
B′C′ = m BC, m∈ Z
B′C′ = BC[1+2cos(p-a)]
2
固体物理导论
第 1 章 晶体结构
1.2 晶格的基本类型
m BC= BC[1+2cos(p-a)] cosa = (1-m)/2
11
固体物理导论
第 1 章 晶体结构
1.2 晶格的基本类型
7. 只包含旋转反演轴的点群，标记为Sn 群，但 S1=Ci， S2=Cs， S3=C3h，只有S4，S6群，共2个
8. 立方对称的48个对称操作称为立方点群，用 Oh标记；正四面体的24个对称操作，称为正四 面体群，用Td 标记。共2个
1固体物理-晶体结构1
晶面
{ }表示一组由于对称性而相互等价的晶面； 如对简单立方格子，{100}表示3个相互等价的晶 面，(100), (010), (001).
晶面
晶面
对于简单立方格子，晶向[h1, h2, h3]与晶面(h1, h2, h3)正交.
单胞(unit cell)
晶体学中，习惯用晶系的基矢a, b, c构成的 平行六面体作为周期性重复排列的基本单 元，称为单胞或惯用单胞(conventional unit cell). 原胞只含有一个格点，是体积最小的周期 性重复单元，单胞则不同，可含有一个或 者数个格点，体积是原胞的一倍或数倍。
晶格
晶体结构包括两方面： （1）重复排列的单元，称为基元(basis or motif); （2）基元重复的方式，一般抽象成空间点阵，称为晶体格子 (crystal lattice)，简称晶格； 基元以相同的方式，重复地放置在晶格的格点上（等价性）； 基元中的原子种类，数量、位置依不同晶体而定（结构性）；
本课小结
晶体结构=晶格+基元 布拉维格子、基矢、格矢、格点 原胞，晶体中体积最小的周期性重复单元 维格纳-塞茨(WS)原胞及其构造方法 常见的布拉维格子及其WS原胞 晶向、晶面、米勒指数
晶体结构数据库
(CCDC) http://www.fiz-karlsruhe.de/icsd.html (ICSD) /AMS/amcsd.php (AMCSD) (COD) /pcd/ (PCD) http://www.cryst.ehu.es/
原胞
维格纳-塞茨(Wigner-Seitz)原胞
维格纳-塞茨(WS)原胞 以晶格中某一格点为中心， 作其与近邻格点连线的垂直平分面，这些平面所 围成的以该点为中点的最小体积是属于该点的WS 原胞。
固体物理 晶体结构
第一布里渊区:
以任一倒格点为原点， 共有八个最近邻，即八 个中垂面，围成一个八 面体，但其六个顶角却 被对应于六个次近邻倒 格点的中垂面所截。， 故其第一布里渊区是十 四面体。
例3 体心立方晶格第一布里渊区
倒格子：面心立方结构
第一布里渊区
以任一倒格点为原 点，考虑到离原点最近 的倒格点共有12个，即 作出相应的12个中垂面， 围成一个12面体，因次 近邻倒格点的中垂面并 不切割它，所以其第一 布里渊区的形状就是12 面体。
七个晶系与十四个布拉菲格子关系图
立方晶系
晶体的32种 宏观对称性 类型可以分 成七类，即 七个晶系。 其中每个晶 系包含若干 种点群，它 们具有某些 共同的对称 素。
简单立方 体心立方 面心立方 六角 简单四方 体心四方
六角晶系 四方晶系 三角晶系
三角
简单正交 底心正交 体心正交 面心正交 简单单斜 底心单斜 简单三斜
a1 a2 a3 a2 a1 , a3
三角晶系、四方晶系、六角晶系
三角晶系 三角
四方晶系 简单四方
四方晶系 体心四方
六角晶系 六角 a1 a 2 a 3
a1 a2 a3
120
90
a1 a2 a3
a1 a2 a3
90
C 1 2 3
O
a
1
a
2
OA' 晶向
B
[100]
A
OB' 晶向 [110]
晶向指数
晶向指数
某些晶向只是方向不同，而周期却是相同的，这类 晶向称为等效晶向，用<l1l2l3>表示。如立方晶格中的
固体物理晶体结构
固体物理晶体结构晶体结构是固体物理学的一个重要研究方向，它研究的是固体材料内部的原子排列方式和空间组织形态。
晶体结构的研究对于深入理解固体物理和材料科学具有重要意义。
本文将从晶体结构的定义、种类、特点以及应用等方面进行详细讨论。
晶体是由原子、分子或离子组成的具有规则重复排列的固体物质。
晶体结构是指晶体中原子、离子或分子的空间排列方式。
晶体结构的特点是具有周期性、有序性和三维性。
具体地说，晶体结构的周期性意味着晶体中的原子、离子或分子在空间上有规则的重复排列，即具有相同的周期性结构单元；有序性表示晶体中的原子、离子或分子形成了有规则的结构，各个粒子之间存在着一定的有序关系；三维性表示晶体结构可以延展到整个空间，形成一个连续的三维网状结构。
根据晶体的组成物质和结构特点，晶体结构可以分为原子晶体和离子晶体。
首先，原子晶体是由原子构成的晶体。
原子晶体可以进一步分为金属晶体、共价晶体和分子晶体。
金属晶体是由金属原子通过金属键紧密排列而成，其特点是具有电子云的金属离子之间遥相呼应，排列紧密。
共价晶体是由共价键连接的原子构成，其特点是原子间的共价键强度较大，形成了稳定的晶体结构。
分子晶体是由共用电子形成的原子团簇组成的，其特点是分子间的相互作用力较弱，分子之间通过静电作用和范德华力相互吸引。
原子晶体的典型代表有金属晶体铜、铝等；共价晶体的典型代表有钻石、石英等；分子晶体的典型代表有冰、盐等。
其次，离子晶体是由正负离子通过离子键连接而成的晶体。
离子晶体的特点是正负离子之间通过离子键形成了结晶的有序排列，正负离子按照固定的比例堆积构成了稳定的晶体结构。
离子晶体的典型代表有氯化钠、碳酸钙等。
晶体结构的研究在材料科学和物理学中具有广泛的应用。
首先，晶体结构的研究对于理解材料的性质和行为具有重要意义。
不同晶体结构的材料具有不同的物理性质，例如热导率、电导率、热膨胀系数等。
通过研究晶体结构，可以揭示材料的性质与结构之间的关系，为材料设计和制备提供理论指导。
固体物理课件 第一章 晶体结构
晶面指数（122）
a
c b
(100)
(110)
(111)
在固体物理学中，为了从本质上分析固体的性质，经常要研究晶体中的 波。根据德布罗意在1924年提出的物质波的概念，任何基本粒子都可以 看成波，也就是具备波粒二象性。这是物理学中的基本概念，在固体物 理学中也是一个贯穿始终的概念。
在研究晶体结构时，必须分析x射线（电磁波）在晶体中的传播和衍射 在解释固体热性质的晶格振动理论中，原子的振动以机械波的形式在晶 体中传播；
1 3 Ω = a1 ⋅ a 2 × a 3 = a 2
(
)
金刚石
c
c
面心立方
钙钛矿 CaTiO3 (ABO3)
Ca
O
Ti
简单立方
所有的格点都分布在相互平行的一族平面 上，且每个平面上都有格点分布，这样的 平面称为晶面，该平面组称为晶面族。
特征： (1)同一晶面族中的晶面相互平行； (2)相邻晶面之间的间距相等；（面间距是
至今为止，晶体内部结构的观测还需要依靠衍射现象来进行。
（1）X射线 -由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波。 早在1895年伦琴发现x射线之后不久，劳厄等在1912年就意识到X射线的 波长在0.1nm量级，与晶体中的原子间距相同，晶体中的原子如果按点阵排 列，晶体必可成为X射线的天然三维衍射光栅，会发生衍射现象。在 Friedrich和Knipping的协助下，照出了硫酸铜晶体的衍射斑，并作出了正确 的理论解释。随后,1913年布拉格父子建立了X射线衍射理论，并制造了第 一台X射线摄谱仪，建立了晶体结构研究的第一个实验分析方法，先后测定 了氯化钠、氯化钾、金刚石、石英等晶体的结构。从而历史性地一举奠定 了用X射线衍射测定晶体的原子周期性长程序结构的地位。 时至今日，X射线衍射(XRD)仍为确定晶体结构，包括只具有短程序的无 定型材料结构的重要工具。