2013固体材料界面研究的物理基础-第三章_晶体的界面结构-O点阵-csl点阵

2013固体物理1.4简单晶体结构

1. 氯化铯型结构
Cs+ 和 Cl- 各自构成一简单立方格子，两组简单立方格子沿立方体对角线方向一半对角线长度
相对错开套构而成
布拉维格子：简单立方
复式格子基元= Cs+ + Cl-
氯化铯型结构： CsCl, CsBr, CsI, TlCl, TlBr, TlI 等
氯化铯型结构=两种不同离子构成的基+简单立方格子 7
13
第 1 章晶体结构
1.4 简单晶体结构
体心立方沿对角线方向排列最紧密
• •
r0 ：原子球半径 a ：立方体边长
体心立方中的正方排列不是紧密排列体心立方的原子排列
a ∆ 间隙: Δ = a − 2r0 = 0.31r0
致密度 ρ：晶胞内原子所占的体积与晶胞总体积之比
ρ 体心=
(8 ×
1 8
+ 1) × a3
20
布拉维格子：面心立方
硫离子和锌离子各自
S
形成一面心立方格子
Zn
典型晶体：SiC, ZnSe, AlAs, GaP, GaAs 等
18
1.4 简单晶体结构
第 1 章晶体结构
构成一个正四面体结构，这是金刚石结构的一个突出的特点，这与原子的化合价键有关。
D•
•C •A'
⇒a=
8 3
r0
A•
•B
⇒ ρ 金刚石
一类空隙正上方，C层位于A层另一类空隙正上方，
在垂直于层面方向作ABCABC…的周期性重复，
其实就是面心立方结构．配位数：12
12
1.4 简单晶体结构
第 1 章晶体结构
ABAB… 式重复结构 ⇒六角密集结构

固体物理知识总结PPT课件

惯用元胞、轴矢
三、常见晶体结构举例
致密度η（又称空间利用率）、配位数、密堆积
1. 简单立方（sc）配位数＝6，惯用元胞包含格点数 = 1 惯用元胞包含格原子数 = 1
2. 面心立方（fcc）配位数＝12，惯用元胞包含格点数＝4 惯用元胞包含格原子数 = 4
3.体心立方（bcc) 配位数＝8，惯用元胞包含格点数＝2 惯用元胞包含格原子数 = 2
1.决定散射的诸因素（1）原子散射因子（2）几何结构因子
2.衍射极大的条件（必要条件）
即当 k－k0＝S＝Gh 时，所有元胞间的
散射光均满足相位相同的加强条件，产生衍
射极大。
（反射球）
4.消光条件
第二章晶体结合
一、原子的负电性
负电性＝常数（电离能＋亲和能）
电离能：让原子失去电子所必需消耗的能量
第四章固体能带论基本近似：绝热近似、单电子近似一、固体电子的共有化和能带二、布洛赫（Bloch）定理
1.布洛赫定理：表述及讨论 2. Bloch 定理的证明 3.布洛赫定理的一些重要推论 4.能态密度三、近自由电子模型 1.索末菲（Sommerfeld）模型
（1）自由电子(半量子)模型
（2）自由电子费米（Femi）气模型 2.近自由电子模型
亲和能：处于基态的中性气态原子获得一个电子所放出的能量
负电性大的原子，易于获得电子负电性小的原子，易于失去电子二、离子结合三、共价结合共价键的特性：饱和性、方向性四、金属结合五、范德瓦尔斯键结合六、氢键结合
第三章晶格振动
一、一维单原子晶格的振动
1. 物理模型 2.近似条件：近邻作用近似、简谐近似 3. 分析受力：牛顿方程 4. 定解条件―――玻恩－卡曼

晶体的界面结构

界，且孪晶界即为孪晶面时才可能➢存>在0.。25
------ 非共格界面
2．半共格相界若两相邻晶体在相界面处旳晶面间距相差较大，则在相界面上不可能做到完
全旳一一相应，于是在界面上将产生某些位错，以降低界面旳弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配，这么旳界面称为半共格界面或部分共格界面。
从能量角度而言，以半共格界面替代共格界面更为有利。
➢ 在金刚石、闪锌矿晶界中也发觉；
➢ 场离子显微镜直接证明重叠点阵晶界旳存在。
重叠位置点阵晶界旳存在表白：大角晶界构造是由原子排列紊乱部分构成，相邻晶粒旋转到一定角度时出现旳点阵重叠数不同。
• 面心立方点阵绕 [001]轴旋转 36.9º时旳重叠点阵扭转晶界模型。
• 黑点属于两晶体旳重叠点阵，这些原子构成旳晶界就是重叠点阵。
共格相界：因为界面上原子保持匹配关系，故界面上原子结合键数目不变，以应变能为主。
非共格相界：因为界面上原子旳化学键数目和强度与晶内相比有很大差别，故其界面能以化学能为主，而且总旳界面能较高。
从共格至半共格到非共格，相界能依次递增。
晶界能---实线测量值、虚线计算值不大于15-200时，两者符合很好。
—部分共格+位错——半共格
孪晶界(相界)点阵完全不重
叠——非共格
5
孪晶界
孪晶是指两个晶体(或一种晶体旳两部分)沿一种公共晶面构成镜面对称旳位向关系，这两个晶体就称为“孪晶”，此公共晶面就称孪晶面
晶界、亚晶界：多晶体材料内部成份、构造相同而取向不
同旳晶粒（或亚晶）之间旳界面。在晶界面上，原子排列从一种取向过渡到另一种取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间旳接触界面叫做晶界。

3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)

点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分：置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分：无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质溶剂主晶相
杂质溶质掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)

固体物理学基础晶体的表面与界面物理

固体物理学基础晶体的表面与界面物理晶体是物质排列有序的固态结构，其内部的原子排列具有周期性重复的特征。

然而，固体晶体与外界环境之间的接触面即表面以及晶体与其他晶体之间的界面却展现出了特殊的物理性质，这是固体物理学中一个重要而广泛研究的课题。

1. 表面物理学表面是固体晶体与外界环境相接触的区域，它通常由表层原子构成。

与晶体内部相比，表面的原子排列更加松散，结构更不规则。

这导致了表面物理性质与晶体内部的差异。

1.1 表面能和表面形貌表面能是表征表面性质的重要参数。

它反映了表面原子对外界作用力的敏感程度以及表面原子间的相互作用强度。

表面能的大小直接影响着固体的表面现象，如润湿性、吸附性等。

另外，表面形貌也是表面物理学中的一个重要研究内容。

表面的形貌与固体晶体的生长、晶体结构有着密切的关系，对材料的性能和应用也具有重要影响。

1.2 表面电子结构和局域态相比于晶体内部的电子能级结构，表面区域的电子结构发生了较大的变化。

表面态和界面态的存在使得表面与界面成为固体中电子输运的重要通道。

此外，表面和界面常常会导致电子的局域化现象，形成局域态。

研究表面电子结构和局域态对于理解固体物理学中的许多现象至关重要。

2. 界面物理学界面是两个不同材料的接触面，其中至少有一个为固体晶体。

界面的形成和性质对于多个领域都有着重要的影响，如材料科学、纳米科技等。

2.1 界面的结构和性质界面的结构与性质主要受到相邻材料的晶体结构、材料相互作用等因素的影响。

不同材料之间存在界面能的差异，使得界面呈现出独特的物理化学性质。

界面的结构和性质研究为杂质控制、界面反应等提供了重要的理论依据。

2.2 界面电子结构和界面态界面的形成会导致局部晶格的扭曲和变形，进而影响到界面区域的电子结构。

活化能的变化会造成界面电荷重排和界面电子态的形成。

界面电子态的研究对于解析电子在材料界面上的行为以及界面的电子传输机制具有重要意义。

总结：固体物理学基础晶体的表面与界面物理是对固体晶体内部性质之外的重要研究课题。

材料的晶体结构

正交晶系一些重要晶向的晶向指数
一、晶向与立方晶系晶向指数源自试说明一个面心立方等于一个体心四方结构。
01
02
在立方系中绘出｛110｝、｛111｝晶面族所包括的晶面，及（112）和（1 0）晶面。
三、六方晶系晶面与晶向指数
1、晶面指数：
建立坐标系：在六方晶系中，为了明确的表示晶体底面的(六次)对称性，底面用互成120度的三个坐标轴x1、x2、x3，其单位为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z，其单位为高度方向的晶格常数c。注意x1、x2、x3三个坐标值不是独立的变量。方法同立方晶系， (hkil)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式h＋k＋I＝0。底面指数为(0001),侧面的指数为(1010)。
晶向指数：表示晶向方位符号。标定方法：建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让第一点在原点则下一步更简单)；计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ；化成最小、整数比u：v：w ；放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记在上方。
晶体结构则是晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。
晶面指数：表示晶面方位的符号。标定方法：建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位（原点在标定面以外，可以采用平移法）；晶面在三个坐标上的截距a1 a2 a3 ；计算其倒数 b1 b2 b3 ；化成最小、整数比h：k：l ；放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方。
一、体心立方
第二节纯金属常见的晶体结构
原子位置立方体的八个顶角和体心

结构化学-晶体点阵结构PPT课件

按 a、b、c 之间的关系，以及、、之间的关系，晶体
可以分成 7 种不同的晶系，称为七大晶系，有十四种布拉维晶格。
.
59
分数坐标
由于取晶胞参数的三个素向量 a, b, c为单位，一个晶胞内原子最大坐标为1，最小坐标为0，其余坐标在1~0之间，因此，描述晶胞中原子的坐标为分数坐标。
立方面心晶胞净含4个原子，所以写出4组坐标即可:
20世纪80年代发现的以YBa2Cu3O7-x为代表的氧化物超导体和球烯, 都震动了科学界. 1991年以来又发现球烯与K、Rb 、 Cs等形成的离子化合物具有超导性，使人们对分子超导体的前景充满希望。
现代科技中的晶体——超导材料
➢ 晶体的特性 ➢ 晶体的点阵结构理论 ➢ 晶体结构的密堆积原理 ➢ 金属晶体和离子晶体
• 金属晶体 • 离子晶体 • 分子晶体 • 共价键型晶体 • 混合键型晶体
密堆积原理是研究晶体结构的一项重要内容
晶体结构的密堆积原理
密堆积原理：是在无方向性和饱和性的金属键、离子键和范德华力把晶体内部质点结合在一起的晶体中，原子、离子或分子总是趋向于相互尽可能配位数高，能充分利用空间的紧密堆积的结构方式。
内容简介
介绍晶体物质的结构及其结构与性能的关系，以及研究晶体结构的实验方法-X射线晶体衍射法。
➢ 晶体的特性 ➢ 晶体的点阵结构理论 ➢ 晶体结构的密堆积原理 ➢ 金属晶体和离子晶体
➢ 晶体的特性 ➢ 晶体的点阵结构理论 ➢ 晶体结构的密堆积原理 ➢ 金属晶体和离子晶体
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3
一、晶体的特性
固态物质：晶体和无定形体
3 晶体具有确定的熔点
晶体在熔化时必须吸收一定的熔融热才能转变为液态(同样在凝固时放出同样大小的结晶热)，见晶体加热曲线：随时间增加，温度升高至T0时，晶体开始熔解，温度停止上升，此时所加的热量，用于破坏晶体的格子构造，直到晶体完全熔解，温度才开始继续升高

《固体物理基础教程》课件第1章

下面我们重点来理解一下“化学成分相同但周围环境不同”的情况。以金刚石结构为例，其中立方体八个顶角和六个面心上的原子正好组成一个FCC，这些原子的周围环境显然是完全相同的，另外所有体内原子的周围环境也完全相同，但这两者之间却是不同的，比如，体内原子和顶角原子
之间的距离虽然相同，但方向却正好相反，因此应被视为两种原子，即金刚石晶体的一个基元中应该同时包含两个C原子。再比如，由Zn组成的六方密堆积结构中，六方棱柱顶角和表面的原子应归为一类，而体内的原子则应归为另一类，于是Zn晶体的一个基元中也应同时包含两个Zn原子。再来看看钙钛矿结构，BaTiO3晶体的一个基元中同时应该包含 Ba、Ti和O原子是比较容易理解的，但为什么会是3个O原子？显然，对于6个面心上的O原子，尽管Ba原子和Ti原子在其周围分布的距离都是确定相同的，但方向却是不同的，因此必然被分为3类，于是BaTiO3晶体的一个基元中就同时包含了1个Ba、1个Ti和3个O原子总共5
在1.1节所讨论的几种晶体结构中，SC、BCC和FCC结构的晶体的基元中只有一个原子，因此它们对应的B格子分别就是SC、BCC和FCC。金刚石结构、闪锌矿结构和NaCl 结构的基元中均包含两个原子，抽象得到的B格子都是FCC，即它们都是由FCC格子套构而成的：金刚石结构和闪锌矿结构都是由两个FCC格子沿体对角线方向1/4套构而成，而 NaCl结构则是由两个FCC沿棱边1/2套构而成。类似地， CsCl结构是由两个SC格子体心套构而成，而钙钛矿结构则是由5个SC格子套构而成，其套构的方式不太好用语言描述，不妨通过图示的方法给出它的套构规则(如图1.12所示)。
图1.11 闪锌矿结构的重复单元
1.1.8 钙钛矿结构自然界中很多ABO3型化合物材料，如钛酸钡(BaTiO3)、