晶体结构解析.pptx
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1、固体晶体:非晶体:准晶体:长程有序不具有长程序的特点,短程有序。有长程取向性,而没有长程的平移对称性。单晶体多晶体至少在微米量级范围内原子排列具有周期性。长程有序长程有序:2.1.1 固体分类(按结构)第1页/共51页(a)a)晶体结构的规则网格 非晶体中原子排列不具有长程的周期性,但基本保留了原子排列的短程序,即近邻原子的数目和种类、近邻原子之间的距离(键长)、近邻原子配置的几何方位(键角)都与晶体相近。(b)b)非晶体结构的无规则网格第2页/共51页(c)(c)Penrose)Penrose拼接图案 准晶体具有长程的取向序,但没有长程的平移对称序,可以用Penrose拼接图案显示其结构特点
2、。第3页/共51页2.1.2 晶体的分类晶 体按晶胞分立方晶系六方晶系四方晶系三方晶系正交晶系单斜晶系三斜晶系按对称性分立方体六方体按功能分导体 半导体绝缘体磁介质电介质超导体按结合方式分分子晶体离子晶体共价晶体金属晶体氢键晶体第4页/共51页2.2 结晶学原胞 晶系晶轴、晶向与晶面第5页/共51页晶体学中的布喇菲原胞,按对称特点来选取。基矢在晶轴方向,固体物理学中选取的原胞,不是任意重复单元,基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞简立方(SCSC)体心立方(BCCBCC)面心立方(FCCFCC)第6页/共51页晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵(CrystalS
3、ystemandBravaisLattice)七个晶系,14种布拉菲原胞晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinicabc,单斜 Monoclinicabc,=90正交(orthorhombic)abc,=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c,=90,=120菱方 Rhombohedrala=b=c,=90 四方(正方)Tetragonala=bc,=90 立方 Cubica=b=c,=90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方第7页/共51页简单三斜简单单斜底心单斜返回返回单斜 Monoclinic
4、abc,=90第8页/共51页底心正交简单正交面心正交体心正交返回返回 正交 abc,=90第9页/共51页简单菱方简单六方简单四方体心四方返回返回第10页/共51页简单立方体心立方面心立方返回返回第11页/共51页2.3、常见电子材料的晶体结构(1 1)、氯化钠结构(配位数)、氯化钠结构(配位数 4 4:4 4)两个面心立方子晶格,各自的原胞具有相同的基矢,只不过有互相的位移。第12页/共51页可以看出,Na+FCC结构固体物理学原胞:角上放置Na+内部包含一个Cl-原胞中包含一个Na+,Cl-.原子(离子)个数:第13页/共51页(2)、氯化铯结构(8:8)Cl-和Cs+各自组成简立方结构
5、的子晶格。氯化铯结构是由两个简立方的子晶格彼此沿立方空间对角线位移1/2的长度套构而成。固体物理学原胞是简立方,每个原胞中包含两个原子。固体物理学的观点:说结构,取原胞都是对布喇菲格子而言。(考虑对称性)第14页/共51页(3)、金刚石结构(Si,Ge)(4:4)面心立方原胞内还有4个原子,这4个原子分别位于空间对角线的1/4处碳四面体结构C一种原子,二个位置。半导体材料:锗Ge,硅Si.与金刚石结构相同。金刚石结构是个复式格子,由两个面心立方子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成的。第15页/共51页(4)、闪锌矿结构(ZnS,GaAS)硫和锌分别组成面心立方的子晶格。而沿空间对角
6、线位移1/4的长度套构而成。化合物半导体:锑化铟,砷化镓,磷化钼第16页/共51页Diamond Structure and Zinc Blend Structure第17页/共51页(5)、纤锌矿结构(六方,Wurtzite,ZnS,4:4)第18页/共51页 纤维锌矿是闪锌矿的同素异构体。在纤维锌矿的结构中,S2位于整个六方柱大晶胞的各个角顶和底心以及由六力柱划分出的6个三方柱中,相间的3个三方柱的轴线上,Zn2+则位于各个三方柱的棱上及相同的3个三方柱之轴线上。这种排列形式相当于S2-构成简单六方紧密堆积,而Zn2+则填塞于半数的四面体隙中。即每个原于均处于异种原于构成的正四面体中心,如
7、图所示。两者的配位数均等于4。第19页/共51页第20页/共51页(6)、萤石型结构(M:O=8:4,Calcium Fluorite Structure,ZrO2,CaF2)第21页/共51页Fluorite Structure萤石型结构。萤石型晶格结构的配位数为M:O8:4,正离子按面心立方密堆排列两个负离子也按同样的面心立方点阵排列,但沿空间对角线方向,其中一组向正方向移动14体对角线长,另一组向反方向移动14体对角线良相互套构而成。空间结构中负离子的面心立方间隙的1/2为正离子所填充,或者说是负离子处于所有正离子的四面体间隙之中。在这种结构中,由于有1/2的简立方间隙未填,故结构是不够
8、紧密的。ZrO2,正是利用这种特点,其氧离子易于在晶格中扩散ZrO2可用以制作燃料电池(fuelcells)或其他离子电导型的隔板。第22页/共51页补充资料:固体氧化物燃料电池材料(SOFC)单体燃料电池主要组成部分由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode,fuelelectrode)、阴极或空气极(cathode,airelectrode)和连接体(interconnect)组成。电解质是电池核心,电解质性能直接决定电池工作温度和性能。目前大量应用于SOFC的电解质是全稳定ZrO2陶瓷。在ZrO2中掺入某些二价或三价金属氧化物(如CaO,Y2O3),低价金属离子占据了Z
9、r4+位置,结果使ZrO2从室温到高温(1000)都有稳定的相结构(萤石结构),而且由于电中性要求,在材料中产生了大量的O2-空位,因而大大增加了ZrO2的离子电导率,同时扩展了离子导电的氧分压范围。目前常用Y2O3稳定ZrO2(简称YSZ)为电解质材料,其离子电导率在氧分压变化十几个数量级时,都不发生明显变化。第23页/共51页SOFC反应过程阳极反应:H2+O2-H2O+2e-CO+O2-CO2+2e-阴极反应:O2+4 e-2 O2-第24页/共51页第25页/共51页(7)、金红石结构(Rutile)金红石晶体中质点坐标是:Ti4+0 0 0,1/2 1/2 1/2;O2-u u 0,
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