1、第一章 晶体学基础及材料性能,南京农业大学 工学院机械工程系 杨和梅,物质：气态，液态，固态,固态物质：晶体，非晶体,晶体：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。 非晶体：粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。,黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体； 各向同性； 随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。,1.1晶体的特征,晶体中原子排列的作用,原子排列,研究固态物质的内部结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。,组织,性能,1.1晶体的特征,1.1晶体的特征,原子排列
2、：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。 特点：,各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异 固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。,一、 空间点阵和晶胞,阵点,空间点阵,为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。,这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。,1.1晶体的特征,晶格,为了表达
3、空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。,晶胞,构成晶格的最基本单元。 晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。,点阵常数,平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角、，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。,二、晶系,按点阵常数的特征对晶体的分类。,布拉菲点阵,晶体结构和空间点阵的区别,空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环境相
4、同，它只能有14种类型,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。,Cu3Au, simple cubic,g-Fe, fcc,三、晶向与晶面指数,1、晶向与立方晶系晶向指数,晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。 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 ； 2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)； 3. 计算x2-x1 ： y2-y
5、1 ： z2-z1 ； 4.化成最小、整数比u：v：w ； 5.放在方括号uvw中，不加逗号，负号记在上方 。,晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。,表示方法：用尖括号表示 。,举例：,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。,晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。 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
6、 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 。,2、晶面与立方晶系晶面指数,晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合。,表示方法：用花括号hkl表示。,举例：,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。,3、六方晶系晶面与晶向指数,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
7、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hki0。底面指数为(0001),侧面的指数为(1010)。,晶向指数,标定方法：,平移晶向(或坐标)，让原点为晶向上一点，取另一点的坐标，有:,并满足pqr0 ；,化成最小、整数比 u：v：t：w 放在方括号uvtw，不加逗号，负号记在上方 。,晶向族与晶面族,同一族的晶向或晶面也具有等同的效果；,三个水平方向具有等同的效果，指数的交换只能在他们之间进行，Z轴只能改变符号 ；,改变符号时，前三项要满足pqr0的相关性要求。,四、其他晶体学概念,2.晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(
8、原子)数。,1.晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。,4.晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。,晶面间的距离越大，晶面上的原子排列越密集。 同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间的间距也相同。 不同晶面族的晶面间距也不相同。,1.2 化学键与晶体类型,离子键与离子晶体- 正负电荷之间的静电引力、1A族(Li,Na,K,Rb,Cs)和7A族(F,Cl,Br,I)，特点：结构稳定，结合能较大，导电性差、熔点高、硬度高、膨胀系数小，大多数离子晶体对可见光是透明的，但在红外区域有一个特征吸收峰。 共价键与原子晶体-一对原子共有的电子结构，4A-6A族,(C,Si,Ge,Sn)；其
9、导电性很弱，一般属于结缘体或半导体 金属键与金属晶体-电子为晶体共有，原子间结合较强，具有导电、导热和高延展性，熔点较高 范德华力与分子晶体-分子间的作用力，作用力在0.2-0.5nm，一般不具有方向性和饱和性。,1.3 晶体结构,结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。常见结构：,体心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密堆六方 cph Close-packed hexagonal,1.3 晶体结构,一、元素的晶体结构-分为三类：第一类金属晶体结构(fcc,b
10、cc, cph)；第三类非金属共价键，链状(I)、层状(Te)、网状(As);第二类结构,1、面心立方,原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心,面心立方中原子排列,在面心立方晶格中密排面为111，密排方向为,2、体心立方,原子位置 立方体的八个顶角和体心,体心立方中原子排列,在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为,3、密堆六方,原子位置 12个顶角、上下底心和体内3处,4、面心立方和密堆六方的原子堆垛,原子的密排面的形式：在平面上每个原子与六个原子相切。,hcp中为(0001)面，按 ABABABABAB-方式堆垛,Fcc中为111面， 按 ABCABCABCABC-方式堆垛,NaCl型
11、面心立方结构 CsCl型简单立方结构 金刚石型面心立方结构 闪锌矿结构（面心立方结构） 纤维矿结构(六方晶系) 萤石结构（面心立方结构） 钙钛结构（立方结构） 尖石结构（立方结构）,二、化合物的典型晶体结构,1.4 晶体缺陷,点缺陷-空位、间隙原子、杂质原子 线缺陷-位错 面缺陷-表面、界面和堆垛层错,1.5 导体、半导体和绝缘体,导体的电阻率：10-5-10-4 cm 半导体的电阻率： 10-5-1010 cm 绝缘体的电阻率： 1010-1022 cm 固体的能带理论可以说明三者的区别,1.5 导体、半导体和绝缘体,一、能带的形成,1.5 导体、半导体和绝缘体,二、金属的电子能带结构特点,
12、钠的能带结构示意图,1.5 导体、半导体和绝缘体,三、绝缘体和半导体的电子能带结构特点,固体材料能带特征示意图,Eg=0; Eg2eV 0Eg2 eV,1.5 导体、半导体和绝缘体,四、影响材料电导率的因素 材料的本性（原子键、原子排列以及电子结构等）； 环境温度； 材料的加工工艺过程。,1.6 功能材料的性能,一、半导体电性根据能带理论，晶体中并非所有电子或价电子参与导电，只有导带中的电子或价带顶部的空穴才能参与导电。 本征电导-导带中的电子导电或价带中空穴才导电同时存在的情况 本征半导体 杂质半导体-n型、p型,二、超导电性,1911年荷兰物理学家昂尼斯在研究极低温度下金属导电性时发现，当
13、温度降到4.2K时，汞的电阻突然降低到接近于零。“超导态” 。电阻突然变为零的温度称为超导转变温度，Tc表示。 1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部排除体外，磁感应强度为零。 R=0, B=0 是超导体的两个最基本属性,1.6 功能材料的性能,1.6 功能材料的性能,电阻率与温度关系曲线示意图,磁场对超导临界温度的影响,三、压电性和电致伸缩现象当外力作用于晶体时，发生与应力成比例的介质极化，同时在晶体两端将出现正负电荷，这种由于形变而产生的电效应，称为压电效应,压电材料及电致伸缩现象示意图,1.6 功能材料的性能,1.6 功能材料的性能,四、铁电性(在一些电介质晶体
14、中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性（ferroelectricity）),钛酸钡晶胞及偶极子示意图,1.6 功能材料的性能,电场对极化强度和偶极子排列的影响,1.6 功能材料的性能,铁电性能测试仪,1.6 功能材料的性能,五、热电效应,热电偶示意图,六 磁性能,磁化与介电材料在电场中的极化相似，当磁性材料在磁场作用下，使感生的或固有的磁偶极子排列时取向趋于一致，这种现象称为磁化。磁偶极子主要是由于原子中环绕原子核运动的电子造成的。这种电子磁矩又分为轨道磁矩和自旋磁矩。,1.6 功能材料的性能,六 磁性能,1.
15、磁矩 物体内部所有电子自旋磁矩、轨道磁矩之和为物体的磁矩。,六 磁性能,2. 磁化率和磁导率为了描述材料磁性的强弱和磁化状态，常用磁化强度M来表示，即单位体积内的总磁矩。磁化强度M和磁场强度H的比值，称为磁化率，记为。磁感应强度B与磁场强度H的比值，称为磁导率，记为。定义r=/0为相对磁导率（其中0为真空磁导率）。,六 磁性能,3. 磁性分类,磁感应强度B与磁场强度H的关系曲线示意图,六 磁性能,4. 磁化曲线,磁性材料磁滞回线示意图,六 材料的磁性能,振动样品测试仪,B-H 特性测试仪,七热学性能,1、热容1mol固体温度升高1K时所吸收的热量，单位为 J/(molK)；,金属的热容与温度关
16、系曲线,七 热学性能,2、热导率单位时间内在1K温差的1cm3正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量，单位是J/(cmsK) 或 W/mK,七 热学性能,3、热膨胀系数单位长度物体的长度随温度的变化率，单位为：1/K,七 热学性能,原子能量与平均间距示意图,键能与平均间距示意图,八 光学性能,1、材料的光学特性材料的光学性质是光与材料的相互作用而使材料所表现出的特性。其特性取决于光子与材料中的电子、激子、声子、杂质、晶体缺陷等的相互作用。,八 光学性能,2、吸收和透射,八 光学性能,3、非线性光学特性激光频率转换；电光、光折变；声光；磁光；光感应双折射；非线性光吸收。,八 光学性能,KDP晶体用于差频发生的示意图,八 光学性能,人工介电晶体（三色激光）,2006年科技进步一等奖（南京大学闵乃本）,
