第二章晶体结构与常见晶体结构类型第四讲

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时间:2018-07-29

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1、3.立方ZnS(闪锌矿,zincblende)型结构闪锌矿属于立方晶系,点群3m,空间群F3m,其结构与金刚石结构相似,如图2-17所示。结构中S2-离子作面心立方堆积,Zn2+离子交错地填充于8个小立方体的体心,即占据四面体空隙的1/2,正负离子的配位数均为4。一个晶胞中有4个ZnS“分子”。整个结构由Zn2+和S2-离子各一套面心立方格子沿体对角线方向位移1/4体对角线长度穿插而成。由于Zn2+离子具有18电子构型,S2-离子又易于变形,因此,Zn-S键带有相当程度的共价键性质。常见闪锌矿型结构有

2、Be,Cd,Hg等的硫化物,硒化物和碲化物以及CuCl及-SiC等。图2-17闪锌矿结构(a)晶胞结构(c)[ZnS4]分布及连接(b)(001)面上的投影4.六方ZnS(纤锌矿,wurtzite)型结构及热释电性(1)结构解析纤锌矿属于六方晶系,点群6mm,空间群P63mc,晶胞结构如图2-18所示。结构中S2-作六方最紧密堆积,Zn2+占据四面体空隙的1/2,Zn2+和S2-离子的配位数均为4。六方柱晶胞中ZnS的“分子数”为6,平行六面体晶胞中,晶胞分子数为2。结构由Zn2+和S2-离子各一套

3、六方格子穿插而成。常见纤锌矿结构的晶体有BeO、ZnO、CdS、GaAs等晶体。图2-18纤锌矿结构六方柱晶胞和平行六面体晶胞(2)纤锌矿结构与热释电性及声电效应某些纤锌矿型结构,由于其结构中无对称中心存在,使得晶体具有热释电性,可产生声电效应。热释电性是指某些象六方ZnS的晶体,由于加热使整个晶体温度变化,结果在与该晶体c轴平行方向的一端出现正电荷,在相反的一端出现负电荷的性质。晶体的热释电性与晶体内部的自发极化有关。实际上,这种晶体在常温常压下就存在自发极化,只是这种效应被附着于晶体表面的自由表面

4、电荷所掩盖,只有当晶体加热时才表现出来,故得其名。热释电晶体可以用来作红外探测器。纤锌矿型结构的晶体,如ZnS、CdS、GaAs等和其它II与IV族,III与V族化合物,制成半导体器件,可以用来放大超声波。这样的半导体材料具有声电效应。通过半导体进行声电相互转换的现象称为声电效应。二、AX2型结构AX2型结构主要有萤石(CaF2,fluorite)型,金红石(TiO2,rutile)型和方石英(SiO2,-cristobalite)型结构。其中CaF2为激光基质材料,在玻璃工业中常作为助熔剂和晶核剂

5、,在水泥工业中常用作矿化剂。TiO2为集成光学棱镜材料,SiO2为光学材料和压电材料。AX2型结构中还有一种层型的CdI2和CdCl2型结构,这种材料可作固体润滑剂。AX2型晶体也具有按r+/r-选取结构类型的倾向,见表2-7。表2-7AX2型结构类型与r+/r-的关系立方晶系,点群m3m,空间群Fm3m,如图2-19所示。Ca2+位于立方晶胞的顶点及面心位置,形成面心立方堆积,F-填充在八个小立方体的体心。Ca2+的配位数是8,形成立方配位多面体[CaF8]。F-的配位数是4,形成[FCa4]四面体

6、,F-占据Ca2+离子堆积形成的四面体空隙的100%。或F-作简单立方堆积,Ca2+占据立方体空隙的一半。晶胞分子数为4。由一套Ca2+离子的面心立方格子和2套F-离子的面心立方格子相互穿插而成。1.萤石(CaF2)型结构及反萤石型结构图2-19萤石型结构(a)晶胞结构图(b)[CaF8]立方体及其连接(c)[FCa4]四面体及其连接CaF2与NaCl的性质对比:F-半径比Cl-小,Ca2+半径比Na+稍大,综合电价和半径两因素,萤石中质点间的键力比NaCl中的键力强,反映在性质上,萤石的硬度为莫氏4

7、级,熔点1410℃,密度3.18,水中溶解度0.002;而NaCl熔点808℃,密度2.16,水中溶解度35.7。萤石结构的解理性:由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca2+填充,所以,在{111}面网方向上存在着相互毗邻的同号离子层,其静电斥力将起主要作用,导致晶体在平行于{111}面网的方向上易发生解理,因此萤石常呈八面体解理。结构-性能关系常见萤石型结构的晶体是一些四价离子M4+的氧化物MO2,如ThO2,CeO2,UO2,ZrO2(变形较大)等。碱金属元素的氧化物R2O,硫化物R2S,硒化

8、物R2Se,碲化物R2Te等A2X型化合物为反萤石型结构,它们的正负离子位置刚好与萤石结构中的相反,即碱金属离子占据F-离子的位置,O2-或其它负离子占据Ca2+的位置。这种正负离子位置颠倒的结构,叫做反同形体。2.金红石(TiO2)型结构金红石属于四方晶系,点群4/mmm,空间群P4/mnm,其结构如图2-20所示。结构中O2-离子作变形的六方最紧密堆积,Ti4+离子在晶胞顶点及体心位置,O2-离子在晶胞上下底面的面对角线方向各有2个,在晶胞半高的另一

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