无机材料科学基础第二章晶体结构

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1、第二章晶体结构第一章内容回顾：晶体外形的几何特征—对称性；晶体内部质点规则排列的物理原因。第二章内容：介绍常见的晶体结构，初步揭示结构与性能的基本关系。X射线衍射的应用：1912年可以直接测量晶体内部结与利用其他方法所测得的性能结合使研究晶体结构与性能之间相互关系成为可能。描述晶体结构的三种方法：①用坐标系的方法，即给出单位晶胞中各个质点的空间坐标。这种方法描述晶体结构是最规范的。②用球体紧密堆积的方法，这对于金属晶体和一些离子晶体很有用。这种描述方法很直观。③用配位多面体及其连接方式描述晶体结构，适用于结构比较复杂的晶体。

2、这种描述方法，有利于认识和理解晶体结构。§2-1典型结构类型一、金刚石结构晶体结构为立方晶系Fd3m，a0=0.356nm晶胞图（001）面投影图多面体图每个碳周围都有4个碳，碳原子之间形成共价键。7752502575金刚石结构与性能间关系金刚石是目前所知的硬度最高的材料，导热性极好，还具有半导体性能。硅、锗、灰锡和立方氮化硼都具有金刚石结构。C原子以sp3杂化共价键结合具有很高的硬度具有半导体性共价键结合（结构）C原子很轻（组成）具有高的热导率二、石墨结构晶体结构为六方晶系，a0=0.146nm，c0=0.670nm每个碳

3、周围都有3个碳，碳原子成层排列。层内的碳原子之间为共价键，层间为分子键。石墨结构与性能的关系石墨硬度低，熔点高，有滑腻感，导电性能良好。C原子层间弱分子键结合石墨硬度低，有滑腻感C原子层内以共价键结合熔点高C原子层内以共价键结合导电性能良好金刚石和石墨比较：组成相同结构不同性质差异也很大。化学组成相同的物质在不同的热力学条件下结晶成结构不同的晶体的象。同质多晶：“结构决定物质的性质”热力学条件:温度;压力三、典型化合物结构质点的空间坐标：Cl-:000Cs+:1/21/21/2Cl-离子作简立方堆积，Cs+填充全部的立方体。

4、CsCl型晶体结构1、AX型晶体结构∵r+/r-=0.174/0.181=0.96（在0.732～1之间）∴Cs+的配位数为8；∵S=1/8Z-=1=1/8×8∴Cl-的配位数为8。Cl-的电价饱和。在一个CsCl晶胞中：Cl-数目=1/8×8=1Cs+数目=1∴晶胞中的“分子”数：Z=1。具有这类结构的化合物还有：CsBr、TlCl、NH4Cl等。NaCl型结构质点的空间坐标：Cl-:000，½½0，½0½，0½½Na+:00½，½00，0½0，½½½Cl-作立方密堆积，Na+填充在全部的八面体空隙中。Cl-数目=1/8×

5、8+1/2×6=4Na+数目=1/4×12+1=4∴晶胞中的“分子”数：Z=4。这类结构的化合物：MgO、CaO、SrO、MnO、FeO、NiO等。八面体共边联结晶胞中离子以及分子数目计算质点数目=1*晶胞体内质点数目+1/2*晶胞面上质点数目+1/8*晶胞角顶质点数目原因是:面上与角顶上的质点有共用r+/r-在0.414～0.732之间理论上Zn2+的配位数6，实际Zn2+配位数降为4S2-的配位也是4。立方ZnS型结构质点的空间坐标：S2-:000,½½0，½0½，0½½Zn2+1/41/43/4,1/43/41/43/

6、41/41/4,3/43/43/4S2-做立方密堆积，Zn2+填半数的四面体空隙。Z=4。[ZnS₄]四面体以同向“一坐三”的方式在空间中堆积。闪锌矿结构的晶体有：β-SiC、GaAs、AlP等。如何写出质点在晶胞中的坐标先在直角坐标系中投影根据三个投影写出坐标检查坐标与投影之间的一直性ZnS六方ZnS（纤锌矿）型结构Zn2+的配位数为4，形成[ZnS₄]四面体。S2-的配位数也是4。结构中S2-作六方密堆积，Zn2+填入1/2的四面空隙中。结构中Z=22/31/3[ZnS₄]四面体以反向“一坐三”的方式空间中堆积。纤锌矿结

7、构的晶体有：BeO、AlN等。r+/r-=0.85，Ca2+的配位数为8，根据电价规则F-的配位数为42、AX₂型晶体结构CaF2(萤石)型结构反萤石结构Ca2+面立方密堆积，F-填充全部的四面体空隙。F-做简立方堆积，Ca2+填充了半数立方体空隙。结构中空隙较大。一个晶胞Z=4萤石结构的晶体：BaF2、PbF2、CeO2、UO2、低温ZrO2反萤石结构：碱金属氧化物：Li2O、Na2O、K2O、Rb2O等的结构与萤石结构相同，只是阴、阳离子的位置完全互换，Li+、Na+、K+、Rb+等占据F-的位置，而O2-占据Ca2+的

8、位置。反同形体：结构相同只是阴阳离子的位置颠倒的晶体。r+/r-=0.44，在0.414～0.732的范围，Ti4+的配位数为6，形成[TiO₆]八面体。O2-的配位数3。TiO2(金红石)型结构结构中O2-近似于六方密堆，Ti4+填充½八面体空隙。晶胞占有正、负离子的数目：Ti4+的数目