非晶态与准晶材料说课材料.ppt

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1、非晶态与准晶材料一.非晶态材料的结构1有序态和无序态根据组成物质的原子模型，自然界中物质状态分为有序结构和无序结构两大类。晶体——有序结构，晶体的阵点构成有规则的三维周期点阵，具有平移对称性。特点：长程有序，短程有序。6.1非晶态材料气体、液体——无序结构气体特点：长程无序，短程无序。液体特点：长程无序，短程有序。非晶：介于晶体和液体之间有序度的一种聚集态。它不像晶态物质在三维空间具有周期性和平移对称性，非晶是长程无序的。但由于原子间的相互关联作用，使每个原子在几纳米-几十纳米内，与邻近原子在化学键长

2、、键角与晶体相似，称为类晶区，因此非晶具有短程有序的特点。非晶态材料不同于液体，类晶区不能移动，没有流动性。这样的材料成为非晶态材料2非晶态材料的基本定义特点：长程无序，短程有序。非晶态固体中的无序并不是绝对的“混乱”，而是破坏了有序系统的某些对称性，形成了一种有缺陷、不完整的短程有序。非晶晶体3比较气态、液态、非晶态、晶态中原子分布原子径向分布函数：设非晶态固体由一种原子构成，以某原子中心作为原点，在r→r+dr球壳内的平均原子数为：RDF(r):原子径向分布函数p(r):离原点r处的原子的平均数值

3、密度p0：单位体积中原子的平均个数，即平均数值密度非晶态材料中的原子分布不像晶体材料有规律，径向分布函数RDF(r)沿抛物线4πr2p0发生震荡，震荡的幅度随r的增大而迅速减小（红线）。p0：平均数值密度p(r):离原点r处的平均数值密度g(r):离原点r处原子出现的几率气体短程无序，长程无序晶体短程有序，长程有序液体非晶可以看出，非晶态的分布函数与完全无序分布的气态和长程有序的晶态的分布函数差别很大，与液态相似。这说明非晶态在结构上与液态相似，原子排列是短程有序的。非晶态的第一峰更尖，说明非晶态的短

4、程有序比液态更突出。从总体结构上非晶态是长程无序的，在宏观上可将其看作均匀、各向同性的。4非晶态材料在微观结构特征：(1)只存在小区间范围内的短程有序，在近程或次近邻的原子间的键合（如配位数、原子间距、键角、键长等）具有某种规律性，但没有长程序结构。(2)非晶态材料的电子衍射是漫散的中心衍射斑点。X射线衍射图上非晶没有特征峰。但由于短程有序，仍存在择优性衍射，出现非晶态馒头峰。非晶体的电子衍射花样单晶是一套排列整齐的衍射斑点，斑点分布在平行四边形网络格点上。多晶是取向不同的几套衍射斑点（晶粒变小，成环

5、），非晶没有环。(a)单晶体(b)多晶体I气体：近程无序，远程无序，在进行X射线分析时，只能得到一条近乎水平的衍射背底谱线。非晶体材料：近程有序，远程无序，由于近程原子的有序排列，在配位原子密度较高原子间距对应的2θ附近产生非晶散射峰。近程原子有序度越高，则配位原子密度较高，原子间距对应的非晶散射峰越强，且散射峰越窄。I2θ理想晶体：短程有序，长程有序，衍射谱线是布拉格方向对应的2θ处产生没有宽度的衍射线条。实际晶体：由于存在晶体缺陷等破坏晶体完整性的因素，导致衍射谱线的峰值强度降低，峰形变宽。（3）

6、非晶材料在电子显微镜下看不到晶粒间界、晶格缺陷等形成的衍衬反差。（4）任何体系的非晶态固体与其对应的晶态材料相比，都是亚稳态。当温度升高时，在某个很窄的温度区间，原子重排会发生明显的结构相变。由于目前还不能唯一并精确的确定非晶固体中原子的三维排列情况，故只能采用模型方法勾画可能的原子排布，然后将由模型得出的性质与实验比较，再据此修改模型，最终确定非晶固体的组成，并由建立的模型来讨论非晶态固体的微观结构。我们在此只介绍两种简单流行的结构模型。二.非晶态材料的结构模型1微晶模型微晶模型的基本思想是：非晶材

7、料是有非常小的“微晶”组成，大多数原子与其最近邻原子的相对位置与晶体情形完全相同，从这个角度看非晶态结构和晶态结构相似，只是晶粒尺寸只有几埃到几十埃，体现了短程有序。长程有序性消失主要是因为这些微晶取向杂乱、无规则。2硬球无规堆积模型基本思想：视原子为一直径不可压缩的钢球；球近可能紧密堆积，排列无规则；结构中不包含可以容纳一个球的间隙；球与球之间关系性很弱。硬球随即密堆时，存在五种多面体（四面体、八面体、三棱柱、阿基米德反棱柱、四方十二面体），多面体的的每个面均为近似等边三角形。这五种多面体堆积时，按

8、一定的几率出现，从而构成短程有序，长程无序的非晶态固体。(a)四面体(b)八面体(c)三棱柱（3个半八面体）(d)阿基米德反棱柱（2个半八面体）(e)四方十二面体类型数目百分比体积百分比四面体八面体三棱柱（3个半八面体）阿基米德反棱柱（2个半八面体）四方十二面体73%20.3%3.2%0.4%3.1%48.4%26.9%7.8%2.1%14.8%三.非晶态材料的制备微观结构——有序性低；热力学——非晶态的混乱度大于晶态，自由能要高，因而是一种亚稳态。制备