《晶態(tài)和非晶態(tài)材料》PPT課件

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1、第二章晶態(tài)和非晶態(tài)材料的特性固體晶體非晶體晶體和非晶體都是真實(shí)的固體，具有固態(tài)的基本屬性。相對(duì)于氣態(tài)、液態(tài)分子的長(zhǎng)程平移，其中的原子則只處在完全確定的平衡位置附近作振動(dòng)。固體的宏觀性質(zhì)就是這些大量的粒子之間相互作用和集體運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。氣態(tài)液態(tài)固態(tài)T(K)TbTfTgV(dm3)12氣體液體晶體非晶體Tb–沸點(diǎn)Tf–凝固點(diǎn)Tg–玻璃化溫度1.連續(xù)的固化到非晶態(tài)固體——緩慢降溫；2.不連續(xù)的固化到晶態(tài)固體——快速降溫；2.1晶體特征及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶體以其特有的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的特殊性，呈現(xiàn)出與其它物質(zhì)（氣、液、非晶態(tài)）完全不同的特殊性質(zhì)。1.晶體的均勻性晶體結(jié)構(gòu)是由相同晶胞周期的

2、并置而成。從宏觀上來(lái)說(shuō)，晶體的性質(zhì)是一個(gè)連續(xù)的整體，并不隨觀察的位置而改變。如：相同的密度、化學(xué)組成2.晶體的各向異性在晶體中不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)，即為各向異性。主要是由于晶體內(nèi)的粒子在不同方向上排列、取向不同導(dǎo)致的。例如，在不同的方向具有不同的電導(dǎo)率、膨脹系數(shù)、折光率、機(jī)械強(qiáng)度等。3.晶體的自范性晶體物質(zhì)在適宜的外界條件下能自發(fā)的生長(zhǎng)出由晶面，晶棱等幾何元素所圍成的凸多面體外形來(lái)，晶體的這一性質(zhì)即為晶體的自范性。在理想的環(huán)境中，晶體可以生長(zhǎng)成凸多面體，凸多面體的晶面數(shù)(F)，晶棱數(shù)(E)和頂點(diǎn)數(shù)(V)之間的關(guān)系符合下面公式：F+V=E+2即：面數(shù)+頂點(diǎn)

3、數(shù)=晶棱數(shù)+2若對(duì)各相應(yīng)的晶面分別引法線，則每?jī)蓷l法線之間夾角稱作晶面交角，它也必為一常數(shù)。這一規(guī)律叫做“晶面夾角（或交角）守恒定律”------1669年由斯特諾（N.Steno）首先提出。玻璃體不會(huì)自發(fā)的形成多面體外形，當(dāng)一塊玻璃冷卻時(shí)，隨著溫度降低，粘度變大，流動(dòng)性變小，固化成表面圓滑的無(wú)定形體，與晶體的有棱、有頂角、有平面的性質(zhì)完全不同。4.晶體的熔點(diǎn)晶體具有周期性結(jié)構(gòu)，各個(gè)部分都按同一方式排列，當(dāng)溫度升高，熱震動(dòng)加劇，晶體開(kāi)始熔化時(shí)，各部分需要同樣的溫度，因而晶體具有一定的熔點(diǎn)。TtTt非晶態(tài)晶態(tài)5.晶體的對(duì)稱性晶體的理想外形和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對(duì)

4、稱性。其主要是由于晶體組成微粒的規(guī)則排列而產(chǎn)生的。事實(shí)上，晶體的對(duì)稱性與晶體的性質(zhì)關(guān)系非常密切。2.2晶體學(xué)點(diǎn)群和晶體的性質(zhì)盡管自然界中晶體的外形是多種多樣變化無(wú)窮的，而就其對(duì)稱性來(lái)看卻并不超出32種點(diǎn)群代表的宏觀對(duì)稱類(lèi)型。由于晶體的物理性質(zhì)由晶體對(duì)稱性決定，而且也只決定于它的點(diǎn)群的對(duì)稱性，所以對(duì)晶體學(xué)點(diǎn)群的研究十分重要。2.2.1晶體學(xué)點(diǎn)群的分類(lèi)晶體學(xué)點(diǎn)群可分為兩類(lèi)，即11個(gè)純旋轉(zhuǎn)操作點(diǎn)群或只含第I類(lèi)操作的點(diǎn)群以及21個(gè)非純旋轉(zhuǎn)群或含第II類(lèi)操作的點(diǎn)群。其中純旋轉(zhuǎn)點(diǎn)群又可分為循環(huán)群（只具有1個(gè)n次軸的點(diǎn)群）、雙面群（具有一個(gè)n次軸和n個(gè)與之垂直的二次軸的點(diǎn)群）和

5、立方群（具有一個(gè)以上高次軸的點(diǎn)群）。21個(gè)非純旋轉(zhuǎn)的晶體學(xué)點(diǎn)群中包含有11個(gè)中心對(duì)稱的點(diǎn)群，這11個(gè)中心對(duì)稱點(diǎn)群也可以由11個(gè)純旋轉(zhuǎn)的、非中心對(duì)稱的晶體學(xué)點(diǎn)群在對(duì)稱軸系的中心點(diǎn)加一對(duì)稱中心而得。表2.2-1列出32個(gè)晶體學(xué)點(diǎn)群的分類(lèi)。在表中，前面兩列的點(diǎn)群分別為11個(gè)非純旋轉(zhuǎn)中心對(duì)稱的點(diǎn)群和11個(gè)純旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱中心點(diǎn)群。這11對(duì)點(diǎn)群之間只是差一個(gè)對(duì)稱中心，所以階次也正好是相差一倍。11個(gè)中心對(duì)稱的點(diǎn)群又稱為L(zhǎng)aue(勞埃)點(diǎn)群。2.2.2晶體的點(diǎn)群和晶體的物理性質(zhì)晶體的點(diǎn)群是它的各種宏觀物理性質(zhì)所共有的對(duì)稱性。換言之，晶體的點(diǎn)群是它的任意一種物理性質(zhì)對(duì)稱群的子群。一

6、種晶體的任意一種性質(zhì)的對(duì)稱群必須包括該晶體的點(diǎn)群的對(duì)稱操作。晶體對(duì)稱性的這種關(guān)系稱為Neumann定理；根據(jù)這種關(guān)系可以從晶體的物理性質(zhì)推引出有關(guān)晶體對(duì)稱性的信息，例如判斷有無(wú)對(duì)稱中心，也可以從對(duì)稱性尋找具有某種物理性能的材料以及獲得切割晶體制造晶體器件的信息。非中心對(duì)稱的晶體所屬的點(diǎn)群及其物理性質(zhì)間的相互聯(lián)系。一些重要的物理性質(zhì)僅出現(xiàn)在非中心對(duì)稱的晶體中。晶體屬于11種純旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的點(diǎn)群晶體的對(duì)映體現(xiàn)象手性和不對(duì)稱性壓電效應(yīng)和二次諧波倍頻效應(yīng)晶體屬于非中心對(duì)稱的晶體熱電效應(yīng)和鐵電效應(yīng)晶體必須是極性晶體晶體的力學(xué)性能晶體對(duì)稱性沒(méi)有直接關(guān)系晶體折光率在不同方向上的大小

7、數(shù)值，可以用折光率橢球表示。不同晶系其光學(xué)性質(zhì)有很大區(qū)別。2.3晶體結(jié)構(gòu)缺陷理想晶體的完整點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一個(gè)理論上的概念，自然界選擇的是不完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。在可能的現(xiàn)實(shí)溫度下，晶體中存在對(duì)理想晶體結(jié)構(gòu)的偏離和結(jié)構(gòu)不完整的幾種情況為：1.溫度增加時(shí)候，電子被激發(fā)到較高能級(jí)（激發(fā)態(tài)的原子或離子），電子被激發(fā)以后形成的空穴叫電子空穴，電子-電子空穴對(duì)稱為激子，所需能量為色子；2.原子缺陷包括外來(lái)原子置換正常結(jié)點(diǎn)位置的原子、填隙原子、原子空位等，主要為點(diǎn)缺陷；3.幾何尺寸的線、面或體缺陷。缺陷生成的熱力學(xué)解釋?zhuān)骸鱃=△H-T△S其中△H表明生成缺陷所需的熱焓，△S為生成缺陷過(guò)程

8、中產(chǎn)生的熵