晶體結(jié)構(gòu)與元素分布課程概述晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)晶格、晶胞與對稱性元素在晶體中的分布規(guī)律性排列與缺陷分析晶體類型及其特性第一部分：晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1晶體定義原子周期性排列的固體物質(zhì)2晶格理論空間點陣與晶胞類型3晶體對稱性平移、旋轉(zhuǎn)和鏡面對稱4晶面與晶向晶體的定義晶體內(nèi)部原子呈周期性有規(guī)則排列的物質(zhì)三維空間中具有長程有序結(jié)構(gòu)非晶體原子排列無規(guī)則僅具有短程有序性晶體的特征有序排列原子、離子或分子按特定規(guī)則排列周期性結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元在空間按規(guī)則重復(fù)各向異性晶格與晶胞晶格描述原子排列規(guī)律的空間點陣晶胞最小重復(fù)單元晶胞類型簡單、體心、面心、底心等晶胞參數(shù)晶格常數(shù)和晶胞夾角布拉維格子1立方晶系簡單立方、體心立方、面心立方2四方晶系簡單四方、體心四方3正交晶系簡單正交、體心正交、面心正交、底心正交4其他晶系單斜、三斜、六方、菱方晶體的對稱性平移對稱性沿特定方向平移不改變晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對稱性繞軸旋轉(zhuǎn)特定角度后結(jié)構(gòu)重合鏡面對稱性通過特定平面鏡像反射結(jié)構(gòu)重合反演對稱性通過中心點反演后結(jié)構(gòu)重合密勒指數(shù)定義描述晶體中晶面和晶向的坐標系統(tǒng)計算步驟確定晶面截距，取倒數(shù)，化為最簡整數(shù)比表示方法晶面用(hkl)，晶向用[hkl]應(yīng)用X射線衍射分析，晶體生長和切割方向晶面和晶向晶面表示用密勒指數(shù)(hkl)表示等效晶面用{hkl}表示晶面間距與指數(shù)成反比晶向表示用方向指數(shù)[uvw]表示等效晶向用〈uvw〉表示晶向與晶面法線不一定平行第二部分：元素在晶體中的分布金屬晶體中的元素分布BCC、FCC和HCP結(jié)構(gòu)離子晶體中的元素分布配位數(shù)與電荷平衡化合物中的元素分布化學(xué)計量比與摻雜晶體缺陷與元素分布點缺陷、線缺陷、面缺陷元素周期表回顧金屬元素導(dǎo)電性好，金屬鍵結(jié)合非金屬元素傾向于形成共價鍵或離子鍵半金屬元素具有金屬和非金屬的中間特性稀土元素特殊的電子構(gòu)型和化學(xué)性質(zhì)金屬元素的晶體結(jié)構(gòu)8BCC配位數(shù)體心立方結(jié)構(gòu)每原子有8個最近鄰12FCC配位數(shù)面心立方結(jié)構(gòu)每原子有12個最近鄰68%FCC空間利用率面心立方結(jié)構(gòu)空間填充效率74%HCP空間利用率六方密堆積結(jié)構(gòu)空間填充效率非金屬元素的晶體結(jié)構(gòu)共價晶體原子通過共價鍵連接如金剛石、石墨、硅具有高硬度或特殊電學(xué)性質(zhì)分子晶體分子間通過范德華力或氫鍵連接如冰、干冰、有機晶體熔點低，硬度小離子晶體中的元素分布六配位四配位八配位三配位其他配位配位數(shù)由離子半徑比決定，離子半徑比增大，配位數(shù)增加合金中的元素分布置換型固溶體溶質(zhì)原子替代溶劑原子位置間隙型固溶體溶質(zhì)原子位于晶格間隙有序固溶體溶質(zhì)原子在晶格中有序排列聚集體溶質(zhì)原子形成局部富集區(qū)化合物中的元素分布化學(xué)計量比元素按固定比例結(jié)合1非化學(xué)計量比元素比例存在偏差2固定位置分布元素占據(jù)特定晶格位點3無序分布元素隨機占據(jù)晶格位點4晶體缺陷與元素分布點缺陷空位、間隙原子、雜質(zhì)原子線缺陷位錯（刃位錯、螺位錯）面缺陷晶界、相界、堆垛層錯體缺陷夾雜、沉淀、氣泡元素摻雜對晶體結(jié)構(gòu)的影響晶格畸變摻雜元素導(dǎo)致晶格常數(shù)變化電子結(jié)構(gòu)變化改變能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度性能調(diào)控實現(xiàn)導(dǎo)電、磁性、光學(xué)等性能調(diào)控第三部分：晶體類型及其特性晶體按化學(xué)鍵類型可分為金屬晶體、離子晶體、共價晶體、分子晶體和原子晶體金屬晶體結(jié)構(gòu)特征正離子骨架中存在自由電子多為BCC、FCC或HCP結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)導(dǎo)電性好，有金屬光澤可塑性和延展性佳典型實例鐵、銅、鋁、金、銀等大多數(shù)合金離子晶體結(jié)構(gòu)特征正負離子交替排列，通過靜電引力結(jié)合物理性質(zhì)硬而脆，熔點高，熔融態(tài)導(dǎo)電典型實例NaCl、CaF?、MgO等共價晶體4碳原子配位數(shù)金剛石中每個碳原子與四個碳原子成鍵3石墨層內(nèi)配位石墨中每個碳原子與三個碳原子成鍵4000硬度值金剛石莫氏硬度最高，達10級分子晶體結(jié)構(gòu)特征分子作為基本單元分子間通過范德華力或氫鍵結(jié)合結(jié)合力弱物理性質(zhì)熔點低，易升華硬度小，易變形不導(dǎo)電，絕緣性好典型實例冰、干冰(CO?)萘、蔗糖多數(shù)有機晶體原子晶體石墨層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)共價鍵，層間范德華力石墨烯單層石墨，二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)富勒烯籠狀碳分子，如C??晶體的熱學(xué)性質(zhì)熱膨脹系數(shù)(10??/K)熱導(dǎo)率(W/m·K)晶體的力學(xué)性質(zhì)1硬度抵抗表面變形的能力彈性外力去除后恢復(fù)原狀的能力塑性永久變形而不斷裂的能力強度抵抗外力作用的能力晶體的電學(xué)性質(zhì)導(dǎo)體自由電子多，電阻率低半導(dǎo)體能帶間隙小，導(dǎo)電性可調(diào)絕緣體能帶間隙大，電阻率高3超導(dǎo)體低溫下電阻為零4晶體的光學(xué)性質(zhì)各向同性晶體立方晶系光線在各方向傳播速度相同單折射各向異性晶體非立方晶系光線在不同方向傳播速度不同雙折射晶體的磁學(xué)性質(zhì)1抗磁性所有電子自旋配對，被外磁場排斥2順磁性部分未配對電子，微弱吸引磁場3鐵磁性未配對電子自發(fā)排列，強烈吸引磁場第四部分：晶體結(jié)構(gòu)研究方法衍射技術(shù)X射線衍射中子衍射電子衍射顯微技術(shù)掃描電鏡透射電鏡原子力顯微鏡光譜技術(shù)拉曼光譜紅外光譜X射線熒光X射線衍射原理基于布拉格定律：nλ=2dsinθ信息獲取晶面間距、晶胞參數(shù)、晶相組成應(yīng)用晶體結(jié)構(gòu)測定、相分析、晶粒尺寸優(yōu)勢非破壞性、高精度、樣品制備簡單電子顯微鏡掃描電鏡(SEM)觀察表面形貌二次電子和背散射電子成像分辨率：1-10nm可配置能譜儀(EDS)分析元素透射電鏡(TEM)觀察內(nèi)部微結(jié)構(gòu)電子束穿透超薄樣品分辨率可達0.1nm可觀察晶格缺陷和晶格條紋原子力顯微鏡（AFM）工作原理探針與樣品表面原子間相互作用力1工作模式接觸模式、輕敲模式、非接觸模式2分辨率水平方向0.1nm，垂直方向0.01nm3優(yōu)勢三維表面成像，無需導(dǎo)電處理4中子衍射特點中子與原子核相互作用優(yōu)勢探測輕元素，區(qū)分相鄰元素穿透能力穿透深度大，可檢測體相磁結(jié)構(gòu)分析中子具有磁矩，可探測磁有序結(jié)構(gòu)同步輻射技術(shù)10?亮度倍數(shù)比常規(guī)X射線源亮度高0.1波長(?)可調(diào)波長范圍廣100納秒時間分辨率高10微米空間分辨率高第五部分：晶體生長與制備1成核階段形成晶核，克服能壘生長階段晶核長大，形成晶面成熟階段晶體形態(tài)定型，達到平衡完善階段缺陷減少，結(jié)構(gòu)優(yōu)化晶體生長的基本原理成核均質(zhì)成核：無外界晶核異質(zhì)成核：有外界晶核臨界晶核尺寸成核速率與過飽和度關(guān)系生長三種生長機制：連續(xù)生長層狀生長螺旋位錯生長生長速率與驅(qū)動力關(guān)系單晶生長方法提拉法從熔體中提拉晶種，控制轉(zhuǎn)速和提拉速度布里奇曼法坩堝在溫度梯度中移動，從一端開始結(jié)晶區(qū)域熔融法熔區(qū)在棒狀樣品中移動，不需坩堝薄膜晶體的制備物理氣相沉積蒸發(fā)、濺射、激光脈沖沉積化學(xué)氣相沉積熱分解、等離子體增強CVD液相外延溶液中生長單晶薄膜分子束外延超高真空條件下精確控制納米晶體的制備納米晶體制備方法：溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、機械球磨法晶體生長的控制因素純度控制原料純度、環(huán)境潔凈度溫度控制溫度梯度、冷卻速率壓力控制靜壓、氣氛壓力4濃度控制過飽和度、濃度梯度第六部分：晶體結(jié)構(gòu)與材料性能原子排列晶格類型決定原子間距和配位環(huán)境化學(xué)鍵鍵類型和強度影響物理化學(xué)性質(zhì)宏觀性能微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能材料設(shè)計通過調(diào)控結(jié)構(gòu)實現(xiàn)性能優(yōu)化金屬材料的強化機制固溶強化溶質(zhì)原子產(chǎn)生晶格畸變析出強化細小析出相阻礙位錯運動晶粒細化強化晶界阻礙位錯運動加工硬化塑性變形增加位錯密度陶瓷材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系硬度(GPa)熱膨脹系數(shù)(10??/K)半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)價帶被電子完全填滿的能帶常溫下電子不易移動價帶頂?shù)哪芰课恢脤?dǎo)帶電子部分填充的能帶電子可自由移動導(dǎo)帶底的能量位置禁帶價帶與導(dǎo)帶之間的能量間隙禁帶寬度決定導(dǎo)電特性Si:1.1eV,GaAs:1.4eV超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)特征銅氧化物超導(dǎo)體CuO?平面是超導(dǎo)電子傳輸通道鐵基超導(dǎo)體FeAs層是超導(dǎo)核心結(jié)構(gòu)MgB?超導(dǎo)體B原子形成蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)形狀記憶合金的晶體結(jié)構(gòu)奧氏體相高溫穩(wěn)定相，立方晶格馬氏體相變切變無擴散相變，協(xié)調(diào)變形馬氏體相低溫穩(wěn)定相，單斜或正交結(jié)構(gòu)逆馬氏體相變加熱恢復(fù)原始形狀第七部分：晶體結(jié)構(gòu)與元素分布的應(yīng)用新材料開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能預(yù)測能源技術(shù)電池材料、光伏材料電子技術(shù)半導(dǎo)體、超導(dǎo)體生物醫(yī)學(xué)藥物設(shè)計、生物材料材料設(shè)計與開發(fā)計算模擬設(shè)計密度泛函理論計算晶體穩(wěn)定性2合成制備優(yōu)化合成參數(shù)控制晶體結(jié)構(gòu)性能測試評估結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系4結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整元素分布提高材料性能催化劑設(shè)計活性位點特定晶面暴露特定原子配位構(gòu)型1擇優(yōu)取向催化活性晶面比例增加2元素摻雜調(diào)變電子結(jié)構(gòu)改變反應(yīng)路徑3表面缺陷提供高活性吸附位點4能源材料鋰離子電池材料層狀結(jié)構(gòu)有利鋰離子快速脫嵌通道尺寸影響離子遷移速率元素替代提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性燃料電池材料鈣鈦礦結(jié)構(gòu)具有高氧空位濃度氧空位提供氧離子傳輸通道摻雜元素調(diào)控離子電導(dǎo)率光電材料LED材料直接帶隙半導(dǎo)體高發(fā)光效率太陽能電池材料鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高光電轉(zhuǎn)換效率激光材料摻雜離子在晶格中分布影響光譜特性光電探測器材料能帶結(jié)構(gòu)決定光譜響應(yīng)范圍生物醫(yī)學(xué)材料70%骨組織成分羥基磷灰石晶體占骨礦物質(zhì)比例37°C體溫下穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)在體溫下保持穩(wěn)定性10-9納米尺度生物活性晶體顆粒尺寸范圍(米)智能材料壓電材料非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓電效應(yīng)磁致伸縮材料磁疇排列方向影響機械變形形狀記憶材料相變過程中晶體結(jié)構(gòu)可逆轉(zhuǎn)變光致變色材料光誘導(dǎo)晶體結(jié)構(gòu)局部重排第八部分：前沿研究與發(fā)展趨勢新型晶體材料二維材料拓撲材料高熵合金研究方法創(chuàng)新原位表征技術(shù)超快時間分辨技術(shù)人工智能輔助分析計算預(yù)測晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測高通量計算篩選材料基因組計劃二維材料的晶體結(jié)構(gòu)層間距(?)帶隙(eV)準晶體研究進展五次對稱準晶