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1、材料学基础材料学基础Fundamental of Materialogy南策文南策文清华大学材料系清华大学材料系Phone:73587Email:研究生课程Course for GraduatesContentSectionI:MaterialsStructuresChap.1Crystalstructure*Chap.2BeyondcrystalsChap.3NanostructuresChap.4Microstructure*SectionII:MaterialsPropertiesChap.5Materialspropertiesandbasisfortensors*Chap.6Tens
2、orandmatrixrepresentationsofproperties*SectionIII:Structure-PropertyLinkagesChap.7Generalofstructure-propertyrelationsChap.8Microstructure-propertyrelations*DiscussionsDiscussionsDiscussionsFinalExamination(open)Introduction过程过程Processing结构结构Structure性性能能 效效能能Properties结构形成过程结构形成过程“材料工艺材料工艺”中心环节中心环节
3、构件、器件的制备构件、器件的制备“材料选择材料选择”PerformancenMicroMaterialogy：MSE/MSTGoal/meansCause/effectStructurePropertiesStructure-PropertyLinkagesChap.1 Crystal structures1.晶格点阵晶格点阵LatticeIdeal crystals:Periodicity&long-range order (平移周期性和长程有序性）x1d2d3d等同格点等同格点基矢基矢元胞元胞t1t3t2(Primaryunitcell:thesmallestunit)晶胞：晶体结构基本单
4、元晶胞：晶体结构基本单元 晶体常数（点阵常数）晶体常数（点阵常数）:n（a,b,c)sizea,b,c)sizen（,)shape,)shape2.坐标系坐标系Coordinatesxyzabcxyzg ga ab b3.7类晶系类晶系(syngonies)、14种种Bravais点阵点阵SyngoniesAxes(a,b,c)Angles（,）立方立方cubica=b=ca=b=ga=b=g=900四方四方tetragonala=bc=900六方六方hexagonala=bca=ba=b=900,g g1200菱形菱形rhombohedral(三方三方triagnoal)a=b=c(a=bc
5、)a=b=ga=b=g900(a=ba=b=900,g g1200)正交正交orthorhombicabc=900单斜单斜monoclinicabc=900三斜三斜triclinicabc90014种种Bravais点阵：点阵：7种晶系可以构成多少种种晶系可以构成多少种空间点阵空间点阵？每种晶系最多可构成每种晶系最多可构成4种空间点阵：种空间点阵：简单点阵（简单点阵（P）底心点阵（底心点阵（C）体心点阵（体心点阵（I）面心点阵（面心点阵（F）4.MillerindexABC1）晶面指数晶面指数xyzn1n2n3(n1n2n3)Weiss指数指数hx+ky+lz=j(hkl)晶面晶面Miller
6、指数指数n1n2n3hkl表示法111111(1,1,1)333111(1,1,1)1001(0,0,1)1100(1,0,0)1010(0,1,0)-1110(,1,0)OOA=n1aOB=n2bOC=n3c1n1n2n3hkl(hkl)111111（111）333111（111）1001（001）1100（100）1010（010）123632（632）-11-110（10）(hkl)晶面晶面Miller指数指数hkl晶面族：等价晶面晶面族：等价晶面e.g.,100=(100)+(010)+(001)2 2）晶向指数）晶向指数xyzrr=Ux+Vy+WzuvwUVW晶向晶向Miller指数
7、指数e.g.,x-axis100y-axis010z-axis001111110晶晶向族：等价晶向向族：等价晶向e.g.,=100+010+001+100+010+001(Forcubiclattice)5.5.倒易点阵倒易点阵 Reciprocallatticea*b*d100d010M点阵：点阵：(a,b,c)M*点阵：点阵：(a*,b*,c*)正空间点阵正空间点阵M的倒易点阵，的倒易点阵，M与与M*互为倒易互为倒易M与与M*之间关系：之间关系：(1)(1)基矢关系：基矢关系：(2)(2)倒易点阵矢量：倒易点阵矢量：L 正点阵晶面，正点阵晶面，L(hklhkl)e.g.,c*(001),c
8、*=1/d001(3)(3)Volume for unit cell Volume for unit cell(4)(4)Primary cell vectors Primary cell vectors(5)dhklvs（hkl）=1=11.以以SC、FCC为例，说明晶胞和原胞的异同。为例，说明晶胞和原胞的异同。2.分别给出立方和四方晶系的分别给出立方和四方晶系的101晶面族中所晶面族中所包含的等价晶面。包含的等价晶面。Homewrok1部分参考书（部分参考书（I）：）：1.杰罗得，固体结构（科学版）（中译本）杰罗得，固体结构（科学版）（中译本）2.俞文海，晶体物理学（科大）俞文海，晶体物理
9、学（科大）3.陈纲，晶体物理学基础（科学版）陈纲，晶体物理学基础（科学版）4.张克从，近代晶体学基础（科学版）张克从，近代晶体学基础（科学版）5.冯端，金属物理学第一卷冯端，金属物理学第一卷（科学版）（科学版）旋转对称轴旋转对称轴N-10123cos a-1-1/201a(=2p/n)1800120090060000n23461记号cosa a=(N-1)/2R(n)晶体旋转对称性晶体旋转对称性5种旋转对称：种旋转对称：1，2，3，4，6次次没有没有5次次对称和其他次对称对称和其他次对称一种晶体可以有多种旋转对称一种晶体可以有多种旋转对称对称元素对称元素：n=1,2,3,4,6(5个个)e.g
10、.,Foracubic8个独立的对称元素个独立的对称元素：n12346恒等元素恒等元素2次旋转次旋转3重轴重轴4重轴重轴6重轴重轴对称轴对称轴n12=m3=3+146=3/m反演中心反演中心镜面镜面nAnBnccosww22218001800180009002231800180012001/26002241800 18009004502261800180060030023318001200120054044234180012009003501623618001200600102461800900600可能组合：可能组合：不可能不可能6 6）3232种点群分布种点群分布国际符号国际符号/Herm
11、ann-Mauguin符号符号8 8、230 230 种空间群种空间群 space groupsspace groups点群点群：针对晶体的：针对晶体的宏观宏观对称性、对晶体外形进行操作对称性、对晶体外形进行操作空间群空间群：针对晶体的：针对晶体的微观微观结构、对微观点阵进行操作结构、对微观点阵进行操作230 230 空间群符号空间群符号=BravaisBravais点阵类型符号点阵类型符号+点群对称元素点群对称元素晶体结构的全部微观对称性晶体结构的全部微观对称性 由由 空间群给出空间群给出点阵类型点阵类型符号符号简单简单P侧心（侧心（100）A侧心（侧心（010）B侧心（侧心（001）C体心
12、体心I面心面心F菱形菱形R 空间群符号：第一位是大写空间群符号：第一位是大写 的字母的字母 （点阵类型）（点阵类型）7 7 个个 字母字母 空间群符号：第二位代表主轴方向的对称元素空间群符号：第二位代表主轴方向的对称元素 对称性对称性符号符号对称性对称性符号符号反映镜面反映镜面m对称中心对称中心1轴向滑移面轴向滑移面a,b,c旋转对称轴旋转对称轴2，3，4，6对角滑移面对角滑移面n反演轴反演轴3，4，6菱形滑移面菱形滑移面不变轴不变轴d1螺旋轴螺旋轴21,31,32,41,42,43,61,62,63,64,65晶系晶系三斜三斜主轴方向主轴方向(第第2位位)-二级轴方向二级轴方向(第第3位位)
13、-三级轴方向三级轴方向(第第4位位)-单斜单斜010-正交正交100010001四方四方001100110三方三方001100210六方六方001100210立方立方100111110 空间群符号：第空间群符号：第3 3位位/4/4位代表位代表 二级二级/三级轴方向的对称元素三级轴方向的对称元素 1.1.请总结请总结3232种晶体学点群的种晶体学点群的(大概大概)规律。规律。2.2.请详细解释下列符号的定义：请详细解释下列符号的定义：Homewrok211、晶体缺陷、晶体缺陷Crystaldefects理想晶体理想晶体相对，晶体缺陷相对，晶体缺陷绝对绝对e.g.,RubyCr-dopedAl2
14、O3B-dopedSi:p-typesemiconductorP-dopedSi:n-typesemiconductor1)缺陷分类：缺陷分类：0-d点缺陷点缺陷晶格位置缺陷晶格位置缺陷(本征本征)杂质缺陷杂质缺陷(非本征非本征)电子缺陷：电子缺陷：e/h空位空位间隙间隙1d线缺陷线缺陷(位错位错dislocation)2d面位错：界面面位错：界面/晶晶界界棱位错棱位错(刃型位错刃型位错)螺螺位错位错2)缺陷产生缺陷产生：热振动（热振动（T0K)：本征本征杂质引入：非本征杂质引入：非本征外界条件外界条件(应力、射线辐照等应力、射线辐照等)3）热缺陷）热缺陷(本征缺陷本征缺陷intrinsicp
15、ointdefects)TE热热起伏起伏(涨落涨落)E原子原子E平均平均原子原子脱离其平衡位置脱离其平衡位置在原来位置上产生一个在原来位置上产生一个空位空位表面位置表面位置(间隙小间隙小/结构紧凑结构紧凑)间隙位置间隙位置(结构空隙大结构空隙大)Frenkel缺陷缺陷MMVM+MiMX:MXVM+VXSchottky缺陷缺陷空位：空位：VMM原子的空位原子的空位间隙：间隙：MiM间隙原子间隙原子错位原子：错位原子：MX，XM缔合中心缔合中心:(VMVX)杂质缺陷杂质缺陷:LML杂质原子在杂质原子在M位上位上带电缺陷带电缺陷:n电子缺陷：自由电子电子缺陷：自由电子e,电子空穴电子空穴hn原子缺陷
16、：原子缺陷：VM移走移走M原子，留下它的电子原子，留下它的电子（相当于移走一个（相当于移走一个M+）VMVM+e4）点缺陷表示方法）点缺陷表示方法Kroger-Vink记号记号MX：Kroger-Vink记号记号MX：n带电缺陷带电缺陷:VX移走（移走（X原子原子+电子）电子）（相当于移走一个（相当于移走一个X-）VXVX+h总结符号规则：总结符号规则：P P缺陷种类：缺陷原子缺陷种类：缺陷原子M或或空位空位VC带带电荷电荷P 负电荷负电荷 正电荷正电荷（x 中性）中性）缺陷位置缺陷位置（i间隙）间隙）Max.C=P P 的电价的电价P上上的电价的电价（V，i的电价的电价=0）5 5）缺陷反应
17、）缺陷反应 缺陷产生缺陷产生 复合复合 化学反应化学反应A B+C B+C 缺陷反应式缺陷反应式n 质量平衡质量平衡 P Pn 电中性电中性 C：n 位置关系位置关系 P：P PPC化学反应式中的化学反应式中的“配平配平”（V的质量的质量=0=0）晶体必须保持电中性晶体必须保持电中性 S Sci=0晶体晶体 AaBbNA:NB=a:b2.非晶态非晶态Noncrystals（玻璃玻璃glass)(无序无序disordered、无定形无定形amorphous）1)1)位置（取代）无序：具有晶格的有序位置，位置（取代）无序：具有晶格的有序位置，但原子无序占据但原子无序占据无序合金无序合金 无序固溶体
18、无序固溶体有序有序无序无序Reference:R.Zallen,非晶态固体物理学非晶态固体物理学（中译本）科学版（中译本）科学版n保持了熔体的保持了熔体的“近程有序，远近程有序，远程无序程无序”n各向同性：各向同性：n介稳态介稳态 远离平衡态远离平衡态n无固定的简单化学式，玻璃组无固定的简单化学式，玻璃组成可在一定范围变化成可在一定范围变化n无固定的转变温度，转变是渐无固定的转变温度，转变是渐变的，包含有变的，包含有动力学动力学因素：冷因素：冷却速度却速度 ，Tg 无规则网络无规则网络 （无机非金属（无机非金属/有机）有机）玻璃玻璃 Zachariasen(1932)无规则网络学说无规则网络学
19、说熔体熔体固体固体快冷快冷Tg(Tg玻璃转变温度玻璃转变温度)VTTmTg熔体熔体过冷过冷熔体熔体玻璃玻璃晶体晶体 玻璃科学几个难题玻璃科学几个难题 应用：光（电应用：光（电）子，子，e.g.,e.g.,玻璃光纤玻璃光纤1977年度年度NobelPrizeinPhysics:玻璃导电与绝缘性玻璃导电与绝缘性P.W.Anderson,N.F.Mott,&无序系统中的三个典型问题无序系统中的三个典型问题现象现象普通固体普通固体非晶态固体非晶态固体现状现状刚性与流动性刚性与流动性熔化过程熔化过程玻璃转变玻璃转变谜谜导电与绝缘导电与绝缘M-I转变转变定域化定域化解决得不坏？解决得不坏？磁性磁性铁磁铁磁
20、-反铁磁性反铁磁性Spinglass困扰困扰结构问题：关键费解的问题。基本点结构问题：关键费解的问题。基本点“近程有序，远程无序近程有序，远程无序”“中程中程”？Chap.3纳米结构纳米结构Nanostructures1.发展历史发展历史1nm=10-3m mm，纯尺度的概念纯尺度的概念n古铜镜古铜镜铜的表面上镀了一层纳米铜的表面上镀了一层纳米SnO2彩色玻璃彩色玻璃掺入纳米掺入纳米Au,Ag胶粒胶粒n1960s，纳米金属膜，纳米金属膜，e.g.,Fe/SiO2红外吸收红外吸收Refs：张立德，纳米材料和纳米结构，科学版张立德，纳米材料和纳米结构，科学版2001张志琨，纳米材料和纳米技术，国防
21、版张志琨，纳米材料和纳米技术，国防版20012.2.纳米结构种类纳米结构种类0d:cluster团簇团簇C60、量子点量子点quantumdots（10nm)、纳米颗粒纳米颗粒1d:nanotubes,nanowires(quantumwires),nanorods,nanobelts,nanofibers2d:superlattice(quantumwell),thinfilms,multilayers3d:nanocystals,nano-composites,nano-devices特征：特征：至少有一个方向的尺度是纳米范围：至少有一个方向的尺度是纳米范围：1-100nm纳米效应：纳米效应：Homework 31、FeO（NaCl型结构）具有型结构）具有O2-的的FCC结构而结构而Fe2+位于所有位于所有的八面体空隙中，已知的八面体空隙中，已知rFe2+=0.074nm,rO2-=0.14nma.求晶格常数求晶格常数ab.FeO的空间堆积率的空间堆积率c.FeO的密度的密度d.FeO的实际密度为的实际密度为5.6g/cm3。FeO1-x造成了实际密度小造成了实际密度小于理论密度，试求缺陷密度。于理论密度，试求缺陷密度。