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1、第七章 晶体结构本讲稿第一页，共二十六页7.1晶体的特征晶体的特征晶体晶体由原子、分子、离子等微粒在空间按一定由原子、分子、离子等微粒在空间按一定规律周期性地重复排列而成的固体物质。规律周期性地重复排列而成的固体物质。7.1.17.1.1晶体的基本性质晶体的基本性质（1）整齐规则的几何外形）整齐规则的几何外形（2）各向异性的特征）各向异性的特征（3）具有固定的熔点）具有固定的熔点（4）X射线衍射效应射线衍射效应本讲稿第二页，共二十六页(2)各向异性：晶体在不同的方向上具有不同的传热、导各向异性：晶体在不同的方向上具有不同的传热、导电、强度等性质电、强度等性质(3)确定的熔点确定的熔点(4)射线
2、的衍射效应：周期性排列的晶体相当于三维光栅，射线的衍射效应：周期性排列的晶体相当于三维光栅，可使射线产生衍射效应可使射线产生衍射效应注意：同一种物质在不同的条件下既可形成晶体，也可注意：同一种物质在不同的条件下既可形成晶体，也可形成非晶体，晶体和非晶体之间并无不可逾越的鸿沟形成非晶体，晶体和非晶体之间并无不可逾越的鸿沟本讲稿第三页，共二十六页（2）晶胞）晶胞晶体的一个基本结构单元。晶体的一个基本结构单元。（3）晶胞参数）晶胞参数六面体的六面体的3条边长：条边长：a、b、cbc、ca、ab所形成的所形成的3个夹角：个夹角：、（1）晶格）晶格结点结点晶体中的微粒抽象成几何上的点。晶体中的微粒抽象成
3、几何上的点。晶格晶格结点按一定规则组成的几何图形。结点按一定规则组成的几何图形。NaCl晶格7.1.2点阵（晶格）点阵（晶格）本讲稿第四页，共二十六页（4 4）7 7 种晶系种晶系 晶 系 边 长 夹 角晶体实例立方四方正交三方六方单斜三斜a=b=ca=bcabca=b=ca=bcabcabc=900=900=900=900=900 =1200=900 900900Cu NaClSn SnO2I2 HgCl2Bi Al2O3Mg AgIS KClO3CuSO45H2O本讲稿第五页，共二十六页7.2晶体的基本类型晶体的基本类型.1.1.离子晶体离子晶体在晶格结点上交替排列着正离子在晶格结点上交替
4、排列着正离子和负离子，正、负离子之间以离子键和负离子，正、负离子之间以离子键结合而形成的晶体称为离子晶体结合而形成的晶体称为离子晶体 离子半径：正离子半径小，负离子半离子半径：正离子半径小，负离子半径大，周期表中从上到下半径增加，径大，周期表中从上到下半径增加，从左到右半径半径减小从左到右半径半径减小NaCLNaCL晶体晶体晶格能：将晶格能：将1mol1mol的离子晶体解离成自由的气态正负离子所的离子晶体解离成自由的气态正负离子所吸收的能量称为离子晶体的晶格能吸收的能量称为离子晶体的晶格能其大小反映了离子间结合力的强弱其大小反映了离子间结合力的强弱本讲稿第六页，共二十六页.原子晶体原子晶体在原
5、子晶体的晶格结点上排列着中性原在原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间以强的共价键相结合，如单质硅子，原子间以强的共价键相结合，如单质硅（Si）、金钢石（）、金钢石（C）、二氧化硅（）、二氧化硅（SiO2）、）、碳化硅（碳化硅（SiC）金刚砂、金刚石（）金刚砂、金刚石（C）和氮化）和氮化硼硼BN（立方）等。以典型原子晶体二氧化硅（立方）等。以典型原子晶体二氧化硅晶体（晶体（SiO2方石英）为例，每一个硅原子位方石英）为例，每一个硅原子位于正四面体的中心，氧原子位于正四面体的于正四面体的中心，氧原子位于正四面体的顶点，每一个氧原子和两硅原子相连。如果顶点，每一个氧原子和两硅原子相连。如果这种
6、连接向整个空间延伸，就形成了三维网这种连接向整个空间延伸，就形成了三维网状结构的巨型状结构的巨型“分子分子”。本讲稿第七页，共二十六页金刚石晶胞石英晶胞本讲稿第八页，共二十六页7.2.3分子晶体分子晶体以共价键构成的中性分子在降温凝聚时，可以通过分子间力或氢键的作用凝聚起来，形成分子晶体在分子晶体由于作用力弱，仅提供少量能量，晶体会被破坏，所以分子晶体硬度小，熔点低，挥发性大本讲稿第九页，共二十六页7.2.4 7.2.4 金属晶体金属晶体（）自由电子模型（）自由电子模型金属键的形象说法是，失去电子的金属离子浸金属键的形象说法是，失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中。在自由电子的海洋中。金属离
7、子通过吸引自由电子联系在一起，形成金属离子通过吸引自由电子联系在一起，形成金属晶体金属晶体。应用自由电子模型可以解释金属的不透明、光应用自由电子模型可以解释金属的不透明、光泽、导电、传热、延展性等泽、导电、传热、延展性等本讲稿第十页，共二十六页自由电子自由电子+金属离子金属离子金属原子金属原子位错位错+本讲稿第十一页，共二十六页（）能带理论（）能带理论理论要点：理论要点：电子是离域的电子是离域的所有电子属于金属晶体，或说为整个金属大所有电子属于金属晶体，或说为整个金属大分子所共有，不再属于哪个原子。我们称电分子所共有，不再属于哪个原子。我们称电子是离域的子是离域的。组成金属能带组成金属能带(E
8、nergyBand）Na有分子轨道有分子轨道3s3s 3s 3s*也可以写成也可以写成3s3s 3s 3s*本讲稿第十二页，共二十六页Na晶体中，晶体中，n个个3s轨道组成轨道组成n条分子轨道。这条分子轨道。这n条分条分子轨道之间能量差小，电子跃迁所需能量小。这些能量相近的子轨道之间能量差小，电子跃迁所需能量小。这些能量相近的能级组成能带。能级组成能带。能带的能量范围很宽，有时可达数百能带的能量范围很宽，有时可达数百kJmol1。Na的的n个个3s轨道，形成轨道，形成n个个Na金属的分子轨道金属的分子轨道3s能带。能带。.能带如下图所示能带如下图所示本讲稿第十三页，共二十六页满带满带导带和空带
9、导带和空带以以Li为例，为例，1s22s12p01s轨道充满电子，故组成的能带充满电子，称为满带。轨道充满电子，故组成的能带充满电子，称为满带。2s轨道电子半充满，组成的能带电子也半满，称为导带。轨道电子半充满，组成的能带电子也半满，称为导带。2p能带中无电子，称为空带。能带中无电子，称为空带。从满带顶到导带底从满带顶到导带底(或空带底或空带底)的能量间隔很大，电子跃的能量间隔很大，电子跃迁困难。迁困难。这个能量间隔称为禁带。这个能量间隔称为禁带。本讲稿第十四页，共二十六页能带重叠能带重叠相邻近的能带，有时可以重叠。相邻近的能带，有时可以重叠。即能即能量范围有交叉。量范围有交叉。如如Be的的2
10、s能带和能带和2p能带，可以部分重叠能带，可以部分重叠。Be的的2s能带是满带，通过重叠电子可以能带是满带，通过重叠电子可以跃迁到跃迁到2p空带中去。空带中去。3n个个2pn个个2sn个个1s3n个个2pn个个2s本讲稿第十五页，共二十六页7.2.5混合键型晶体混合键型晶体链状晶体链状晶体硅酸盐晶体硅酸盐晶体层状晶体层状晶体石墨石墨本讲稿第十六页，共二十六页7.3 7.3 单质的晶体结构及其物理性质的周期性单质的晶体结构及其物理性质的周期性7.3.1周期系中元素单质的晶体类型周期系中元素单质的晶体类型同一周期从左到右，元素单质由典型的金属晶体，同一周期从左到右，元素单质由典型的金属晶体，经原子
11、晶体或层状，链状过渡型晶体逐渐变化到分经原子晶体或层状，链状过渡型晶体逐渐变化到分子晶体子晶体s s区区d d区、区、dsds区区p p区区AA、AAp p区区AAAA、0 0族族金属晶体金属晶体 原子晶体原子晶体 过渡性晶体过渡性晶体 分子晶体分子晶体本讲稿第十七页，共二十六页单质的晶体结构无定型石墨（层状结构晶体）层间原子以sp2杂化分别与相邻原子形成三个键，键角1200。形成正六边形，每个原子还有一个轨道，垂直于平面，形成离域的大键本讲稿第十八页，共二十六页金刚石结构（已介绍）球结构 C60C70C60由个原子经个正五边形和个正六边形构成的面体原子簇，表面和内腔有离域的大键本讲稿第十九页
12、，共二十六页7.3.2单质的物理性质单质的物理性质1 1）密度）密度 同同周周期期，从从左左到到右右元元素素单单质质的的密密度度按按由由小小到到大大再再变变小小的的规规律律递递变变。锇锇的密度最大的密度最大=22.48g=22.48gcmcm-3-32 2）熔点、硬度）熔点、硬度总总趋趋势势：从从左左到到右右，按按低低高高低低的的变变化化规规律律递递变变溶溶点点最最高高的的元素，金刚石（元素，金刚石（35503550）3 3）导电性）导电性金金属属元元素素的的单单质质具具有有金金属属晶晶体体结结构构，都都是是导导体体，以以分分子子晶晶体体形形成成的的非非金金属属单单质质是是绝绝缘缘体体；在在P
13、 P区区对对角角线线附附近近的的元元素素单单质质多多为为半半导导体体性性质质.导导电电性最好的金属元素：性最好的金属元素：AgAg，CuCu，Au(Au(金金)本讲稿第二十页，共二十六页7.47.4晶体缺陷晶体缺陷(crystal defect)(crystal defect)7.4.17.4.1晶体缺陷类型晶体缺陷类型晶晶体体是是内内部部微微粒粒作作有有规规则则排排列列构构成成的的固固体体。在在实实际际晶晶体体中中大大都都存存在在着着结结构构上上的的缺缺陷陷，致致使使实实际际晶晶体体偏偏离离了了理理想想晶晶体体，材材料的一些性能与晶体缺陷密切相关。料的一些性能与晶体缺陷密切相关。本讲稿第二十
14、一页，共二十六页7.4.1晶体缺陷的种类晶体缺陷的种类按几何形式分：按几何形式分：（1 1）点缺陷：晶体中的某些离子（或原子）从晶格结点上位）点缺陷：晶体中的某些离子（或原子）从晶格结点上位移产生空位，或有外来杂质离子（或原子）取代原有的离子移产生空位，或有外来杂质离子（或原子）取代原有的离子或晶格间隙位置上存在间隙离子（或原子）。或晶格间隙位置上存在间隙离子（或原子）。（2 2）线缺陷：晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移导致晶）线缺陷：晶体内部质点排列变形，原子行列间相互滑移导致晶体的空间点阵不再符合理想晶体的有秩序排列。体的空间点阵不再符合理想晶体的有秩序排列。（3 3）面缺陷和体缺
15、陷：）面缺陷和体缺陷：面缺陷是晶体中原子或离子在一个交界的两侧面缺陷是晶体中原子或离子在一个交界的两侧出现不同的排列；出现不同的排列；体缺陷是由于晶体中存在着空洞、沉淀或杂质包裹物等。体缺陷是由于晶体中存在着空洞、沉淀或杂质包裹物等。本讲稿第二十二页，共二十六页本讲稿第二十三页，共二十六页 （1 1）本征缺陷）本征缺陷（2 2）杂质缺陷）杂质缺陷按形成和结构分：按形成和结构分：本讲稿第二十四页，共二十六页7.4.27.4.2杂质缺陷与信息材料杂质缺陷与信息材料（1 1）P P型半导体：单晶硅中掺入型半导体：单晶硅中掺入B B、GaGa等等（2 2）N N型半导体：单晶硅中掺入型半导体：单晶硅中掺入AsAs、P P、SbSb等等本讲稿第二十五页，共二十六页7.5 液晶 液晶是指受热溶化后呈现的浑浊中间态，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性的一类化合物。主要应用领域：彩色显示本讲稿第二十六页，共二十六页