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【Part 1】原子排布与晶体结构(下)
Weichky · 2025-09-05 · via Weichky's Blog

阅前必读!!!

材料科学基础系列笔记整理声明

1.2 晶体

固体材料分为:

  • 晶体
  • 非晶体amorphous/non-crystal
  • 准晶quasicrystal

自然界中绝大多数固体材料都是晶体,准晶材料主要来自人工合成,天然准晶材料迄今只发现一例。

晶体

定义:

质点在三维空间按一定规律作周期性重复排列的固体

特点:

  • 长程有序,各向异性
  • 周期性晶体排列的最基本特征

不能仅从化学成分上判断是否为晶体,不能仅从宏观上判断是否为晶体。

晶体的宏观特征

  • 自范性
  • 各向异性
  • 均匀性
  • 对称性
  • 稳定性

自范性

定义:

晶体在适宜的条件下具有自发的形成封闭的凸几何多面体外形的能力的性质,又称自限性。

原因:

晶体的生长速度在不同方向上存在差异

例子:

将明矾晶体磨成圆球,在明矾饱和溶液中浸泡生长成多面体外形

面角守恒定律

同一物质的不同晶体,在同一温度和压强下,晶面的数目、大小、形状可能有很大的差别,但对应晶面之间的夹角是恒定的。

凸多面体的晶面数(F)、晶棱数(E)和顶点数(V)的关系符合欧拉定理:

$$ F+V=E+2 $$

各向异性

定义:

同一晶体在不同方向上所测得的性质可能存在差异的特性

原因:

晶体内部质点在各个方向上的我有序排列

气体、液体、无定形体不具有各向异性

多晶体存在伪各向同性

均匀性

定义:

同一晶体在任一部位上都具有相同的物理和化学性质的特性

晶体的均匀性只可能在宏观观察中表现出来,它是晶胞重复排列的结果。宏观看起来,晶体是连续的、均匀的;从微观来看,晶体内部结构就是不连续、粒性的、非均匀的。

Q:各向异性和均匀性如何表现在同一晶体上?

以电导率为例说明这个问题:

  • 在晶体的每一点上按不同方向测量,电导率除某些符合对称性方向外都是不同的;
  • 在晶体的任一点按相同方向测量的电导率都相同

即:晶体的各向异性均匀的在晶体的各点上表现出来。

对称性

定义:

晶体的物理、化学性质能够在不同方向或位置上有规律的重复出现的性质

这块儿其实比较复杂,就直接上结论了。

由于三维周期性的制约,晶体中旋转对称轴次只能有1、2、3、4、6

  • 晶体结构可能具有的对称动作群有230种,称为晶体学空间群
  • 与晶体理想外形、宏观物理性质对应的对称类型有32种,称为晶体学点群
  • 与晶体衍射对称类型对应的有11种,称为劳厄群
  • 根据晶体的晶系特征对称元素,将晶体划分为7个晶系

稳定性

定义:

晶体具有最小的内能和最大的稳定性

晶体具有固定的熔点

晶体与非晶

多晶体的物理性质不仅取决于单晶体的结构和性质,而且与晶粒的形状、大小、取向、边界等因素有关。

等轴晶:

每个核心在各个方向上的生长条件接近,最终得到的晶粒在空间三维方向上的尺度相当

在进行粉末XRD时,晶体展现出明锐线条,而非晶展现出漫峰

晶体结构

构成实际晶体的微粒/结构基元的具体排列方式称为晶体结构或晶体点阵

由阵点在三维空间种构成的无限阵列称为空间点阵Space Lattice,也称为空间格子。

空间点阵的主要特征:

  • 所有阵点都是等同点(尤其指处于相同的周围环境)
  • 阵点的排列具有周期性(平移对称性:连接任意两阵点形成的点阵矢量,按此矢量进行平移,均能使点阵复原

$$ 晶体结构=结构基元+空间点阵 $$

晶格与晶胞

晶格

定义:

把空间点阵中的阵点用假象的三组不共线的直线连接起来所构成的空间格架称为晶格
  • 连接空间点阵中任意两个阵点构成的矢量称为点阵矢量
  • 每个方向上连接相邻阵点的矢量称为该方向的基矢(单位矢量
  • 基矢长度称为该基矢方向上晶体的周期

同一晶体不同方向的周期不一定相同。

晶胞

定义:

晶胞(Cell)是指从晶格中取出的、能完全反应晶体特征(周期性和对称性)的最小几何单元(平行六面体)
  • 晶胞在三维空间的重复堆垛即构成空间点阵
  • 研究晶体的空间点阵只需研究它们的晶胞

晶胞参数

晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示,称为晶胞参数,又称晶格参数点阵参数

  • 3条棱边长度a、b、c
  • 3条棱边两两夹角$\alpha、\beta、\gamma$

晶轴的概念:

以晶胞角上的某一阵点为原点,以过原点的三个棱边为坐标轴x、y、z

同一空间点阵可因选取晶胞的方式不同而得出不同的晶胞,但不是所有随意选取的晶胞都能反应晶系空间点阵的性质

晶胞的选取

既要考虑周期性,又有考虑宏观对称性。

要求所选取的平行六面体

  1. 能代表整个空间点阵的周期性和对称性
  2. 相等的棱和角数目最多
  3. 棱间的直角最多
  4. 在满足上述条件下,晶胞应具有最小的体积

晶胞具有两种类型:

  • 点阵晶胞:仅反应点阵的周期性,体积最小,但不一定反应对称性,也称为固体物理学原胞(Primitive Cell),一定是平行六面体
  • 结构晶胞:具有对称性的最小重复单元,但不一定是最小体积,通常为平行六面体,个别为六方柱体

另一种分类:

  • 简单晶胞:是晶体微观空间中的最小单位,不可能再小
  • 复合晶胞

布拉菲点阵

按照空间点阵中“每个阵点周围环境相同”的要求,把空间点阵所有可能的对称类型进行了数学推导,得到了14种不同的空间点阵类型,称为布拉菲点阵(Bravais Lattices)

根据晶格参数之间关系的不同,把14种空间点阵划分为7类,即7个晶系

  • 晶系的划分依据是晶体外形的对称,即宏观对称性
  • 布拉菲点阵的划分依据是晶体内部结构基元排列的对称性,即微观对称性

布拉菲点阵与晶系的关系

布拉菲点阵与晶系的关系