[材料科学]晶体结构.ppt

第二章 晶体结构 2.1 晶体的特征 固体 晶 态：有固定熔点，金属、岩盐、石英、金刚石 非晶态：没有固定熔点，橡胶、塑料、玻璃、腊 晶态：长程有序（分子排列在微米量级范围是有序的。） 非晶态：无规则的，或称其为短程有序的。 2.2 结晶学原胞 晶系晶轴、晶向与晶面 晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶轴方向，固体物理学中选取的原胞，不是任意重复单元，基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。 结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞 晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice） 七个晶系，14种布拉菲原胞 简单正交 三种格子的固体物理学原胞 简立方： 只含有8×1/8=1个原子 原胞的基矢： a1=ia a2=ja a3=ka 体心立方(Body Centered Cubic) 含有8×1/8+1=2个原子 固体物理学原胞只要 求含有1个原子。 a1=–(a/2)i+(a/2)j+(a/2)k =a/2(–i+j+k) 同理： a2=a/2(i–j+k) a3=a/2(i+j–k) 体心立方固体物理学原胞体积的计算: 2.3、常见电子材料的晶体结构 1、氯化钠结构（4：4） 两个面心立方子晶格,各自的原胞具有相同 的基矢,只不过有互相的位移。 可以看出，Na+ FCC结构 固体物理学原胞： 角上放置Na+ 内部包含一个Cl- 原胞中包含一个Na+, Cl- . 原子（离子）个数： 2、氯化铯结构（8:8） Cl-和Cs+各自组成简立方结构的子晶格。 氯化铯结构是由两个简立方 的子晶格彼此沿立方空间对 角线位移1/2的长度套构而成。 固体物理学原胞是简立方， 每个原胞中包含两个原子。 固体物理学的观点：说结构，取原胞都是对布喇菲 格子而言。　　（考虑对称性） 3、金刚石结构 (Si,Ge)(4:4) 面心立方原胞内还有4 个原子，这4个原子分别 位于空间对角线的1/4处 碳四面体结构 C 一种原子，二个位置。半导体材料：锗Ge, 硅Si. 与金刚石结构相同。 金刚石结构是个复式格子，由两个面心立方子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度套构而成的。 4、闪锌矿结构(ZnS,GaAS) 硫和锌分别组成面心立方的子晶格。而沿空间对角 线位移1/4的长度套构而成。化合物半导体：锑化铟，砷化镓，磷化钼 Diamond Structure and Zinc Blend Structure 5、纤锌矿结构（六方，Wurtzite,ZnS,4:4） 6、萤石型结构（M:O=8:4,Calcium Fluorite Structure,ZrO2,CaF2） Fluorite Structure 萤石型结构。萤石型晶格结构的配位数为M：O＝8：4，正离子按面心立方密堆排列．两个负离子也按同样的面心立方点阵排列，但沿空间对角线方向，其中一组向正方向移动1／4体对角线长，另一组向反方向移动1／4体对角线良相互套构而成。空间结构中负离子的面心立方间隙的1/2为正离子所填充，或者说是负离子处于所有正离子的四面体间隙之中。在这种结构中，由于有1/2的简立方间隙未填，故结构是不够紧密的。ZrO2,正是利用这种特点，其氧离子易于在晶格中扩散ZrO2可用以制作燃料电池(fuel cells)或其他离子电导型的隔板。 补充资料：固体氧化物燃料电池材料（SOFC） 单体燃料电池主要组成部分由电解质( electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)和连接体(interconnect)组成。 电解质是电池核心，电解质性能直接决定电池工作温度和性能。目前大量应用于SOFC的电解质是全稳定ZrO2陶瓷。在ZrO2中掺入某些二价或三价金属氧化物(如CaO，Y2O3)，低价金属离子占据了Zr4+位置，结果使ZrO2从室温到高温(1000℃)都有稳定的相结构(萤石结构)，而且由于电中性要求，在材料中产生了大量的O2-空位，因而大大增加了ZrO2的离子电导率，同时扩展了离子导电的氧分压范围。目前常用Y2O3稳定ZrO2 (简称YSZ)为电解质材料，其离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显变化。 SOFC反应过程 7、金红石结构（Rutile） 金红石