晶体结构2

第2章 晶体结构

为了便于对材料进行研究，常常将材料进行分类。如果按材料的状态进行分类，可以将材料分成晶态材料，非晶材料及准晶材料。因所有的晶态材料有其共同的规律，近代晶体学知识就是为研究这些共同规律而必备的基础。同时为了研究非晶材料与准晶材料及准晶材料也必须以晶体学理论做为基础。在一般的教材中对晶体学的基础知识已经有了不同深度的阐述，作为辅导教材，对教科书上已经有较多阐述的内容，本章中就简要的进行说明，而重点在于用动画形式，将在教材中难以用文字表达清楚的内容进行较多的阐述，加深对教材内容的理解记忆

2.1晶体学基础

2.1.1 空间点阵和晶胞

具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。

为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞

根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。按照"每个阵点的周围环境相同"的要求，布拉菲（Bravais A．）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。

布拉非点阵 晶系 布拉非点阵 晶系

简单三斜 三斜 简单六方 六方

简单单斜

底心单斜 单斜 简单菱方 菱方

简单正交

底心正交

体心正交

面心正交 正交 简单四方

体心四方 四方

简单立方

体心立方

面心立方 立方

空间点阵是晶体中质点排列的几何学抽象。

1 空间点阵

最初人们认为凡是具有规则外形的天然矿物均为晶体。但现在人们认识到晶体的规则的几何外形是内部结构规律的外在反映. 近代的科学研究表明了下面的两个基本事实:

第⼆部分晶体的结构

第⼆部分晶体结构2.1 晶体学基础

概述

根据结合键类型不同，晶体可分为⾦属晶体、离⼦晶体、共价晶体和分⼦晶体。

晶体结构：晶体中原⼦（离⼦或分⼦）在三维空间的具体排列⽅式。空间点阵与晶胞

1．相关概念

空间点阵(lattice)

晶格(space lattice)

阵点（结点）

晶胞（cell）

选取晶胞应遵循⼀定的原则

晶胞⼤⼩和形状表⽰⽅法

⼆、晶系和布拉菲点阵

根据晶体的对称性和每个阵点周围具有相同的环境，布拉菲运⽤数学⽅法推算，将花样繁多的晶体结构归纳为14种空间点阵（称为布拉菲点阵）。根据晶格常数a、b、c及α、β、γ是否相等，⼜将14中空间点阵归属于七⼤晶系。

晶体结构和空间点阵之间的区别空间点阵（space lattice）：晶体中质点排列的⼏何学抽象，⽤以描述和分析晶体结构的周期性和对称性。由于各阵点的周围环境相同，只有１４种类型。晶体结构（crystal structure）：晶体中原⼦（离⼦或分⼦）在三维空间的具体排列⽅式。由于组成晶体的物质质点及其排列⽅式不同，晶体结构是⽆限的，但总能按其原⼦（分⼦或离⼦）排列的同期性和对称性，归属于14种空间点阵中的⼀种。

七⼤晶系：1.三斜晶系（triclinic system）：a≠b≠c，α≠β≠γ≠ 90°

2.单斜晶系（monoclinic system ）：a≠b≠c，α＝γ＝90°≠β

2.正交(斜⽅)晶系（orthogonal system ）：a≠b≠c，α＝β＝γ＝ 90°

4.四(正)⽅晶系（tetragonal system ）：a＝b ≠ c，α＝β＝γ＝90°

5.⽴⽅晶系（cubic system ）：a＝b＝c，α＝β＝γ＝90°

6.六⽅晶系（hexagonal system ）：a＝b ≠ c，α＝β＝90°，γ＝120°

7.菱形晶系（rhombohedral system）：a＝b＝c，α＝β＝γ≠90°

⼗四种空间点阵：1 简单⽴⽅点阵：a=b=c，α=β=γ =90°

第二章 晶体结构

【例2-1】 计算MgO和GaAs晶体中离子键成分的多少。

【解】 查元素电负性数据得，，，，则

MgO离子键％＝

GaAs离子键％＝

由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则是典型的共价键晶体。

【提示】 除了以离子键、共价键结合为主的混合键晶体外，还有以共价键、分子间键结合为主的混合键晶体。且两种类型的键独立地存在。如，大多数气体分子以共价键结合，在低温下形成的晶体则依靠分子间键结合在一起。石墨的层状单元内共价结合，层间则类似于分子间键。正是由于结合键的性质不同，才形成了材料结构和性质等方面的差异。从而也满足了工程方面的不同需要。

【例2-2】 NaCl和MgO晶体同属于NaCl型结构，但MgO的熔点为2800℃, NaC1仅为80l℃，请通过晶格能计算说明这种差别的原因。

【解】根据：晶格能

（1）NaCl晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝1，e＝1.6×10－19 库仑，

，r0＝＝＝0.110＋0.172＝0.282nm＝2.82×10－10 m，

m/F，计算，得：EL＝752.48 kJ/mol

（2）MgO晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝2，e＝1.6×10－19库仑

，r0＝＝0.080＋0.132＝0.212 nm＝2.12×10－10 m， m/F，计算，得：EL＝3922.06 kJ/mol

则：MgO晶体的晶格能远大于NaC1晶体的晶格能，即相应MgO的熔点也远高于 NaC1的熔点。

【例2-3】根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，但是金刚石的空间利用率很低，只有34.01%，为什么它也很稳定？

【解】最紧密堆积的原理只适用于离子晶体，而金刚石为原子晶体，由于C-C共价键很强，且晶体是在高温和极大的静压力下结晶形成，因而熔点高，硬度达，很稳定。（金刚石结构属于立方晶系，碳原子的配位数为4，在三维空间形成架状结构，刚性非常大）

moo2晶体结构

MOO2晶体结构是一种十分特殊的晶体结构，它的特点在于其具有内聚的次级结构。晶体结构的标准是其中定义了几何形状、空间构建和组合原则，并且这些几何形状、空间构建和组合原则必须由内部力来维持。

MOO2晶体结构较其他晶体结构更为复杂。它由于多种室温拥有立方晶体结构，这些晶体结构结合并以称为“香芋毛状宁（Monomer）”的元素组成。MOO2晶体结构由基本的立方晶体单元构成，它们将空间划分成六边形结构，这些结构携带着强调半径和角度的几何属性。

MOO2晶体结构经常用在金属有机框架材料（MOFs）的合成中，用于制作丰富而具有特性表面和体积的耐腐蚀性结构。因为它具有强烈的内聚集性，因而能够在一定范围内容纳大量的气體，因此得以应用于气体储存和调控应用。

此外，MOO2晶体结构也可以用于提高电子器件的性能。它特殊的结构形状能有效地包含和传导电子，从而提高电子器件的能量密度。同时，它还可以增加电器的尺寸，降低重量，从而实现轻量化、可靠性和可移植性。

总之，MOO2晶体结构是一种十分独特的晶体结构，它可以应用在多种领域，例如金属有机框架材料、气体储存和调控、以及提高电子器件的能量密度等方面。未来，MOO2晶体结构将在更多领域发挥惊人的作用，从而有效提升我们生活的质量。