2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：晶體的概念及其特性

1、晶體的概念及其特性概 念：晶 體：規(guī)則結(jié)構(gòu)，分子或原子按一定的周期性排列。長(zhǎng)程有序性、有固體的熔點(diǎn)。例如：水晶、巖鹽非晶體：非規(guī)則結(jié)構(gòu)，分子或原子的排列沒(méi)有明確的周期性。短程有序性，沒(méi)有固定的熔點(diǎn)。 例如：玻璃、橡膠準(zhǔn)晶體：有長(zhǎng)程的取向序但沒(méi)有長(zhǎng)程的平移對(duì)稱序（長(zhǎng)程周期性）。取向序具有晶體周期性所不允許的點(diǎn)群對(duì)稱性。例如：Al-Mn合金1-1 晶體的概念及其特性1-1 晶體的概念及其特性晶體特性：物 理：* 固定熔點(diǎn)（熔化時(shí)，晶態(tài)固體的長(zhǎng)程有序解體時(shí)對(duì)應(yīng)一定的熔點(diǎn)）* 原子排列長(zhǎng)程有序（微米量級(jí)的范圍是有序排列的）* 解理性 （ Si的解理面為(111) ）幾何外形：* 最顯著的特點(diǎn)是晶面有規(guī)

2、則、對(duì)稱地配置* 凸多面體，晶棱平行，晶面夾角守恒* 一個(gè)理想完整的晶體，相應(yīng)的晶面的面積相等金剛石：復(fù)式面心立方結(jié)構(gòu)，最堅(jiān)硬固體，絕緣體石墨：層狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)軟，潤(rùn)滑性好，導(dǎo)體石墨烯：?jiǎn)螌犹荚?，?yōu)異電輸運(yùn)性能晶體結(jié)構(gòu)決定物理性能！金剛石石墨石墨烯1-1 晶體的概念及其特性怎樣描述不同的晶體結(jié)構(gòu)？每一個(gè)原子的坐標(biāo)都寫出來(lái)？原子數(shù)目1023cm-3量級(jí)，不可行！尋找規(guī)律！規(guī)律：金，銀，銅雖然化學(xué)成分不同，如果不查究其化學(xué)成分，即不管原子是金或銀還是銅，不管原子之間間距的大小，那他們是完全相同的，就是他們的結(jié)構(gòu)完全相同！數(shù)學(xué)方法抽象描寫：不區(qū)分物理、化學(xué)成分，每個(gè)原子都是不可區(qū)分的，只有原子（數(shù)學(xué)上

3、僅僅是一個(gè)幾何點(diǎn)）的相對(duì)幾何排列有意義。金剛石（立方）石墨（六方）石墨烯（六方）晶格：晶體中原子排列的具體形式一般稱為晶體格子，簡(jiǎn)稱為晶格。理想晶體：實(shí)際晶體的數(shù)學(xué)抽象以完全相同的基本結(jié)構(gòu)單元（基元）規(guī)則地，重復(fù)的以完全相同的方式無(wú)限地排列而成格點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）：基元位置，代表基元的幾何點(diǎn)晶格（點(diǎn)陣）：格點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）的總和原子種類和間距不同，但有相同的排列規(guī)則，則這些原子構(gòu)成的晶體具有相同的晶格簡(jiǎn)立方(cubic)，面心立方(fcc), 體心立方(bcc),六方(hcp)點(diǎn)陣基元晶體晶體結(jié)構(gòu) = 點(diǎn)陣（數(shù)學(xué)幾何點(diǎn)） + 基元（物理） 原胞 (Primitive cell)：晶格的最小周期性單元。又稱初

4、基晶胞。 基矢：原胞的邊矢量 單胞 (Unit cell)：晶體學(xué)中，為了反映晶格的對(duì)稱性，選取較 大的周期性單元，又稱晶胞。單胞不一定是原胞原胞選取不唯一，但有習(xí)慣的選取方式。如三維晶格原胞通常是平行六面體。晶格周期性的描述：原胞和基矢原胞是最小周期性單元，將原胞沿著基矢進(jìn)行平移便可填充整個(gè)空間得到相應(yīng)晶體。之所以在原胞之上選取了更大的單胞作為研究對(duì)象，是因?yàn)閱伟芨玫姆从尘w的對(duì)稱性，這會(huì)在我們分析問(wèn)題時(shí)提供便利。 以某個(gè)格點(diǎn)為中心，作其與鄰近格點(diǎn)的中垂面，這些中垂面所包含最小體積的區(qū)域?yàn)榫S格納-賽茲原胞 對(duì)稱性原胞，不依賴于基矢的選擇，與相應(yīng)的布拉伐格子有完全相同的對(duì)稱性特點(diǎn)：1.僅包

5、含一個(gè)格點(diǎn)，體積與慣用原胞相等2.保留了晶格所有的對(duì)稱性3.平常很少用，在能帶理論中對(duì)應(yīng)布里淵區(qū)Wigner-Seitz 原胞簡(jiǎn)單立方晶格(Simple Cubic)如何判斷所選取的原胞是正確的，即最小周期單元？計(jì)算原胞體積所對(duì)應(yīng)的原子數(shù)。原胞中只包含一個(gè)原子基矢原胞體積一些簡(jiǎn)單的晶格原胞基矢原胞體積單胞基矢單胞體積單胞內(nèi)原子數(shù)：4原胞內(nèi)原子數(shù)：1單胞內(nèi)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：（0,0,0）(1/2,0,1/2)(1/2,1/2,0)(0,1/2,1/2)面心立方晶格(Face-centered Cubic)一些簡(jiǎn)單的晶格單胞內(nèi)原子數(shù)：2原胞內(nèi)原子數(shù)：1原胞基矢原胞體積單胞基矢單胞體積單胞內(nèi)原子的分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：（0,0,0）(1/2,1/2,1/2)一些簡(jiǎn)單的晶格體心立方晶格(Body-centered Cubic)六角密排晶格的原胞和單胞一樣* 一個(gè)原胞中包含A層 和B層原子各一個(gè)* 共兩個(gè)原子基矢：