【文章內(nèi)容簡介】 s. 電子顯微鏡（ SEM、 TEM） 掃描探針顯微術(shù) ***（ STM、 AFM） 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 46 上圖為掃描隧道顯微鏡所探測到的石墨層面的碳原子排列，具有典型的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 晶體宏觀特征和微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗驗證 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 47 晶體周期性 遠(yuǎn)在十七世紀(jì)，惠更斯（ ） 就從天然礦物方解石的解理性和雙折射性出發(fā)，推斷其結(jié)構(gòu)是一些橢球的堆集。 直到十九世紀(jì)，布喇菲 (Bravais)提出了空間點(diǎn)陣學(xué)說。按此學(xué)說， 理想晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是： 組成晶體的原子、分子或原子團(tuán)等在三維空間中有規(guī)則地周期性重復(fù)排列，這種周期性排列是晶體構(gòu)造最基本的特點(diǎn)，也是研究晶體各種物理性質(zhì)的重要基礎(chǔ)。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 48 晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 結(jié)構(gòu)的不完整性 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 49 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 晶體 晶體周期性 是指原子或原子團(tuán)、離子或分子按一定規(guī)律呈周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的物質(zhì)。 原子或分子在三維空間呈周期性的規(guī)則而有序地重復(fù)排列，即存在 長程的幾何有序 是 晶體結(jié)構(gòu)的基本特征 。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 50 基元： 簡單晶體 單個原子（ Cu、 Ag、 Au） 。 化合物晶體（無機(jī)） 二個原子（ NaCl） ，一千多個原 子（金屬間化合物 NaCd2） 。 有機(jī)物晶體 一萬個以上的原子（蛋白質(zhì)晶體） 。 組成晶體的原子、離子、分子或原子團(tuán)統(tǒng)稱為晶體 的基本結(jié)構(gòu)單元的簡稱。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 51 布喇菲 點(diǎn)陣 由幾何點(diǎn)沿空間三個不共面的方向各按一定距離無限重復(fù)地平移構(gòu)成， 每個方向的一定平移距離稱為該點(diǎn)陣在該方向的周期 ，故 周期性也可以稱之為 平移對稱性 。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 52 組成晶體的基元 空間點(diǎn)陣 或 （基元的 種類 ，排列 方式 ） 晶體基元周期性排列的點(diǎn)的集合是“晶格”（或點(diǎn)陣）。 晶體的結(jié)構(gòu) 晶體中基元 代替 “ 格點(diǎn) ” 或 “ 結(jié)點(diǎn) ” “ 等同點(diǎn) ” 或 “ 相當(dāng)點(diǎn) ” 布喇菲 點(diǎn)陣 周圍的 環(huán)境 和 方位 晶體的幾何規(guī)則性表示 布喇菲的空間點(diǎn)陣 — 幾何 點(diǎn) (處基元位置） 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 53 晶 胞 : 空間格子的單位－平行六面體。 點(diǎn)陣參數(shù) : 是描述晶胞尺寸和形狀的參數(shù)，它 包括晶胞各邊的長度 a a a3和 各邊之間的夾角 α、 β、 γ 。 （ 圖 222） 空間格子： 表示晶體構(gòu)造的規(guī)律性的幾何圖形。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 54 晶體的對稱性 : 是指晶體經(jīng)過某種幾何變換仍能恢復(fù)原狀的特 性。 晶體的對稱性、晶系 晶 向 : 晶格中各格點(diǎn)列的方向代表了晶體基元列的方向稱之 為 晶向 ， 晶向指數(shù) 。 對稱要素 （理想晶體） :平移面，螺旋軸 （ L L L L6） （ 圖 a圖 b) 晶 面 : 通過晶格中的任意一組格點(diǎn)的平面代表了晶體中的基 元平面稱為晶面 。（ 圖 ） 布喇菲點(diǎn)陣只有 14種 ，晶體學(xué)中所有晶體 分屬這七大晶系 非立方晶胞，如正方晶胞的晶面、晶向關(guān)系 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 55 ABA ABCA ATOMIC PACKING 體心立方結(jié)構(gòu) 密排六方結(jié)構(gòu) 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 56 Packing mode 1 (ABCABC…) 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 57 Packing mode 2 (ABCABC…) 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 58 Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc…) 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 59 a b c a g b 單胞 晶系 單胞特征 Bravais點(diǎn)陣 三斜 a?b?c, 簡單三斜 a?b?g?90? 單斜 a?b?c, 簡單單斜 a?g? 90?=b 底心 單斜 正交 a?b?c, 簡單正交，底心正交 a=b=g=90? 體心正交，面心正交 三角 a=b=c, 簡單三角 a=b=g120? ?90?, ?60? 四方 a=b?c, 簡單四方 a=b=g=90? 體心四方 六角 a=b, 六角 b=g=90?, a=120 立方 a=b=c, 簡單立方，體心立方 a=b=g=90 面心立方 七大晶系、 14種 Bravais點(diǎn)陣 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 60 晶 系 晶格常數(shù) 夾 角 單位晶胞 立 方 簡單，體心，面心 a=b=c α= β = γ=90176。 圖 1 六 方 a=b≠c α= β = 90176。 , γ=120176。 圖 2 四 方 簡單，體心 a=b≠c α= β = γ=90176。 圖 3 菱 方 a=b=c α= β = γ≠90 176。 圖 4 正 交 簡單，體心，面心，底心 a≠b≠c α= β = γ=90176。 圖 5 單 斜 簡單，底心 a≠b≠c α= γ=90176。 ≠ β 圖 6 三 斜 a≠b≠c α≠β≠γ≠ 90176。 圖 7 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 61 許多固體以多晶形式存在。多晶是許多單晶（不同取向）組成的聚集體。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 62 多晶材料重要的結(jié)構(gòu)因素 晶粒 （ Grain): 是指無一定幾何外形的多晶集合體，由許多彼此取向不同的單晶組成的聚集體稱為“晶?！薄Ｓ稍S多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”。 晶粒大小 晶界 （ Grain Boundary ): 是指晶體內(nèi)取向不同的兩個晶粒之間的相鄰邊界。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 63 結(jié)構(gòu)的不完整性 ? 實(shí)際上，組成材料的晶體中的原子總是在平衡位置附近進(jìn)行熱振動。其原子或離子的排列不可能是完全規(guī)則的，即存在著晶體缺陷。即大多數(shù)晶體與理想晶體結(jié)構(gòu)都有一定偏差存在。這種不完整性（晶體缺陷）依據(jù)其幾何形狀分為：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 64 點(diǎn)缺陷 在三維空間各方向上的 尺寸都很小 ，所以也稱為零維缺陷。包括空位，間隙原子，異類原子（固溶體）等。 空位與間隙原子 空位和間隙原子經(jīng)常是同時出現(xiàn)和同時存在的兩類點(diǎn)缺陷，如圖 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 65 晶體中空位 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 66 ? 原子作熱振動，一定溫度下原子熱振動能量一定，呈統(tǒng)計分布，在瞬間一些能量大的原子克服周圍原子對它的束縛，遷移至別處，形成空位。 ? 空位形成引起點(diǎn)陣畸變，亦會割斷鍵力，故空位形成需能量，空位形成能（ ΔEV ）為形成一個空位所需能量。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 67 空位能夠與相鄰原 子交換位置而運(yùn)動 的特點(diǎn) 影響： 晶體中 原子的擴(kuò)散 與空位的存在與 運(yùn)動 密切相關(guān)?？? 位還可以造成材料性能的變化 ， 最明顯的是 引起電阻 的 增加 ， 還使得 晶體的密度下降 ， 對材料的 高溫力學(xué)性能 也有影響 . 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 68 當(dāng)晶體內(nèi)沿著某一條線附近的原子排列發(fā)生畸變，破壞 了晶格周期性時就形成了線缺陷。線缺陷就是 “ 位錯 ” 。 線缺陷 刃位錯 螺旋位錯 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 69 刃位錯 刃位錯 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 70 螺旋 位錯 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 71 位錯線： 質(zhì)點(diǎn)滑移面和未滑移面的交界線稱為位錯線。 刃位錯： 滑移方向 ⊥ 位錯線方向由圖 247。 螺旋位錯： 滑移方向 ∥ 位錯線方向圖 48。 位錯寬度： 位錯不是一條幾何的線，有一定寬度，這個寬 度被稱為 位錯寬度 。位錯寬度不同，使其運(yùn)動 的難易程度不同，位錯寬度越大，越易運(yùn)動。 （晶面、晶向，原子疏 密 程度；位錯寬度；運(yùn)動 情況 ) 滑移面 : 原子排列 最緊密的平面 被認(rèn)為是 滑移面 。 滑移方向 : 原子排列 最密排方向 被認(rèn)為是 滑移方向 。 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 72 1）刃型位錯有一額外半原子面 刃位錯特征 2）位錯線不一定是直線，可以是折線或曲線，但 刃型位錯線必與滑移矢量垂直，且滑移面是位 錯線和滑移矢量所構(gòu)成的唯一平面。 3）位錯周圍的點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，既有正應(yīng)變， 又有切應(yīng)變位錯是一管道 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 73 1） 螺旋位錯無額外半原子面，原子錯排呈軸對稱 螺 旋 位錯特征 2） 螺旋位錯與滑移矢量平行，故一定是直線 3） 包含螺旋位錯的面必然包含滑移矢量，故螺旋位錯可以 有無窮個滑移面，但實(shí)際上滑移通常是在原子密排面上進(jìn)行，故有限 4） 螺旋位錯周圍的點(diǎn)陣也發(fā)生了彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應(yīng)變，無正應(yīng)變（在垂直于位錯線的平面投影上，看不出缺陷） 5） 位錯線的移動方向與晶塊滑移方向互相垂直 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 74 影響 對材料的塑性變形情況有影響。 如：共價鍵晶體材料 共價鍵方向性很強(qiáng) 位錯寬度窄 鍵長和鍵角 難改變 2022/3/14 Zhangjie SMST CUGB 75 位錯不是一條幾何的線，而是有一定寬度的，在這個寬度 范圍內(nèi)原子的規(guī)則排列都被破壞，這個寬度被稱為 位錯寬度 。 位錯寬度不同，使其運(yùn)動的 難易程度不同 ，位錯寬度越大，越 易運(yùn)動。 不同 晶面 與 晶向 ， 原子排列的疏密程度 不同，所以位于 不同晶向、晶面的位錯，其位錯寬度也不一樣，因而其運(yùn)動情 況也不同。位錯只有沿著排列 最緊密的面 及 原子密排方向 運(yùn) 動才 最容易 ，所以原子排列 最緊密的平面 被認(rèn)為是 滑移面 ， 最密排方向 被認(rèn)為是 滑移方向 。 不同的晶體結(jié)構(gòu)，滑移面和滑移方向不同，滑