《原子坐标参数》课件

原子坐标参数原子坐标参数是材料科学中的一个重要概念原子坐标参数描述了材料中原子在晶格中的位置课程目标理解原子坐标参数的概学习原子坐标参数的确掌握原子坐标参数的应念定方法用掌握原子坐标参数在材料科熟悉利用实验数据（如X射线能够利用原子坐标参数来解学中的重要性，了解其在晶衍射、中子衍射）和理论计释材料的性质，预测材料的体结构分析、性质预测和材算（如第一性原理计算）确性能，并进行材料设计和模料设计等方面的应用定原子坐标参数的方法拟原子坐标参数的重要性原子坐标参数是描述晶体结构的关键信息它们决定了晶体中每个原子的位置，进而影响材料的物理化学性质例如，原子坐标参数可以用于预测材料的熔点、硬度、导电性等性质它们还可以帮助科学家设计和合成具有特定性质的新材料晶体结构和对称性周期性对称性晶体结构呈现周期性排列，形成三维空间中的重复模式晶体具有特定的对称性，包括平移对称、旋转对称和镜面对称空间群点群晶体结构的对称性用空间群表示，共有230种空间群晶体结构的点群表示晶体在某一点处的对称性，共有32种点群晶格类型和单胞简单立方晶格面心立方晶格体心立方晶格最简单的晶格类型，每个晶格点只有一个每个晶胞角上和每个面的中心都有一个原每个晶胞角上和晶胞中心都有一个原子原子子布拉维晶格布拉维晶格是描述晶体结构的基本单元，它由一系列等效格点组成共有14种布拉维晶格，可以根据晶格的形状、对称性进行分类不同的晶格类型代表了不同的晶体结构特征，影响着晶体的物理性质，例如导电性、熔点等晶格基矢和格点

11.晶格基矢

22.格点晶格基矢是定义晶格结构的三格点是晶格中所有原子位置的个线性无关矢量集合

33.晶格基矢的特性

44.格点的意义晶格基矢的选择不是唯一的，格点代表了晶格中原子位置的但必须满足线性无关且能完整周期性重复，是描述晶体结构描述晶格的基础倒格空间和倒格矢量倒格空间1倒格空间是描述晶体结构的一种数学工具它与实空间互为傅里叶变换倒格矢量2倒格矢量是倒格空间中的基本矢量它与实空间的晶格矢量相互垂直应用3倒格空间用于分析晶体衍射现象它可以帮助理解电子和X射线衍射实验结果布拉格条件和倒格点布拉格条件当X射线照射晶体时，如果入射波长和晶面间距满足一定条件，就会发生衍射现象，形成衍射峰倒格点倒格空间是用来描述晶体衍射现象的工具，倒格点与晶体衍射峰对应倒格矢量倒格矢量的模长等于晶面的间距的倒数，方向垂直于该晶面晶面指数和晶面间距晶面指数是用来描述晶体中不同晶面的符号，它表示了晶面与晶轴的截距晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的距离，它是晶体结构的重要参数12hkl d晶面指数晶面间距晶面类型和晶面密度晶面类型简单晶面晶体中存在不同类型晶面，包括简单晶面是指由一个晶胞的面所简单晶面、复合晶面和特殊晶面构成复合晶面特殊晶面复合晶面由多个晶胞的面组成，特殊晶面是指具有特殊性质的晶由多个简单晶面交汇而成面，例如平行于某一晶轴或包含某个特定原子晶面间夹角晶面法向量1每个晶面都有一个垂直于它的法向量点积2两个晶面法向量的点积可以计算出它们之间的夹角角度计算3利用点积公式和余弦定理，可得出晶面间夹角晶面间夹角是指两个晶面之间的夹角，它可以通过晶面法向量之间的点积来计算晶面法向量是一个垂直于晶面的向量，它的方向通常用米勒指数来表示晶面间夹角的计算方法是，先求出两个晶面法向量的点积，然后利用余弦定理计算出夹角直角坐标系与球坐标系直角坐标系球坐标系三维空间中，使用三个互相垂直的坐用距离原点的距离r、经度θ和纬标轴来描述点的位置，通常用x,y,度φ来描述点的位置z表示原子坐标的描述晶胞原点1晶体结构中，每个晶胞都有一固定原点分数坐标2原子坐标通常用分数坐标表示格点位置3分数坐标相对晶胞原点晶体结构4原子坐标描述晶体结构原子坐标采用分数坐标描述，相对于晶胞原点表示，描述了每个原子在晶体结构中的位置原子坐标的确定实验测定通过X射线衍射、中子衍射或电子衍射等实验技术获得晶体结构数据，并通过分析衍射图样确定原子位置理论计算利用第一性原理计算方法，如密度泛函理论，模拟晶体结构，并预测原子坐标结构优化基于实验数据或理论计算结果，通过能量最小化或其他结构优化方法，对原子坐标进行优化和修正原子坐标的变换原子坐标变换指的是将原子坐标从一个坐标系转换为另一个坐标系的数学过程坐标系变换1将原子坐标从一个坐标系转换到另一个坐标系矩阵运算2使用旋转矩阵和平移向量进行坐标变换对称操作3使用对称操作来简化坐标变换原子坐标描述4确定原子在晶格中的位置这种转换在晶体学中非常重要，因为不同的坐标系可以提供不同的视角，方便我们对晶体结构进行分析非原子位置对称运算对称操作旋转对称镜面对称反演对称描述晶体结构中，非原子位置旋转操作定义了晶体结构中，描述晶体结构中，关于镜面的反演对称是通过原点将晶体结的对称性，即空间群中对称元关于旋转轴的旋转对称性，可反射对称性，称为镜面对称，构中的每一个点进行反演，获素的应用，如旋转、反射、反以是

2、

3、

4、6阶旋转对称应用于晶体结构的分析和理解得其镜像位置，并描述了晶体演等性结构中的对称性空间群和点群

11.空间群

22.点群描述了晶体中所有对称操作的包含所有对称操作，这些操作组合在晶体中一个特定的点保持不变

33.空间群包含点群

44.应用点群是空间群的一个子集，它理解空间群和点群有助于预测描述了晶体在特定点上的对称晶体的物理性质性国际晶体学符号符号中字母代表点群，数字代表晶格类型例如，符号“P63/mmc”表示一个六方晶系，空间群为P63/mmc该符号包含了有关晶体对称性、晶格参数和原子位置的信息国际晶体学符号是用来表示晶体结构的标准符号它由字母和数字组成，代表着晶体的对称性、晶格类型和原子排列方式有序和无序结构有序结构无序结构原子排列规律性，周期重复原子排列无规律，无周期性原子热运动原子振动温度影响12原子在晶格中并不是静止的，温度越高，原子振动越剧烈，而是不断地进行着热振动平均振幅越大热容德拜模型34原子热运动导致了物质的热容德拜模型可以用来描述固体中，这是材料吸收热量并升温的原子热运动的量子性质能力格点缺陷空位缺陷间隙原子缺陷替代原子缺陷晶格中缺少一个原子影响材料的物理和一个原子位于晶格中不属于其位置的间隙一个原子被不同类型的原子取代影响材化学性质导致应力和晶格畸变料的电学和热学性质磊晶和外延磊晶外延应用在一种材料的晶体基底上生长另一种一种特殊的磊晶生长技术，要求外延半导体器件、光电子器件、太阳能电材料的晶体薄膜，两者的晶格结构和薄膜的晶格常数与基底晶格常数相同池、传感器等取向相匹配应力和应变应力应变应力是材料内部由于外力作用而产生的应变是指材料在外力作用下产生的变形抵抗变形的能力，单位是帕斯卡Pa程度，是材料在特定方向上的相对伸长或缩短应力可分为正应力和切应力，正应力是指垂直于材料截面的力，而切应力是指应变是无量纲的，通常用百分比或ppm平行于材料截面的力表示，例如，1%的应变意味着材料长度增加了1%缺陷与材料性能强度和硬度延展性和韧性缺陷会削弱材料的强度和硬度点缺陷会降低晶格的抵抗力，而缺陷可以影响材料的延展性和韧性位错可以帮助材料在变形时位错会使材料更容易变形吸收能量，提高韧性电学和热学性质光学性质点缺陷会改变材料的导电率和热传导率例如，空位可以作为电缺陷可以影响材料的光学性质例如，晶格缺陷可以导致材料的子或热量的陷阱吸收和发射光谱发生变化实验测量技术X射线衍射电子显微镜扫描隧道显微镜原子力显微镜利用X射线衍射技术可以确定电子显微镜可以观察晶体结构扫描隧道显微镜可以探测材料原子力显微镜可以获得材料表晶体结构，原子坐标，材料的，缺陷，微观形貌，并提供更表面原子结构和电子态，用于面形貌和纳米尺度结构信息，相变多关于材料的信息纳米尺度材料研究用于研究材料表面特性实验数据处理数据采集通过实验测量技术获得原子坐标参数，如X射线衍射、中子衍射和电子衍射等数据预处理对原始数据进行处理，例如背景校正、峰值拟合和积分等，以获得更准确的数据结构解析利用不同的软件进行结构解析，例如SHELX、GSAS等，以确定晶体结构和原子坐标参数结构优化通过优化算法，例如最小二乘法或蒙特卡罗模拟等，对初始结构进行调整，以得到更精确的原子坐标参数结果验证通过比较实验数据和计算结果，验证结构解析结果的可靠性课程总结

11.原子坐标参数

22.晶体学基础描述晶体结构的关键信息，揭包括晶格类型、对称性、倒格示材料的性质空间等重要概念

33.原子坐标确定

44.结构与性能涉及实验测量和数据分析，最原子坐标参数决定材料的物理终得到原子位置、化学性质，如硬度、导电性等拓展阅读书籍网站《晶体学导论》（第四版），作者Charles Kittel国际晶体学联合会IUCr:https://www.iucr.org/《固体物理学》（第五版），作者Neil W.Ashcroft和N.美国矿物学会MSA:https://www.minsocam.org/David Mermin材料研究学会MRS:https://www.mrs.org/《材料科学与工程》（第10版），作者William D.CallisterJr.和David G.Rethwisch。