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本节内容提要:
一、晶体结构的密堆积原理
二、金属晶体结构密堆积的几种常见形式
1、等径圆球的最密堆积
2、密置列、密置层和密置双层
3、六方最密堆积(A3)型
面心立方最密堆积(A1)型
4、A2型堆积(学生讨论内容)
一、晶体结构的密堆积原理
密堆积结构:
在由无方向的金属键力、离子键力和范德华力等化学键力结合的晶体中,原子、离子和分子等微粒总是趋向于相互配位数高,能充分利用空间的堆积密度大的那些结构。
密堆积方式由于充分利用了空间,从而可使体系的势能尽可能降低,结构稳定。
二、金属晶体结构密堆积的几种常见形式
1、等径圆球的最密堆积模型
金属原子的最外层电子在金属晶体中是自由移动的,而金属离子用等经圆球的最密堆积模型来进行堆积,形成金属晶体的骨架。自由移动的电子象一种带负电荷的粘合剂将这种堆积粘合在一起。这种自由电子我们用三维势箱模型和电子能带理论进行处理。本节课我们专门讨论怎样用等径圆球的密堆积模型来形成这种骨架。
2、密置列、密置层和密置双层
①密置列:
沿直线方向将等径圆球紧密排列成一列叫做密置列,它只有一种排列方式。若把每个球作为一个结构基元,则可抽象出一直线点阵。(如下图)
a
②密置层:
沿二维空间伸展的等径圆球的最密堆积形式叫密置层,它只有一种排列方式。(如图2)在密置层中每个球都与周围六个球紧密接触,配位数为6,三个球形成一个三角形空隙,因此每个球分摊两个三角形空隙。
图2:等径圆球的密置层
若把每个球作为一个结构基元,可由密置层抽出一个平面六方点阵,正当格子为平面六方格子。
③密置双层:
将两个密置层(分别称为A层和B层)叠加起来作最密堆积称为密置双层,这也只有一种叠合方式。
图3(a)
叠合过程为:将第二层球的球心投影到第一层中由三个球所围成的三角形空隙的中心上,及上、下两层密置层相互接触并平行地互相错开。如下图:
在密置双层中可形成两种空隙:即四面体空隙( 3个相邻的A球+1个B球或3B+A)和八面体空隙(由3个A球和3个B球结合而成,两层球的投影位置相互错开60º,连接这六个球的球心得到一个正八面体3A+3B)。如下图所示
(c)正八面体空隙
(b)正四面体空隙
3、六方最密堆积(A3)型
在密置双层AB的基础上将第3层球堆上去,第3层与B层接触,其球心的投影与A球的球心重合,称第3层为A层。同理第四层为B层,依此类推。A3型堆积记为ABAB…型堆积。
二、金属晶体结构密堆积的几种常见形式
图4(a)
A
B
A
B
A
B
六方晶胞
(b)
A3型堆积可抽出六方晶胞,晶胞中心两个球的分数坐标为(0,0,0,)、(2/3、1/3、1/2),密置层的晶面坐标为(001)。(如图4(b)(c))
(C)六方晶胞中的圆球位置
图4(d)、(e)
由下面的(d)、(e)图我们可清楚看出A3型堆积中的四面体空隙和八面体空隙