1 晶体结构基础 (3)
2010-03-08 13:11阅读:
1.5 等效点系
晶体结构中,一原始点经空间群中全部对称要素的作用所推导出的规则点系称等效点系。
一个原始点只能推导出一套等效点系。晶体结构中,质点只能按等效点的位置分布。通常,同一种质点可占一组,或几组等效位置,但不同种质点不能占同一套等效点系(类质同象例外)。
等效点系的特点:
1)单位晶胞内,属于同一套等效点系的质点的数量叫做该套等效点系的重复点数。
2)每套等效点系都用魏考夫符号(Wyckoff)表示:a,b,或c,等。
3)原始点位置的对称性即为该等效点系中质点的对称。
4)单位晶胞内,同一套等效点系的质点都有确定的坐标。
Wyckoff符号的形成:
对于每个空间群,按原始点的位置由特殊位到一般位排序,用英文字母按数序表示(先用小写字母,如不够,再用大写字母),按此规律形成的字母即为Wyckoff符号。
如图1-3所示即为空间群P23的等效点系,其中第一列代表重复点数,即某套等效点系在单位晶胞范围内总共有几个等同位置;第2列代表Wyckoff符号;第3列代表该等效点系位置的对称性(按描述晶体对称的3个方位表示);后4列为这套等效点系在单位晶胞中全部点的分数坐标。
经常用重复点数和Wyckoff符号来描述原子或质点在单位晶胞中的占位,如1a位置、6h位置等。

图1-3 空间群P23的等效点系
对P23的等效点系进一步用单位晶胞原子分布图形的形式来进行描述,图1-4a,b,c,d,e分别给出了P23空间群的1a,1b,3c,3d,12j等效点系质点在单位晶胞中的图形分布。

图1-4a 空间群P23的1a等效点系
(质点分布在8个角顶,每个角顶为8个晶胞共用)

图1-4b 空间群P23的1b等效点系
(质点分布在晶胞中心)

图1-4c 空间群P23的3c等效点系
(质点分布在6个晶胞底面的中心,每个质点被两个晶胞共用)

图1-4d 空间群P23的3d等效点系
(质点分布在12条晶棱的中心,每个质点被4个晶胞共用)

图1-4d 空间群P23的12j等效点系
(质点全部分布在晶胞体内)
1.5 晶体结构描述及晶体结构绘图举例
对金红石的晶体结构描述见表1-5。
表1-5 对金红石的晶体结构描述
化学式(chemical formula):Ti O2
化合物名称(chemical name):Titanium Oxide
矿物名称(mineral name):Rutile
空间群(S.G.):P 42/m n m (136)
晶胞参数(Cell Parameters):4.9541(1), 4.9541(1), 2.9589(1), 90, 90, 90,
Vol. 62.45
单位晶胞分子数(Z):2
原子占位: Ti4+ 2a 0 0
0
O2- 4f 0.3057(7)
0.3057(7) 0
|
根据表1-4中的晶体结构描述数据可用相关软件画出其晶体结构图(图1-5)。

图1-5a 金红石晶体结构图(球键图)
红球:Ti
蓝球:O

图1-5b 金红石晶体结构图(配位多面体图)

图1-5c 金红石晶体结构图(配位多面体和球键图)
1.6
面网、面网间距
面网为空间格子中或单位晶胞中的一组互相平行的,并且等间距的一组平面(其中必有一个平面通过单位晶胞的坐标原点0,0,0)。之所以在晶体结构中存在这些等间距的面网组,这是由晶体的特性决定的(三维周期性地、等间距地无限重复)。
在单位晶胞中,面网中的每一个面可以包含实际晶体结构中的原子或离子,也可以是假想的平面。
表示面网的方法用面网符号(hkl),面网符号采用该组面网中最靠近原点而又不通过原点的平面的米氏指数,即该平面在三个结晶轴分数截距的倒数。
图1-6 几例面网及其符号
在图1-6中,a面网组中,最靠近原点而又不通过原点的平面在三个轴的分数截距分别为:∞,1,∞,其倒数为:0,1,0,则其面网符号为(010);b面网组中,最靠近原点而又不通过原点的平面在三个轴的分数截距分别为:∞,0.5,∞,其倒数为:0,2,0,则其面网符号为(020);同理得面网组c的符号为(030)。
从图1-6可以看出,面网组中相邻面网的距离即为最靠近原点而又不通过原点的平面到坐标原点的
垂直距离,此即面网间距,用符号d
hkl表示。
由图1-6可知,若α=90
o,则d
010=b,d
020=b/2,d
030=b/3。若α≠90
o,则d
010=bsinα,d
020=bsinα/2,d
030=bsinα/3。因此面网间距不仅取决于面网符号,还取决于晶胞参数。
表1-6所列为各晶系的面网间距计算公式。
表1-6
7个晶系的面网间距计算公式
晶系
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面网间距计算公式
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立方晶系
|

|
四方晶系
|
斜方晶系
|
单斜晶系
|
三斜晶系
V为晶胞体积
|
六方晶系、三方晶系取六方晶胞
|
六方晶系、三方晶系取菱形晶胞
|
因为粉晶X射线衍射中,测定的主要结果就是面网间距,而不同晶系中有可能面网指数不同的面网,而面网间距相等,如对于立方晶系有:
d
100=d
010=d
001=d
-100=d
0-10=d
00-1
d
310=d
-310=d
-3-10=d
-3-10=d
301=d
-301=d
30-1=d
-30-1=d
013=d
0-13=d
01-3=d
0-1-3
(在粉晶X射线衍射中,把这种等面网间距的不同指数用多重因子表示)
在表示某一面网间距的面网指数(hkl)时,只需标出其中的一个即可。
标示时
选取面网指数的原则:
(1) 正指数和负指数同时存在时,选取为正值的指数;
(2) 有不同大小的指数时,大的指数尽可能靠前。
每种结晶质物质皆具有一系列固定的面网间距,如钻石d
111=0.206nm,d
220=0.1261nm,d
311=0.10754nm,d
400=0.08916nm,d
331=0.08182nm。在X射线衍射分析中,直观得到的数据正是这样的一系列的面网间距,根据检测得到的数据与已知的资料进行对比,即可鉴定出结晶物质的种类来。
【讨论题】
1. 根据空间群符号,写出晶系、晶胞参数特征、对称要素特征、及对应的点群(国际符号和对称型):
I41cd
P42/nbc
Ccca
P63/mmc
P4332
Ia-3d
Pca21
C2/c
P4122
2. 立方钙钛矿(Perovskite)(CaTiO3)的空间群为Pm-3m(62),
a=3.7950,原子占位为:
Ca
1a
0
0
0
Ti
1b
0.5
0.5
0.5
O
3c
0.5
0.5
0
(a)
绘制出晶体结构图并描述结构(球键图和配位多面体),并描述其结构特征(配位多面体的分布及连接特点);
(b)
计算其理论面网间距,并从大到小排列,以列表的形式给出面网符号和面网间距。