它们把整个空间点阵的阵点穿连无余:空间点阵的任一阵点,都有无限多条晶列穿过它。 图2.7中就一个晶胞给出几族常见的品列。品列的表示方法是用方括号括三个对应品胞 a、b、c方向的互质整数即[UVW]。求U,V,W的方法有两种:其一是在一晶列上任选 两阵点[m1m2m3]和[12n3],然后对(m1-),(m2-n2),(m3-n3)进行 互质约化,即(m,-n,):(m2-):(m,-n)=U:V:W:另一种方法是,取晶列族 中通过原点的那条直线上距原点最近阵点的指数[u,u2,u,]对其进行约化。如果阵点 坐标有负值则在相应指数上面加“”。图2.7中示例给出了几族晶列的指数。把由对称操 作联系在一起的等效晶列,如立方晶系的100],[010],[001],100],[010],[001]等用 尖括号括入的100即100)表示,称为“广义晶列指数”,它表征一个晶向单形。对于六方晶 系其晶列指数有两种表示方法:三指数法和四指数法。四指数的出现是由于考虑到六方晶 系的对称性而在六方晶胞中引入d=-(a+b)作为第三基矢所致。若某晶列的三指数表 示为[UVW],四指数表示为[utw],则二者间的关系为: U:V:W=(u-t):(v-t):w u::t:w=2U-V):2V-U):(-U-V):3W 2.1.5) 图2.8表出了六方晶系的晶列方向及其指数。 病 转成制 原园 → 图2.7晶列及其指数 图2.8六方晶系的晶列及其指数 2.晶面及其表示方法 在空间点阵中,通过任意三阵点的平面,称为点阵平面或晶面。同样由于空间点阵的 周期性和无限性,它也有无限多个与其平行的平面构成晶面族,一族晶面可把整个点阵的 阵点分尽。同族晶面的取向一致面间距相同。表示晶面用密勒(Mler)指数,它是用晶面 在晶胞三个轴矢方向的截距(以晶胞相应基矢为单位)取倒数再行约化为互质整数求得 的。通常以(hk)表示。当晶面平行于某晶轴时,其相应的密勒指数就为0:当晶面通过原 点时,可以平移,求出截距后进行约化,求出指数。遇有负向截距时,则在相应指数上面加 “-”。图29标出几个晶面族)及其指数。同样,晶面也有由对称操作联系一起的等效晶 面族,以hk)表示,称为广义晶面。六方品系密勒指数三指数和四指数的关系:Gk)→ ·30·
它们把整个空间点阵的阵点穿连无余;空间点阵的任一阵点,都有无限多条晶列穿过它。 图27中就一个晶胞给出几族常见的晶列。晶列的表示方法是用方括号括三个对应晶胞 a、b、c方向的互质整数即[UV W]。求 U,V,W 的方法有两种:其一是在一晶列上任选 两阵点[[m1,m2,m3]]和[[n1,n2,n3]],然后对(m1-n1),(m2-n2),(m3-n3)进行 互质约化,即(m1 -n1):(m2-n2):(m3-n3)=U∶V∶W;另一种方法是,取晶列族 中通过原点的那条直线上距原点最近阵点的指数[[u1,u2,u3]]对其进行约化。如果阵点 坐标有负值则在相应指数上面加“-”。图27中示例给出了几族晶列的指数。把由对称操 作联系在一起的等效晶列,如立方晶系的[100],[010],[001],[100],[010],[001]等用 尖括号括入的100即〈100〉表示,称为“广义晶列指数”,它表征一个晶向单形。对于六方晶 系其晶列指数有两种表示方法:三指数法和四指数法。四指数的出现是由于考虑到六方晶 系的对称性而在六方晶胞中引入d=-(a+b)作为第三基矢所致。若某晶列的三指数表 示为[UV W],四指数表示为[uvtw],则二者间的关系为: U∶V∶W =(u-t)∶(v-t)∶w u∶v∶t∶w =(2U -V)∶(2V -U)∶(-U -V)∶3W} (215) 图28表出了六方晶系的晶列方向及其指数。 员 圆员 园 眼员园园演 员 圆员员 眼员园园演 眼员圆圆演 眼员圆园演 眼员圆园演 员原员园 圆 园园园 眼圆员园演 眼员员园演 葬 遭 眼园园员演 糟 图27 晶列及其指数 眼园园员演 眼园园园员演 眼员圆员园演 眼园员园演 眼员员圆园演 眼员员园演 眼圆员员园演 眼员园园演 眼员员员演 眼员员圆猿演 眼员圆员猿演 眼园员员演 糟 葬圆 眼员园员园演 眼圆员园演 葬员 图28 六方晶系的晶列及其指数 2.晶面及其表示方法 在空间点阵中,通过任意三阵点的平面,称为点阵平面或晶面。同样由于空间点阵的 周期性和无限性,它也有无限多个与其平行的平面构成晶面族,一族晶面可把整个点阵的 阵点分尽。同族晶面的取向一致面间距相同。表示晶面用密勒(Miller)指数,它是用晶面 在晶胞三个轴矢方向的截距(以晶胞相应基矢为单位)取倒数再行约化为互质整数求得 的。通常以(hkl)表示。当晶面平行于某晶轴时,其相应的密勒指数就为0;当晶面通过原 点时,可以平移,求出截距后进行约化,求出指数。遇有负向截距时,则在相应指数上面加 “-”。图29标出几个晶面(族)及其指数。同样,晶面也有由对称操作联系一起的等效晶 面族,以{hkl}表示,称为广义晶面。六方晶系密勒指数三指数和四指数的关系:(hkl)→ · 03 ·
Ghki),其中i=-(h+k),这由第三基矢d的引入,不难求出。又因为这几乎是共知的, 所以四指数表示有时也书为(hk·)。图2.10给出了六方晶系的晶面及其指数。 图2.9晶面及其指数 图2.10六方晶系的晶面及其指数 2.1.5倒易点阵 倒易点阵是相对品体点阵而言的,其实二者是互为倒易的,只是因为习惯和历史的原 因才称后者为正点阵。若晶胞基矢为a,b,c,则由其定义的基矢a',b°,c a'=bxc b=cxa 2.1.6) 构成的“晶胞”及由其在α·,b,c·三个方向周期平移所构成的点阵,就分别称为倒易晶 胞和倒易点阵(以后简称为倒晶胞和倒点阵)。式2.1.6)中的Ω为正晶胞的体积,其大小 n=a·[b×c]=b·[e×a]=e·[a×b] 2.1.7) 给出。由此可得正倒晶胞基矢间的关系为: ·31·
(hkil),其中i=-(h+k),这由第三基矢d的引入,不难求出。又因为这几乎是共知的, 所以四指数表示有时也书为(hk·l)。图210给出了六方晶系的晶面及其指数。 穴员员园雪 穴员员园雪 糟遭 葬 遭 穴圆园园雪穴圆园园雪穴圆园园雪 穴员园园雪 穴员园园雪 遭 糟 葬 糟 葬 葬 遭 穴 糟 员员员雪 遭 葬 糟 穴员员园雪 穴员园园雪 穴员园园雪 穴员员员雪 图29 晶面及其指数 穴园园员雪 穴园园园员雪 穴员园园雪 穴员园员园雪 穴员圆员园雪 穴员圆园雪 穴员园员雪 穴员园员员雪 葬圆 葬员 穴员员园园雪 穴员员园雪 糟 图210 六方晶系的晶面及其指数 215 倒易点阵 倒易点阵是相对晶体点阵而言的,其实二者是互为倒易的,只是因为习惯和历史的原 因才称后者为正点阵。若晶胞基矢为a,b,c,则由其定义的基矢a,b,c a =b×c Ω b =c×a Ω c =a×b 烍 烌 Ω 烎 (216) 构成的“晶胞”及由其在a,b,c 三个方向周期平移所构成的点阵,就分别称为倒易晶 胞和倒易点阵(以后简称为倒晶胞和倒点阵)。式(216)中的Ω为正晶胞的体积,其大小 由 Ω=a·[b×c]=b·[c×a]=c·[a×b] (217) 给出。由此可得正倒晶胞基矢间的关系为: · 13 ·
a·a=b°·b=c·c=1 a'·b=a·c=b°·a=b·c 2.1.8) =c‘·a=c·b=0 倒点阵在讨论晶体衍射理论时是一个非常重要的概念。这里把正倒点阵几个主要量间的 关系简述如下: 1.倒点阵的矢量R·=ha·+kb·+c·垂直于正点阵的晶面hk) 图2.11中晶面hk)分别于ah,b/k,cll处与a,b,c相交,因此,矢量CA,C第便决 定了晶面hk)。现R·与CA,C第的标积为: RC=a+b+e)号-)=0 R·Ci=a+h+1e)尝-9)=0 2.1.9) 所以倒矢量R·垂直于晶面hk)。 图2.11 2.倒矢量R'=ha'+kb·+lc·的长度等于晶面hk)间距d的倒数 前己证明R·垂直于晶面(k),所以晶面hk)的单位法线矢量n=R·R·。图 2.1表明晶面族hk)最靠近原点0的面截a轴于OA(号).因此,k)的面间距dw 为: d-只·0德气“尽 2.1.10) 3.正晶胞体积0和倒晶胞体积n°=a‘·[b°×c]互为倒数。 由 n=a·[b×c] 所以 n=b×c]exa]×axb》=b×c]a=合2.lD 其中利用了关系式A×(B×C)=A·C)B-A·B)C。 利用上述性质,可以很容易地求出两晶面间的夹角,两晶面所隶属的晶带的带轴和某 晶面是否属于某带轴所标志的晶带等,特别是埃瓦尔德(Ewal)利用倒点阵引入反射球 (也称Ewald球),形象鲜明地阐明了X射线衍射的方向,成功地诠释了X射线的衍射花 ·32·
a·a =b·b=c·c=1 a·b=a·c=b·a =b·c =c·a =c·b= 烍 烌 0 烎 (218) 倒点阵在讨论晶体衍射理论时是一个非常重要的概念。这里把正倒点阵几个主要量间的 关系简述如下: 1.倒点阵的矢量R =ha +kb +lc 垂直于正点阵的晶面(hkl) 图211中晶面(hkl)分别于a?h,b?k,c?l处与a,b,c相交,因此,矢量 →CA,→CB便决 定了晶面(hkl)。现R 与 →CA,→CB 的标积为: R· →CA =(ha +kb +lc)·(a h -c l)=0 R· →CB =(ha +kb +lc)·(b k -c l)= 烍 烌 0 烎 (219) 所以倒矢量R 垂直于晶面(hkl)。 韵 悦 砸 葬 糟 葬辕澡 糟 造 遭 月 粤 遭辕噪 图211 2.倒矢量R =ha +kb +lc 的长度等于晶面(hkl)间距dhkl 的倒数 前已证明R 垂直于晶面(hkl),所以晶面(hkl)的单位法线矢量n = R/R。图 211表明晶面族(hkl)最靠近原点 O 的面截a轴于OA(a h)。因此,(hkl)的面间距dhkl 为: dhkl = a h· ha +kb +lc |ha +kb +lc |= 1 |R | (2110) 3.正晶胞体积Ω和倒晶胞体积Ω =a·[b ×c]互为倒数。 由 Ω=a·[b×c] 所以 Ω = 1 Ω3 [b×c]·{[c×a]×[a×b]}= 1 Ω2 [b×c]·a = 1 Ω (2111) 其中利用了关系式A×(B×C)=(A·C)B-(A·B)C。 利用上述性质,可以很容易地求出两晶面间的夹角,两晶面所隶属的晶带的带轴和某 晶面是否属于某带轴所标志的晶带等,特别是埃瓦尔德(Ewald)利用倒点阵引入反射球 (也称Ewald球),形象鲜明地阐明了X射线衍射的方向,成功地诠释了 X射线的衍射花 · 23 ·
样。对这些方面,读者在本书的后续内容中会逐渐清楚的。 2.1.6空间群、晶体结构举例 1.空间群及其表示方法 DOrthorhombie mm2 Cmm2 No.35 Cmm2 ○⊙垣 (○⊙垣 垣O○垣 域O⊙垣 ⊙○垣 ○⊙垣 O⊙垣 ⊙○垣 ⊙○垣 Origin on mm2 Number of positions, Co-ordinates of equivalent positions Conditions limiting Wyckoff notation. possible reflections and point Symmetry 0.00:之分0+ General: ④8f1 hkl:h+k 2n Okl:(k 2n) h0l:(h =2n) hk0:(h+k=2n) h00:h=2n) 0k0:k=2n) No conditions Special:as above,plus 4 e m 0.y.z:oy,z. No extra conditions 4dmx,0,:x,0,x 4c2子子 hkl:h=2n:=2n) 2 b mm 072 No extra conditions 2 a mm 0,0,x. symmetry of special projections ⑤001)emm:a=a,b=b100pml:b=之,c=c.010plm:c'=c,a=号 图2.12正交晶系Cmm2(C)群的资料略图 前已述及,把晶体的宏观对称操作和微观对称操作相组合,产生230个空间群,其中 包含丰富的晶体结构信息。晶体学国际协会从1952年起,连续编辑出版了“晶体学国际 表”(International Table for Crystallography)其中的A卷(第1卷)逐个汇集了230个空间 群的全部资料。原先的版本比较简单,1983年版资料很多,除了群的序号、符号、乌科夫符 ·330
样。对这些方面,读者在本书的后续内容中会逐渐清楚的。 216 空间群、晶体结构举例 1.空间群及其表示方法 ①Orthorhombic mm2 Cmm2 No.35 Cmm2 C11 2v 垣 垣 垣 垣 垣 垣 ② 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 垣 ③ Originonmm2 Numberofpositions, Wyckoffnotation, andpointSymmetry Co-ordinatesofequivalentpositions (0,0,0;1 2,1 2,0)+ Conditionslimiting possiblereflections General: ④ 8 f 1 x,y,z;x,y,z;x,y,z;x,y,z hkl:h+k=2n 0kl:(k=2n) h0l:(h=2n) hk0:(h+k=2n) h00:(h=2n) 0k0:(k=2n) 00l:Noconditions Special:asabove,plus 4 e m 0,y,z;o,y,z. 4 d m x,0,z;x,0,z. }Noextraconditions 4 c 2 1 4,1 4,z;1 4,3 4,z. hkl:h=2n;(k=2n) 2 b mm 0,1 2,z. 2 a mm 0,0,z 烍 烌 . 烎 Noextraconditions symmetryofspecialprojections ⑤(001)cmm;a′=a,b′=b (100)pm1;b′= b 2,c′=c. (010)p1m;c′=c,a′= a 2 图212 正交晶系Cmm2(C11 2v)群的资料略图 前已述及,把晶体的宏观对称操作和微观对称操作相组合,产生230个空间群,其中 包含丰富的晶体结构信息。晶体学国际协会从1952年起,连续编辑出版了“晶体学国际 表”(InternationalTableforCrystallography)其中的A 卷(第1卷)逐个汇集了230个空间 群的全部资料。原先的版本比较简单,1983年版资料很多,除了群的序号、符号、乌科夫符 · 33 ·
号及反射条件等外,尚列有一个群的母操作、品胞的非对称单位、子群、超群等,群的图示 也由原来沿C方向的投影,改为几个方向的投影。继1983年A卷后,又接着出版了C卷 1992)、B卷1993)、F卷(2001)、E卷2002)以及D卷(2003),限于篇幅和本书以后的需 要,这里仅以1952版35号群为例作简单的说明。 图2.12中编号①的部分是该空间群所属晶系(正交)、点群、简短的国际符号(此处 同完全的)、空间群序号、空间群的完全的国际符号和Schoenflies符号:编号②处是空间 群的图示包括:左边等效点系的分布图和右边对称元素沿C轴的正投影:编号③指明原 点位置的对称性:编号④标注晶胞中一般点和特殊点的位置的对称性、自左至右分别是 各位置的等效点数、Wyckoff符号、位置的对称性、等效点的坐标及反射条件:编号⑤给出 特定投影的对称性,即平面群。下面再做几点较详细的说明: (1)空间群符号的意义.230个群都有两个标记符号,即国际(Hermann-Mauguin)符 号和熊夫利斯(Schoenflies)符号。国际符号可使人们很快找出全部对称操作,绘出空间群 的图示。国际符号又分全写和略写(图2.12的全写与略写相同),全写的第一个大写字母 是布喇菲晶胞的符号如P、【、A、F·,接着是各晶系在其特征方向(见表2.2)的对称元素, 例如P1121,P12,1,P表示简单晶胞,1,1表示无对称性,21对群P1121表示在[001]方向有 螺旋轴21,对群P12,1表示在[010]方向有螺旋轴21,这是由单斜晶系两种不同的选取坐 标轴方法所造成的差异,二者的简略符号均为P2,但熊夫利斯符号却均为C号,不为坐标 的不同取法而变。在文献中常常遇到同种晶体结构其国际符号不同,这时只要观察其熊夫 利斯符号即可判定了.又如空间群P42/mnm,完全符号是P4,/m2,/m2/m,熊夫利斯 符号是D:。这是四方晶系的简单晶胞,它在[001]方向有螺旋轴4,和垂直于该轴的反映 面m,在[100]方向有螺旋轴21和垂直于它的滑移面n,在110]方向有旋转轴2和与它 垂直的反映面m。属于这个空间群的有TiO2,MgF2,MnF2,FeF2,ZnF2以及VO2MnO2 SnO,P%O2等 ②)乌科夫(Wyckoff)符号的意义。有关Wyckoff位置的资料是空间群中非常有用的 资料,乌科夫符号是晶胞中一些特定位置的符号,它按位置的对称性从高到低用字母α, b,c,d…表示,在a,b,c…左侧是相应符号所代表的等效点系的点数,其右侧是在晶胞 相应位置处点的对称性。在涉及具体晶体时,它的原子并不一定占据全部的乌科夫符号所 示位置,但是如果在某位置上有某种原子,则由这一个乌科夫符号所代表的全部位置上都 必须填有同种原子。例如,如果在图2.12的c位置上有一个氧原子,则一定有4个氧原子 分布在c所代表的4个位置上。如果坐标位置有可调参量如之,4c位置可有品种不同的4 个原子分别占据不同的:(伽子子21子子…)处.这在以后做全谱拟合时,是必须 注意的地方。 2.晶体结构举例 现把材料研制中常见的几种晶体结构举例说明如下[3,19]: (q)体心立方结构6c心)。体心立方结构属立方晶系,图2.13a)表示了其构形,在晶 胞基矢a,b,c为单位的坐标系中,晶胞中两个原子(占2a位置)的坐标分别为[0,0,0]和 ·34
号及反射条件等外,尚列有一个群的母操作、晶胞的非对称单位、子群、超群等,群的图示 也由原来沿C方向的投影,改为几个方向的投影。继1983年 A卷后,又接着出版了C卷 (1992)、B卷(1993)、F卷(2001)、E卷(2002)以及D卷(2003)。限于篇幅和本书以后的需 要,这里仅以1952版35号群为例作简单的说明。 图212中编号 ① 的部分是该空间群所属晶系(正交)、点群、简短的国际符号(此处 同完全的)、空间群序号、空间群的完全的国际符号和Schoenflies符号;编号 ② 处是空间 群的图示包括:左边等效点系的分布图和右边对称元素沿C轴的正投影;编号 ③ 指明原 点位置的对称性;编号 ④ 标注晶胞中一般点和特殊点的位置的对称性、自左至右分别是 各位置的等效点数、Wyckoff符号、位置的对称性、等效点的坐标及反射条件;编号 ⑤ 给出 特定投影的对称性,即平面群。下面再做几点较详细的说明: (1)空间群符号的意义。230个群都有两个标记符号,即国际(Hermann-Mauguin)符 号和熊夫利斯(Schoenflies)符号。国际符号可使人们很快找出全部对称操作,绘出空间群 的图示。国际符号又分全写和略写(图212的全写与略写相同),全写的第一个大写字母 是布喇菲晶胞的符号如P、I、A、F…,接着是各晶系在其特征方向(见表22)的对称元素, 例如P1121,P1211,P表示简单晶胞,1,1表示无对称性,21对群P1121表示在[001]方向有 螺旋轴21,对群P1211表示在[010]方向有螺旋轴21,这是由单斜晶系两种不同的选取坐 标轴方法所造成的差异,二者的简略符号均为P21,但熊夫利斯符号却均为C2 2,不为坐标 的不同取法而变。在文献中常常遇到同种晶体结构其国际符号不同,这时只要观察其熊夫 利斯符号即可判定了。又如空间群P42/mnm,完全符号是P42/m 21/n2/m,熊夫利斯 符号是D14 4h。这是四方晶系的简单晶胞,它在[001]方向有螺旋轴42 和垂直于该轴的反映 面 m,在[100]方向有螺旋轴21 和垂直于它的滑移面n,在[110]方向有旋转轴2和与它 垂直的反映面 m。属于这个空间群的有TiO2,MgF2,MnF2,FeF2,ZnF2 以及 VO2、MnO2, SnO2,PbO2 等。 (2)乌科夫(Wyckoff)符号的意义。有关 Wyckoff位置的资料是空间群中非常有用的 资料,乌科夫符号是晶胞中一些特定位置的符号,它按位置的对称性从高到低用字母a, b,c,d… 表示,在a,b,c… 左侧是相应符号所代表的等效点系的点数,其右侧是在晶胞 相应位置处点的对称性。在涉及具体晶体时,它的原子并不一定占据全部的乌科夫符号所 示位置,但是如果在某位置上有某种原子,则由这一个乌科夫符号所代表的全部位置上都 必须填有同种原子。例如,如果在图212的c位置上有一个氧原子,则一定有4个氧原子 分布在c所代表的4个位置上。如果坐标位置有可调参量如z,4c位置可有品种不同的4 个原子分别占据不同的z(如1 4,1 4,z1,1 4,1 4,z2…)处。这在以后做全谱拟合时,是必须 注意的地方。 2.晶体结构举例 现把材料研制中常见的几种晶体结构举例说明如下[3,19]: (1)体心立方结构(bcc)。体心立方结构属立方晶系,图213(a)表示了其构形,在晶 胞基矢a,b,c为单位的坐标系中,晶胞中两个原子(占2a位置)的坐标分别为[0,0,0]和 · 43 ·