晶体结构范文
时间：2023-03-19 02:52:51
晶体结构范文第1篇
关键词：Mercury；晶体；结构
在晶体结构研究过程中，研究者往往要展示晶体的微观内部结构单元，虽然有结构模型，但是数量有限，展示的效果不尽如人意。随着化学软件技术的发展，已经有很多软件可以很好地为晶体结构研究服务。
Mercury是英国剑桥晶体数据中心Cambridge Crystallographic Data Centre制作的剑桥结构数据库系统Cambridge Structural Database System下的一个软件，用来观察研究晶体的三维结构，时有免费的版本和商业版更新。Mercury运行在Windows（或Unix平台）上。下面简单介绍一下利用Mercury软件来研究晶体结构。
1 Mercury软件的主窗口
Mercury软件的主窗口比较简单，屏幕中间的黑色区域为显示区，所读入的晶体结构数据输出在这里；标题栏显示程序的名称以及当前打开的晶体编号；菜单栏包含一系列菜单命令；工具栏位于菜单栏的下方，列出常用的工具，例如：显示风格、颜色、选择模式和操作方式等等；位于屏幕右侧的空白区域为结构列表区，列出载入文件或数据库所含的结构列表；处于显示区下方的有接触列表区和选项区，前者与分子间或分子内接触作用相关，而后者包含一些常用选项。此外，在显示区下方还有一个是否进行晶胞堆积的复选框；屏幕最下方为任务栏，包含与当前状态有关的帮助信息。
2 Mercury软件的简单操作
2.1 文件调入
mercury软件使用.cif结构文件，要求该结构文件所在的路径不能含中文。
2.2 晶体结构位置调整
显示窗口中按住鼠标左键或右键拖动可以随意旋转结构和调整结构大小的缩放率，也可以通过快捷菜单中的快捷命令来调整，以得到较好的结构视图。
2.3 显示样式选择
style可以选择原子显示模式，wireframe线框式（默认）、capped stick粗棍式、Ball and Stick球棍式和Spacefill空间堆积模型。分子结构一般选择球棍式，晶胞堆积图比较复杂，一般选择粗棍式或线框式。
2.4 颜色选择
颜色分两种模式，by element按照元素分配不同颜色，by Symmetry Equivalence按照分子指派不同颜色，等效对称的分子具有相同的颜色。
2.5 模式选择
picking mode选择模式，默认select。
2.6 显示非键连作用
Packing显示晶胞内容，reset重新回到最初载入的结构，显示非对称单元。H-bond显示广义的氢键，Short contact显示小于范德华半径之和的非键连作用（肯定包含氢键）。
3 Mercury软件的功能
Mercury软件能够读取多种格式的晶体结构数据，在界面中输出晶体的三维结构；晶体的三维结构可以采取多种显示风格，如球棍、热椭球模型等，同时可以改变晶体结构的显示属性，如原子和键的颜色等；在界面中通过各种旋转和平移操作可以更好地观察晶体结构，并且能够得到沿着各种特征轴的视图以及最小二乘平面、米勒平面；在处理分子间或分子内相互作用力时，该软件有其独到之处，能够自定义分子间或分子内相互作用力，同时构建出这种相互作用力的三维空间网络；在测量方面，Mercury软件可以得出原子、质心和各种平面之间的距离、角度和扭角；另外，软件还可以计算、显示、储存所输入晶体结构的粉末衍射图谱，为物质的物相分析提供一个理论的依据。
商业版的Mercury软件还有以下的功能：可以同时显示多个结构，对多个结构进行最小二乘重叠；可以手动编辑结构，如加氢、键，改变键型等；可以自动指认键型，同时按照剑桥晶体数据库的惯例校对键型；可以显示晶体的Bravais， Friedel， Donnay and Harker （BFDH）形态。
4 Mercury软件在晶体结构研究中的应用
4.1 可以选择多种模式显示晶体结构（球棍、线型等），并对晶体结构进行位置及尺寸调整，得到最佳的观察点。
4.2 可以删除晶体结构中的局部结构（如溶剂分子），以突出核心的结构单元。
4.3 可以展示晶体结构存在的非键连作用，可以更好地理解配合物的结构特点。
4.4 可以显示晶胞，并对晶胞所含结构单元数进行调节。
4.5 可以得到晶体结构图和晶胞堆积图（如图1所示）。
上述简单的介绍可使读者对Mercury软件在晶体结构教学中的应用有初步的了解。虽然该软件仍有不足，但仍然是化学工作者的好帮手，可给晶体结构教学和科研带来极大的便利。若想进一步了解该应用软件，可以在http：//查询。
参考文献
[1]金淑泓.用Diamond软件构建化学晶体[J].现代教学，2004，11：32-34.
晶体结构范文第2篇
关键词：晶胞； 六方晶胞； CsCl晶胞； CO2晶胞； 平移性
1 引言
本学期开始之后，有不少同学来问我一些关于晶体结构方面的问题。我们讲的是晶体结构这部分内容，包括金属键和金属晶体，离子键和离子晶体以及共价键和原子晶体。这部分内容比较抽象，学生掌握起来相对较难，因此在学习过程中会遇到很多问题。尤其是对晶胞概念的理解，更是晶体结构的基础，对学生以后的学习有重要的影响。
但是这部分内容学生掌握的并不好，再加上现在一些参考书上也出现了与学生同样的问题，例如，认为六方晶胞是六方柱、CsCl晶胞是体心立方的、二氧化碳是面心立方的……这些都是由于对晶胞的概念没有真正理解造成的。因此，我在这里就从晶胞的概念和本质特征（平移性）出发，就这些错误进行解释。
晶胞概念是晶体学基本概念，本应在建立点阵概念后再作讨论，但点阵概念较抽象。如果从点阵出发，可能会让学生更糊涂，起不到一个较好的效果，因此本文仅从教材出发，针对几个实际问题来讨论。
2 具体问题
2.1 六方晶胞到底是怎样的
在讲到金属堆积方式的时候，我们知道金属有一种最紧密堆积方式――六方堆积。
那么这种六方堆积的晶胞是怎样的呢？在苏教版《物质结构与性质》的第32页图3-8“金属晶体的三种密堆积方式以及对应的晶胞”中给出的六方晶胞是这样的：
那么这个六方柱到底是不是六方晶胞呢？要回答这个问题首先就要知道什么是晶胞。
2.1.1 晶胞的特征
2.1.1.1晶胞具有平移性
晶胞是描述晶体微观结构的基本单位。分析一个晶胞中原子的排列，就等于分析了整块晶体。整块晶体可视作成千上万个晶胞“无隙并置”地堆积而成。所谓“无隙”，指晶胞与晶胞总是共面共顶角共棱地比邻，晶胞间不留任何空隙；所谓“并置”，是指从一个晶胞到另一个晶胞，无须转动，是简移，或者说，晶体是由许许多多方向完全一致的晶胞在晶体微观空间的任何一个方向上平行地排列着的，晶体中不存在取向不同的晶胞。其实，“无隙并置”是晶胞本质特征――“平移性”的另一表述而已。[1]
图1 晶胞平移示意图
2.1.1.2晶胞是平行六面体
根据晶胞的平移性，即无隙并置，这个六方柱显然是符合晶胞的定义的。但我们现在沿用的晶胞的概念指的是一种费多罗夫体――平行六面体，最早由法国科学家布拉维（Bravais）提出，全名当为“布拉维晶胞”。因此，通常所说的晶胞是“习用晶胞”，是指的平行六面体的布拉维系晶胞。所以根据这点，我们就可以知道这个六方柱并不是我们通常所讲的晶胞，而教材给出的其它晶胞却都是布拉维系晶胞，这就容易让学生概念混乱，因此将这个六方柱认为是六方晶胞显然是不合理的。
2.1.2 六方晶胞
根据以上晶胞的特征（平移性、平行六面体），我们就能在这个六方柱内划出真正的六方晶胞。如下图所示：
图2 六方晶胞结构示意图
其中红色的平行六面体才是六方晶胞，将六方晶胞放在六方柱内是为了说明∠α=60°，若单独取出六方晶胞，就无法形象的说明了。
2.1.3 一个六方晶胞内实际含有的原子数
在这段内容中，要求学生掌握用均摊法求算一个晶胞内实际含有的原子数，那么一个六方晶胞内实际含有的原子数为多少呢？
要回答这个问题，仍然先要来研究六方晶胞。我们现在已经找到了六方晶胞。位于六方晶胞体心位置的原子很显然就只被一个晶胞所占有，那么在六方晶胞中其顶点位置的原子是被几个晶胞所共有呢？有不少学生在求算时，认为这个六方柱面心位置的原子是被六个六方晶胞所占有的。这种理解是错误的。
根据晶胞的特征，我们知道晶胞应该具有平移性，即在晶胞平移的过程中晶胞不能旋转，因此在这个六方柱内并不存在三个完整的晶胞。如下图所示，我们就可以知道，六方柱面心位置的原子到底是被几个六方晶胞所占有的。
很明显六方晶胞的一个顶点原子是被八个六方晶胞所共有。所以一个六方晶胞中实际含有的原子数=8×1/8+1 =2
图3 六方晶胞中实际含有的原子数
2.2 CsCl晶胞是简单立方晶胞还是体心立方晶胞
在讲到“专题三 第二单元离子键 离子晶体”时，教材37页给出了CsCl晶胞的结构示意图。不少学生看了图之后，马上就认为CsCl晶胞是体心立方晶胞，甚至有些参考书上也认为它是体心立方晶胞。这种观点是否正确呢？我们先要来了解一下体心立方晶胞的特征。
图4 CsCl晶胞
2.2.1 体心立方晶胞的特征
体心晶胞的特征是可作体心平移；反之，不能作体心平移的晶胞不是体心晶胞。即将晶胞的框架（围拢晶胞的多面体）的顶角移到原晶胞的体心位置（晶胞内外原子的位置保持在原位不动）。然后观察，移位的框架围拢的“新晶胞”里所有原子的位置是否与原晶胞里所有原子的位置一一对应地相等，如果相等，表明晶胞具有“体心平移”的特征，这种晶胞就是体心晶胞，若不是，这种晶胞就不是体心晶胞。下图中晶胞A就是体心立方晶胞，晶胞B则不是体心立方晶胞。
CsCl晶胞就属于B类型的晶胞，因此它不能进行体心平移，不是体心立方。
2.2.2 CsCl晶胞属于简单立方晶胞。
那么它是属于哪一类晶胞呢？根据晶胞的平移性，将CsCl晶胞的框架（围拢晶胞的多面体）的顶角移到原晶胞的另一个顶点位置（晶胞内外原子的位置保持在原位不动）。发现，移位过后“新晶胞”里所有原子的位置与原晶胞里所有原子的位置是一一对应地相等的。因此CsCl晶胞应该属于简单立方晶胞。
2.2.3 其它一些的类似错误
根据这一原理（晶胞的平移性），面心晶胞的特征是可作面心平移，即将原晶胞框架的顶角平移至原晶胞的任一面心位置得到的新晶胞与原晶胞无差别。所以NaCl晶胞应该属于面心立方晶胞。
所以判断离子晶体的晶胞属于哪个类型，最简单的方法就是只看一种离子的排列方式。因为离子晶体不像金属晶体那样是由等径小球堆积而成的，它是由不同的阴、阳离子构成的，因此在平移的时候，不能将一种离子平移至异号离子的位置上，只能将它平移至同种离子的位置上。如CsCl晶体中Cs+就不能平移至位于“体心”位置的Cl-处。离子晶体也可以看作是一种离子填入另一种离子所构成“晶胞”的空隙中。
类似的问题还有，干冰晶胞应该属于哪种类型呢？不少学生在回答这个问题的时候只是粗粗的看了一下它的晶胞，然后就回答是面心立方的。但是如果我们仔细观察可以发现上图干冰晶胞中的二氧化碳分子并不是完全相同的，而是有不同取向的。根据晶胞的定义及特征，它是晶体中最小的重复单元且必须无隙并置移动。所以干冰晶胞在平移过程中，一个CO2分子必须平移至与它具有相同取向的分子的位置才行。因此它不能实现面心平移，而只能按照简单立方的结构平移。所以，干冰晶胞应该属于简单立方晶胞。
2.2.4 立方晶系
这里讲到的简单立方、体心立方、面心立方都属于立方晶系，如下图所示。它们都能够按照简单立方的结构平移，即将原晶胞框架的顶角平移至原晶胞的任一顶角位置得到的新晶胞与原晶胞无差别。而其中的体心立方还能进行体心立方平移，面心立方能够进行面心立方平移。
3 结论
以上是学生在晶体结构这部分内容的学习过程中比较容易犯的错误。其实只要能把握住晶胞（习用晶胞）的定义及本质特点――平移性（或称为无隙“并置”），以及它的构型――平行六面体，就能够准确的找出各种类型的晶胞。
______________
晶体结构范文第3篇
A. 具有规则几何外形的固体一定是晶体
B. 任何晶体中都含有化学键
C. 含有阳离子的晶体一定属于离子晶体
D. 含有阴离子的晶体一定属于离子晶体
2.右图为冰的一种骨架形式，依此向空间延伸，则x mol冰中含有氢键（ ）
A.2x mol B.4x mol
C.6x mol D.8x mol
3. 下列物质的熔、沸点高低顺序正确的是（ ）
A. C60>晶体硅
B. NaCl>Hg>HF
C. 离子化合物>共价化合物
D. 金刚石>生铁>纯铁
4. 在氯化钠晶体中，与某个Na+距离相等且最近的Cl-所围成的空间几何构型为（ ）
A. 正四面体 B. 正八面体
C. 正六面体 D. 正二十面体
5. 下列晶体：①Na2O2、②固体氨、③NaCl、④SiO2、⑤冰、⑥干冰，其中含有三种作用力的是（ ）
A. ①②③ B. ①②⑥
[A][B][C]C. ②⑤ D. ⑤⑥
6. 某晶体的结构如右图所示，这种晶体中A、B、C三种微粒数目之比为（ ）
A. 1∶4∶2 B. 2∶9∶4
C. 3∶9∶4 D. 3∶8∶4
7. 某晶体为体心立方晶格（如左图），实验测得其密度为ρ（g・cm-3）。已知它的相对原子 质量为a，阿伏加德罗常数为NA，假定晶体中原子为等直径的刚性球且处于体对角线上的三个球相切。则晶体中原子的半径r（cm）为（ ）
A. [2aNAρ3] B.[3?2aNAρ3]
C. [34?2aNAρ3] D. [12?2aNAρ3]
8. 元素X的某价态离子Xn+中所有电子正好充满K、L、M三个电子层，它与N3-形成的晶体结构如图所示。
（1）该晶体的阳离子与阴离子个数比为 。
（2）该晶体中Xn+中n= ，X元素的原子序数是 。
（3）晶体中每个N3-被 个等距离最近的Xn+包围。
9.目前，利用金属或合金储氢的研究已取得很大进展，右图是一种镍基合金储氢后的晶胞结构图。
①该合金的化学式是 。
②该合金储氢后，含1 mol La的合金可吸附H2的数目为 。
10.碳族元素C、Si、Ge、Sn、Pb：
（1）碳纳米管有单层或多层石墨层卷曲而成，其结构类似于石墨晶体，每个碳原子通过 杂化与周围碳原子成键，多层碳纳米管的层与层之间作用力为 。
（2）铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构：Pb4+处于立方晶胞顶点，Ba2+处于晶胞中心，O2-处于晶胞棱边中心，该化合物的化学式为 ，每个Ba2+与 个O2-配位。
11. 铜是重要金属，Cu的化合物在科学研究和工业生产中具有许多用途。
（1）下图?????表示的是Cu晶体中微粒的堆积方式，其空间利用率为 ，配位数为 。若Cu晶体中一个晶胞的边长为a cm，则晶体的密度为 。
甲 乙 丙
（2）一种铜合金晶体具有立方最密堆积的结构，在晶胞中Cu原子处于面心，Au原子是处于顶点位置，则该合金中Cu原子与Au原子数量之比为 ；
（3）上述晶体具有储氢功能，氢原子可进入到由Cu原子与Au原子构成的四面体空隙中。若将Cu原子与Au原子等同看待，该晶体储氢后的晶胞结构为CaF2的结构相似，该晶体储氢后的化学式应为 。
晶体结构范文第4篇
关键词：光子晶体；微带贴片天线；杂波抑制；光子带隙
中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）31-0064-03
一、概述
微带天线广泛应用于雷达、通信等领域，但微带天线的不足之处在于，其结构可以支持表面波，而表面波使能量难以辐射出去，被束缚在介质层附近，从而使天线的效率降低；此外，电磁波在介质截断的地方容易出现辐射和绕射现象，使天线的方向图受到不良影响，导致天线旁瓣起伏加大和后瓣增大，容易造成天线受到电子欺骗和干扰。
随着技术的发展，将微波器件与光子带隙材料相结合的应用产品渐渐增多和成熟，PBG（光子带隙）结构是周期性的带阻特性结构，在某些频段能够显著抑制电磁波的传播，PBG的应用优势可以体现在两方面：一是压制高次谐波；二是提高方向图增益，抑制表面波。本文结合光子晶体结构的技术特点和发展趋势，探讨在微带贴片天线中引入光子晶体结构的具体应用，使天线表面波的辐射在光子晶体的特性作用下被减小，使杂波得到抑制，增强天线在最大辐射方向上的增益值，最终整体提升天线的接收信号的能力。
二、光子晶体的原理概述
光子晶体是一种电磁介质，其折射率具有周期性变化的特点。最初，光子晶体主要的应用是在光学范畴，结合电磁场电磁波理论，如果介质中的介电常数具有周期性分布的规律，则其电磁场服从Maxwell方程。通过求解周期场中Maxwell方程，可知该方程在某些频率区域内无解，只有在特定的某些频率下，该方程才存在有效解。由此可知，某些频率的电磁波在周期性的介电结构中是无法传播的。我们以“光子带隙”命名这些被禁止的某些频率区间，把存在光子带隙的周期性介质叫做光子晶体。对于光子晶体而言，其最重要的特征也在于此。
微带天线与其他类似的微波天线相比具有诸多优点，包括重量轻、体积小、适合与电路集成、剖面低等，但同时微带天线本身性能的发挥也受限于其固有的缺点。举例来讲，微带天线工作频带只有1%～5%，相对较窄，微带天线还会激励起表面波，高次模，同时也易于发生有源天线的伪辐射。所以，利用光子晶体所特有的频率带隙特性，弥补微带天线的不足之处，能够显著天线微带天线性能。基于光子晶体的微带天线主要有以下几种类型：
（一）基于介质型光子晶体的微带天线
这种微带天线结构是本研究所关注的天线结构。这种结构通过在处于天线支撑基片位置的介质层中挖出空气洞，把天线在中间包围起来。因为基片结构往往比较薄，天线的背面必须有金属质地的地板以起到支撑作用，因此介质型结构微带天线在加工方面难度比较大；此外，因为光子晶体结构其工作波长是周期尺寸的两倍，只加了少数几个周期在天线周围，天线的整体尺寸比较大。
（二）基于UC-光子带隙的微带天线
属于金属D电介质型的光子晶体。这样的结构相对而言比较紧凑，天线在同样处于光子晶体结构中间被包围起来。这种类型的光子晶体，结构其工作波长是周期尺寸的10倍以上，因此整体尺寸来讲，这种天线的结构显得更加紧凑，可以采用同轴对天线馈电。基于UC-光子带隙的微带天线的不足之处在于其比较复杂的结构，为设计带来一些困难。
（三）基于高阻表面光子晶体的微带天线
这种光子晶体结构的基本特性是带隙性能好、结构紧凑，便于集成，因此广泛地应用于天线的设计中。同时这种天线在设计上比较简单，将这种光子晶体结构用于设计微带天线，将光子晶体结构布置于微带天线四周的介质基板上，微带天线的工作频率与光子晶体的表面波带隙重合。
三、基于光子晶体结构的微带贴片天线设计
本文所阐述的光子晶体结构的微带贴片天线，是首先结合圆极化 GPS 贴片天线，并以微波介质复合材料作为基板，把光子晶体结构引入到此款GPS天线，通过实证研究与测试，来观察天线接收信号的能力以及天线的参数指标的提高程度。
（一）在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构
微带贴片天线接地面引入光子晶体结构的方法采取了地面腐蚀型结构，这种结构腐蚀出周期行的孔洞排列在天线的接地面上，这些孔洞体现出光子晶体频率所特有的带隙特性，从而得到比较好的阻带性能。这种结构在业界也被称为“缺陷地”结构。这种实现方法对结构破坏很小，而且制作相对简单，加工难度也不大。决定这种结构的特性的主要因素包括：（1）周期单元的数目多少；（2）周期单元的具体排列方式以及周期单元的结构特点，此外还包括介电常数，介质的厚度等因素。大部分基于光子晶体结构的“缺陷地”周期单元都采用圆形、方形等相对简单的几何形状，为了获得多频段的频率带隙，也可以引入分形结构的单元来构成其几何形状。
通过在接地面上挖圆孔，接地面上挖周期性正方形孔洞均可构建在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构的天线，本文提出一种新的“缺陷地”结构，主要模式为接地面上挖周期性的双振子形状孔洞，仿真模型结构如图1所示：
图1中，所构建的接地面面积是100×100mm，将双振子形状的孔洞挖出来，使其分布于天线接地面，从而实现光子晶体结构的使用。本文的设计方式和参数为：对于主振子，其宽度是2mm，条带长度是8mm，对于附着振子，其宽度是2mm，条带长度是6mm。以13mm长度作为其阵列间距，周期的个数是7个。其中，坐标中心距第一层周期结构中心的距离是27mm。在天线上接地面处馈电点与双振子位置发生重合之处不挖双振子。
（二）在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构
微带贴片天线介质中引入光子晶体结构的方法，是通过将空气孔洞布置在介质材料上，从而改善天线的性能，实现光子晶体结构的使用。从实现的难易来讲，这种模式的加工难度较低。这种结构的天线在很大程度上削弱了旁瓣和背瓣，带宽也有比较显著的增加，天线的向前辐射的增益与传统天线相比较，平均提高了10DBI左右。本文所设计的天线采用了介质型光子晶体结构，通过在在基板材料中加载光子晶体结构来实现。仿真模型结构如图2所示：
构
具体实现方法是：将周期性排列的孔洞打入微带基板的介质中，从而形成介质型微光子晶体。本设计中，所选的天线基板介电常数为10.3，天线损耗角正切值在1×10-3以下，选用厚度为2.5mm的复合板介质。金属贴片的面积为29.43mm2，把半径为2.5mm的空气孔洞分布于在介质材料中，并使之在贴片周围有规则的排列，在贴片的四周挖周期性的孔洞，略过贴片正下方，所挖孔洞共有三层，其周期值设定为10.5mm，坐标圆心到第一层空洞距的距离为25mm。
四、实收信号测试
（一）在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构测试
图3所示为在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构测得到的方向图：
图 3 在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构测得到的方向图
由图3可知，天线辐射方向图在上半平面没有旁瓣辐射，比较圆滑均匀，方向图的E面和方向图H面也吻合得比较好。天线零角度的最大增益在接地面挖双振子形孔洞后，值为5.26DBI。
同时应该看到的是：在微带贴片天线接地面引入光子晶体结构中，由于接地结构被部分的破坏，导致天线的背向辐射变大，这是需要尽力避免的。
天线的轴比数据见表1：
可知天线的圆极化特性得到了增强。
（二）在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构测试
由图可知，在上半平面，天线的辐射方向图没有旁瓣辐射，很圆滑均匀。方向图的 E 面和方向图H 面也吻合得比较好，天线的后向辐射也不太显著，天线零角度的最大增益在微带贴片天线介质中引入光子晶体结构后，值为5.25DBI。
天线的轴比数据见表2：
可知天线的圆极化特性得到了增强。
（三）微波暗室测试
将本文所设计的接地面挖正方形天线与介质型空气柱天线在微波暗室中测试，测试信号的产生来自固定功率信号模拟设备，在微波暗室中以标准的圆极化天线发射信号，测定待测天线的信号接收效果，见表3：
表3 天线接收信号微波暗室测试数据
天线种类 普通天线 接地面挖正方形天线 介质型空气柱天线
由上表的数据可知，在微波暗室中，普通天线信噪比为38dB，接地面挖正方形天线与介质型空气柱天线信噪比明显增强，增加了约3～4dB，效果显著。
五、结语
天线在很多领域都有广泛应用。光子晶体是一种具有频率带隙的周期介电材料，也是一种新型人工材料，在微波频段发展迅速。本文基于目前的光子晶体科研基础，设计了基于光子晶体结构的微带贴片天线，经过实验测试，证实能够克服传统天线的一些不足，具有比较好的理论价值和实践意义。
参考文献
[1] 钟顺时．微带天线理论与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2001.
[2] 闫敦豹，袁乃昌．PBG结构缺陷的谐振特性研究[J]．微波学报，2010，19（3）.
[3] 车仁信，程鑫，纪颖．基于FDTD的宽带微带天线的研究
[J]．现代雷达，2006，28（5）.
[4] 姚广锋．采用PML的FDTD方法对矩形微带天线的研究[J]．现代雷达，2006，28（11）.
晶体结构范文第5篇
关键词：材料科学基础 教学过程 教学研究 实践教学
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）04（b）-0062-01
材料科学基础是一门讲述金属与合金的成分、结构、组织与性能之间的内在联系以及在各种条件下变化规律的课程，既有较强理论性，又要为后续各有关专业课打基础[1]。随着高等教育教学改革研究和实践的不断深入，各高等学校材料成型及控制工程专业材料科学基础对教学方法和教学手段都在不断探索和改革[2]。近年来，江苏科技大学从拓宽教学内容、更新知识体系、优化教学方法、网络课程建设、完善实践教学等方面对材料基础课程提出了建设需要。作为材料科学基础的理论与实验课教师，我在思考如何利用学校教学改革的契机，针对材料科学基础教学中出现的问题探索新教学方法，达到提高教学质量的课程建设目标。
1 材料科学基础课程的教学现状
我校材料成型及控制工程专业的材料科学基础主要面向铸造和焊接方向的学生，课程是从原来的金属学及热处理课程拓宽而来，主要分为晶体学、结晶学、相变、塑性变形、扩散、热处理原理与工艺等部分。从几年的教学和考试经验来看，晶体结构部分，我校学生对金属的空间结构较容易理解，但与空间结构结合起来的堆垛方式和层间间隙学生的理解较为困难。后面几个章节涉及晶体结构内容最多的是晶体的塑性变形，在塑性变形的学习中，学生能够很好的理解晶体的滑移过程中的变形面和变形方向。但对孪生变形，学生反映对书内介绍的切变过程、切变区与未切变区的分界面、发生均匀切变的孪生面、孪生面切动的孪生方向等内容看不懂。特别难以理解的是孪生变形中均匀切变的晶面与孪生面的关系及变形区与未变形区的镜面对称关系。
2 课堂教学方法的创新
2.1 课堂设计
针对材料科学基础教学中出现的晶体结构和孪生变形教学难点，在课堂上动画展示晶体结构堆垛方式和孪晶变形的基础上，探索让学生操作模型的方式增强学生的感知，模型利用科研中研究原子之间位向关系的磁力棒（带钢球）和波波球组建。波波球用于展示晶体堆垛模型，磁力棒用于展示孪晶变形模型。堆垛模型为颜色不同的并分组粘牢的波波球，分为三个一组、六个一组、单个一组两种。孪晶变形模型为用磁力棒及钢球排列出的面心立方{110}面的点阵结构，变形区用不同颜色的磁力棒以区别于变形区。
2.2 课堂教学实践
讲述晶体结构时，首先动画演示堆垛方式，面心立方与密排六方的密排{111}与（0001）原子排列情况完全相同，由（0001）面沿[001]方向按ABAB……顺序堆垛即为密排六方结构。以（111）面逐层堆垛按ABCABC……顺序堆垛的即为面心立方结构。
之后尝试让同学们自己堆垛出两种空间结构。将已用胶水粘牢按颜色分组的波波球模型发给学生，每组学生发放六个一组的模型三个，三个一组的模型两个，三个一组的两个。要求学生根据动画按ABCABC顺序堆垛出面心立方模型，按ABAB顺序堆垛出密排六方模型。之后再让同学们用现有的波波球自己堆垛出一个面心立方和密排六方晶胞。对堆垛理解不深，开始时摆不好学生在堆垛成功后，反映完全理解了堆垛的方式。
在堆垛好面心立方晶胞后，让同学观察球与球之间的间隙。然后给学生讲述实际金属中这些间隙的重要性，其数量、大小及位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都很重要。
在讲述孪生变形时，首先将孪生变形前后的两个晶格模型展示给学生。介绍钢球代表原子的中心，磁力棒代表晶格中连接阵点的直线。每组同学发放一个用磁力棒和钢球排列好的正面为面心立方{110}面的晶格，告诉学生{110}面不是孪生面，而是发生变形的晶面，而变形的晶面上用不同颜色的磁力棒展示的为孪生变形区。通过观察立体的变形区，学生很快找到了变形区和未变形区的界面孪生面。并且根据孪生面，指出了孪生方向。之后让学生自己尝试孪生变形操作，孪生变形过程较为复杂，但通过指导，大部分学生完成了对变形区的变形。
2.3 教学总结
通过形象直观的模型引出教学内容的教学方法优化加深学生的印象，促进了学生对晶体结构和孪生变形的理解。大部分学生反映五颜六色的波波球堆垛模型很吸引他们的兴趣，他们反映对模型排列的实践像是在做游戏，同时，让他们更好的理解了晶体的空间结构。对于孪生变形，作业和测验情况显示学生对孪晶变形特征的表述方法更多了，不再是单纯的书本上的表述，而过去测验中大部分学生难以找到变形区与未变区镜面对称的两部分晶体，大部分学生在测验中找到了，说明大部分学生真正理解了孪生变形的特点，教学效果提高了。
3 结语
本文根据材料科学基础晶体结构及孪晶教学环节中出现的问题进行的教学改革，可以提高学生材料科学基础相关知识的理解水平，达到提高教学质量的目标。
参考文献
[1] 周细应，李培耀，童建华.《材料科学基础》教学改革的实践探讨[J].上海工程技术大学教育研究，2005，2：1-3.
晶体结构范文第6篇
关键词：多金属氧酸盐；水溶液合成；过渡金属
中图分类号：O614 文献标识码：A
通过仔细的调查研究我们可以得知，在以往的文献中，大多研究的是基于Keggin结构、Dawson结构等化合物，没有深入的研究溶液中合成含Anderson型多阴离子的化合物。近些年的研究表明，Anderson型多阴离子的性能也较为优异。笔者在原料方面选取了简单无机盐和醋酸，通过对溶液的酸碱值进行调节，对两种新化合物进行了合成，对晶体结构数据进行了收集，并且研究了含过渡金属配合物的合成、晶体结构及性质。
1 实验部分
一是试剂和仪器：三是化合物的热重：通过TG分析化合物1我们可以得知，有三步失重存在于50到400摄氏度的范围内，前两步有着较低的失重温度，吸附水和结晶水会失去，失重量在百分之十五左右，后一步有着较高的失重温度，配位的乙酸根离子会失去，失重量为百分之十五左右，同时，还会破坏分解晶体，总的失重量为百分之三十左右，和理论值没有较大的差距。
四是化合物的紫外光谱：通过相关的研究我们可以得知，有一条吸收带出现于250nm左右，这是因为有两个顺式端基氧存在于Anderson结构杂多化合物中，有着较短的距离，孤对电子会互相排除，这样就增加了电子跃迁吸收能量，促使谱带蓝移问题的出现。
结语
通过上文的叙述分析我们可以得知，结合相关文献的研究结果，本文成功合成了两种化合物，并且对含过渡金属配合物的合成、晶体结构以及性质等方面进行了深入的研究，希望可以提供一些有价值的参考意见。
参考文献
晶体结构范文第7篇
关键词：金属晶体 溶入析出 力学性能 防腐性能
金属材料的热处理过程是金属材料微观相结构发生固态转变的过程，固态转变是金属材料合金成分在金属晶体晶胞内的溶解析出形成的。热处理过程中金属材料冷却转变温度不同，形成不同的微观相结构，金属材料的合金成分不同，热处理以后会有不同的微观显微组织。为了满足对金属材料各种性能的要求，对金属材料进行强韧化处理，加入合金成分进行固溶强化，冷变形回复再结晶细晶强化，塑性变形增加金属材料的位错强化。金属材料强韧化处理以后，可以应用在工程和机械方面，有工程结构钢、机械制造结构钢，应用在工具制造和耐热耐高温的高科技行业，有工具钢、高温合金钢。热处理的发展有整体热处理、表面热处理、化学热处理，我国先进的热处理设备和热处理技术为我国现代化建设作出了重要贡献。
1、金属材料的微观晶体结构
金属材料都是晶体结构，如果金属在液态急冷也会形成非晶态组织。晶体有单晶体和多晶体，单晶体是单一位向的晶体，多晶体是不同位向的晶体，晶体的不同位向我们称之为晶粒。
金属材料的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，各种晶格结构的晶体都有它的晶向指数和晶面指数。晶向指数的确定方法是建立坐标系，求坐标uvw，化整数uvw，加中括号，晶面指数的确定方法是建立坐标系，求截距、取倒数、化整数、加小括号。金属材料的微观显微组织由各个相组成，所谓相就是金属材料中结构相同、成分性能均一的组成部分。金属材料合金成分在金属晶体中固溶，金属材料晶体结构中存在空位、间隙原子，存在位错，还有晶界、相界以及表面。
2、金属材料合金成分的溶入析出理论
金属材料由金属晶体加入合金成分固溶在金属晶体的晶胞内，合金成分它们的原子以分子间力、金属键、共价键、离子键的结合力的形式固溶。金属材料合金成分的原子在金属晶体的晶胞内的固溶位置随温度而变化，温度升高原子逐渐固溶在金属晶体的晶胞心部，快速冷却时原子析出在金属晶体的晶胞表面，金属材料的晶格结构从体心立方晶格转变成面心立方晶格和密排六方晶格。金属材料合金成分的原子从晶胞心部向晶胞表面的析出过程是微观相结构的形成过程，在热处理冷却过程中不同的冷却转变温度析出具有不同形态的相组织。从加热状态快速冷却至室温的金属材料晶格结构之间的转变我们称之为金属材料的相变。
金属材料的热处理过程是金属材料加热、保温和快速冷却的过程，在热处理加热过程中，随着温度的升高，金属材料的合金成分在金属晶体晶胞内的溶入度不断增大，从加热保温状态以一定的冷却速度冷却，随着金属材料合金成分在金属晶体晶胞内的溶入度迅速减小，合金成分析出在金属晶体的晶胞表面，在室温下可以从电子显微镜观察到不同的微观相组织。
3、金属材料合金成分和力学性能
金属材料中的合金成分可以增加金属材料的强度。金属材料合金成分不同，原子之间的结合力不同，则金属材料的力学性能不同。纯金属只有一种金属原子，它们原子之间的结合力我们称之为分子间力。如果固溶的合金元素是金属元素，则固溶的合金元素之间形成金属键，如果固溶的合金元素是金属元素和非金属元素，则形成共价键，两个原子各提供一个价电子形成的共价键称为一般共价键，由一个原子单独提供价电子形成的共价键称为配位共价键。如果固溶的合金原子结合力强形成离子键，离子键是金属原子的核外电子进入非金属原子的核外电子轨道形成离子键化合物。
在热处理中，同样的冷却转变温度不同的金属材料有不同的微观析出形态，这和金属材料原子之间的结合力有关，原子之间的结合力不同原子析出速度不同，形成不同的微观相结构，材料因此具有不同的强度、硬度等力学性能。
4、金属材料原子的结合力和防腐蚀性
金属材料要具有很强的抗氧化和抗腐蚀的能力。空气、蒸汽、水属于弱腐蚀介质，酸、碱、盐属于化学侵蚀性介质。在金属材料中间隙固溶的合金原子之间存在结合力，如果金属晶体的原子和合金成分原子之间也存在结合力，则间隙固溶的合金成分的原子能量增加，间隙原子置换出金属晶体的原子，置换出的金属原子进入金属晶体的空位或表面，进入表面的金属晶体原子和弱腐蚀介质或者化学浸蚀性介质的原子结合形成化合物，金属材料就会被氧化腐蚀。
如何防止金属材料氧化腐蚀，就是要防止金属材料的金属晶体的原子被合金原子置换。金属材料的合金原子固溶后由于间隙固溶原子会造成晶格绮变，原子核对电子的束缚力很大，形成自由电子可能性很小，而间隙固溶的原子核外电子轨道的重叠很多，能形成稳定的化学键。如果合金材料中加入一种金属合金元素则金属原子之间以分子间力的形式形成稳定的固溶体。如果加入两种不同的金属合金元素则形成稳定的金属键固溶体，如果加入两种合金元素一种是金属一种是非金属，则形成稳定的共价键化合物或离子键化合物固溶体。如果是两种合金元素则原子数要相同，否则多余的合金原子容易和金属晶体的原子形成结合力，容易置换出金属晶体的原子，造成氧化腐蚀。我们可以用原子之间结合力的方式设计合金成获得
具有优良性能的金属材料。
5、金属材料微观相结构的相变理论
金属材料在热处理中同一个相变温度则形成单相组织，不同相变温度则形成多相组织。以铁碳合金的热处理微观显微组织分析，亚共析钢缓慢冷却得到铁素体和珠光体组织。铁素体是白色的块状组织，珠光体是黑色的片状组织。铁素体和珠光体的形成是金属材料加热、保温、冷却过程中，合金成分从金属晶体的晶胞内析出在金属晶体的晶胞表面，由于在加热的高温状态缓慢冷却因此金属材料的冷却转变温度高，原子的析出速度慢，析出的合金成分慢慢聚集形成珠光体片状组织，合金成分含量很少的晶胞形成白色的铁素体块状组织。
如果热处理过程中金属材料的冷却速度快，冷却转变温度低，原子的析出速度快。如果贝氏体冷却转变温度偏高则金属材料合金成分的原子在金属晶体的晶胞表面析出形成羽毛状的上贝氏体组织，如果贝氏体冷却转变温度偏低则形成针状或竹叶状的下贝氏体组织。
如果金属材料在冷却介质中快速冷却，原子的析出速度快，因此合金成分在很短的时间内快速析出在金属晶体的晶胞表面形成板条状马氏体组织。在板条状马氏体组织形成的同时，出现残余奥氏体组织，残余奥氏体组织是金属材料合金成分析出在金属晶体晶胞表面以后的组织。
6、结论
（1）金属材料的合金成分固溶在金属晶体的晶胞内，在热处理过程中随着温度的变化合金成分在金属晶体的晶胞内溶入析出，金属晶体的晶格结构从合金成分溶入金属晶体晶胞心部的体心立方晶格转变成合金成分析出在金属晶体晶胞表面的面心立方晶格和密排六方晶格。
（2）金属材料间隙固溶的金属或非金属原子由于原子核对电子轨道电子的束缚力大，电子轨道的重叠较多，如果合金成分的金属或非金属的原子配位数相同，则可以形成稳定的固溶体。如果可以避免金属晶体的原子被置换，有效防止金属材料的氧化腐蚀。
（3）微观显微组织的相结构是在热处理中合金成分的原子在金属晶体的晶胞表面析出形成的。不同的过冷转变温度析出具有不同形态的相结构。金属材料在热处理过程中金属晶体晶格结构的转变我们称之为相变。
参考文献：
晶体结构范文第8篇
关键词：模拟 结构重构 晶体结构 材料化学 材料科学课程
Practice of Materials Studio （MS） modeling and structural rebuilding in crystal structure teaching
Xu Yong1，2， Wang Zhigang1， Liu Kegao1， Wang Xianzhong1， Shi Lei1， Wang Fuming2， Lin Junpin2
1.Shandong jianzhu university， Jinan， 250101， China 2. University of science and technology Beijing， Beijing， 100083， China
Abstract： Modeling and structural rebuilding of crystal structure in materials chemistry and materials science curriculum was practiced and applied to keep it simple and understandable by using MS. The unit cells and atomic configurations are produced to show the theory system of geometry description of crystal structure. Several examples， as diamond， graphite， nanomaterial and advanced carbon materials， are employed to describe the main application of MS in materials chemistry and materials science teaching. According to these atomic modeling configurations， crystal structures exhibit a clearly and understandable appearance for us. So， the meaning of learning and understanding the related parameters of geometry description of crystal structure was explored with the point which helped students to realize and master the abstract concepts of crystal structure.
Key words： modeling； structural rebuilding； crystal structure； materials chemistry； materials science curriculum
材料的结构，特别是晶体结构，是材料化学和材料科学课程中的重要内容，是理解材料物理、化学性质的基础，因此在教学内容中具有非常重要的作用[1-3]。然而，与晶体结构相关的一些概念和理论大多源于数学理论体系，如空间群、对称性和Wyckoff占位等，与几何对称有着密切的联系，因此其理论体系非常抽象和难以理解[4]，需要学生具有很强的基础理论功底和空间想象能力，但在现实教育教学中，学生往往很难具备如此深厚的理论基础和理解能力，因此给课堂教学带来很大的困难，这是目前材料化学和材料科学课程教学中的一个难题[5]。而要理解和掌握相关的晶体结构知识需要学生付出非常多的时间去学习和训练，给学生带来很重的学习负担和压力[6，7]。因此，开发和建立一种全新的可视化空间构型，将原子在三维空间中的分布明确地表达出来，是非常重要也是非常必要的，以此促进学生对真实晶体结构的深入理解和掌握[4，8]。通常有两种方法可建立原子构型[4]，第一种是通过使用金属或者塑料球，手工制作原子模型，这种方法适于建立简单、易于构造的晶体结构，对于复杂、难以构造的晶体结构，往往要浪费大量的时间来制作，且很难运输和使用，因此在实际教学中难以得到推广。在此情况下，我们往往选择第二种方法，即通过三维电子图像和动画对象的方法，将计算机软件引入课程教学中。在材料科学领域中，MS（Materials Studio）是一个著名的晶体结构构造和模拟专业软件[8]，大大提高了计算材料科学的可操作性[9-11]。MS给化学家、材料学家和工程技术人员提供了一个灵活、简单可行的工作环境和强大工具，它可以轻松直观地展示材料的结构和性能，并能解决化学和材料学领域中的一些极端问题。通过MS建立多个原子构型（复杂的碳的同素异构体结构）解决晶体结构及与对称性和晶体学相关理论问题，以此实现MS在晶体结构中的应用，促进学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
1 MS软件介绍[12]
MS Modeling软件是由Accelrys?公司开发的一款具有灵活操作环境的材料科学领域专业软件，拥有世界上最先进的材料学模拟和构型技术，可以轻松构建出分子结构、晶体结构和各种复杂原子构型，通过高分辨的精细图像技术显示出来，并通过标准计算机工具箱进行控制操作和人机互动。Accelrys?公司开发了MS软件，涵盖了包括量子力学、分子力学、介观模拟、分析仪器仿真和统计相关等多个领域的理论知识，并将它们综合在一个简单易用的模拟环境下，通过构造结构构型和可视化等处理，对相关科学数据加以描述和表达。
笔者采用MS可视化共享软件Materials Studio Visualizer （version 4.0）对晶体结构进行模拟和重构，此软件允许研究者对分子模型、晶体结构、表面、高分子和介观结构进行修改、重建和多角度观察。Materials Studio Visualizer同时包含一系列计算工具，如量子化、原子化、介观化和统计化等，可以实现对材料进行不同粒子尺寸和时间范围内的评估计算。另外，还包括对晶体结构和晶体生长方面的计算和评估。
2 原子构型建立过程
在已知晶体结构信息条件下，在MS中可以采用多种方法建立原子的构型。晶体结构的信息可以通过查找文献（如Acta Crystallographica）获得，也可以通过晶体结构数据库（如Inorganic Crystal Structure Database，ICSD）软件进行查询。通过这些文献或数据库软件，可以得到相关的晶体结构数据文件（如.cif文件），并直接导入MS软件中获得原子结构图。另外一种方法则是直接在MS中调用已知的一些原子结构，但往往这些结构的种类比较少，很难达到我们的要求。因此，一般情况下，需要工作人员手工查询相关的结构参数信息，然后根据MS命令构建原子构型和晶体结构。
MS中构建晶体结构一般需要如下信息：
晶格常数，如a，b，c，α，β，γ；
晶体结构所属空间群，或者空间群号；
晶胞中的原子占位，如原子类型及相关的坐标x，y，z。
选用碳的同素异构体作为研究对象，研究MS构型建立的过程，主要包括金刚石、石墨、碳纳米管和富勒烯几种结构类型。笔者以金刚石晶体结构建立过程为实例，其构型建立过程如下：
首先，获取金刚石的相关结构参数信息（见表1）。打开MS软件，在菜单栏中找到Build命令，通过Build Crystal命令打开一个相关的晶胞构建对话框，手工将结构参数输入相应的位置，如通过空间群号获得相应的空间群类型，并输入晶格常数，最后得到一个相应的不包含原子的空间图框。建立空间图框后就可以在空间中添加相应的原子。在本例中，仅需要添加一种原子类型（碳原子）即可，但对于多原子种类的合金来说，需要添加不同类型的原子，但基本操作过程是一样的，所以本文不再赘述。添加原子时，需要根据对称条件，对不同对称位置上的原子进行多次添加，如果仅有一种原子占位类型，则添加一次原子即可，如所选示例的金刚石结构。在添加原子的对话框中需要添加原子的位置（x，y，z）和占位比例（SOF）。完成添加后即可得到相应的晶体结构示意图，如图1所示，展示了一个完美的金刚石球棍模型图。采用相同的构建方法，可以获得其他碳的同素异构体的相关原子结构，甚至很复杂的结构也可以得到完整的描述，如富勒烯和碳纳米管的结构（如图2所示）。对于富勒烯，通常只是了解其类似于足球的一种结构特征，但一般情况下很难想象其在空间中的其他分布规律，但通过构建原子模型，可以很容易地看到，这些足球状的富勒烯原子团，又在空间上形成了一个大的面心立方结构，如图2a所示，大大提高了结构特征的表述能力。因此，通过结构模型重建可以简单易懂地对相关结构特征和规律进行描述，能够极大地提高学生对晶体结构学习的兴趣和热情。
表1 金刚石结构的相关信息[13]
图1 金刚石原子结构图
a富勒烯结构模型 b碳纳米管的原子结构模型
图2
除了构建原子模型之外，MS还可以对原子构型进行多视角观察和改变原子表现形式等操作，如图3所示。图3a给出了石墨原子构型的侧视图，可以看出原子呈层状排列，每一层原子以六边形的形式密排在一起（可以用不同颜色进行标识）。而图3b则展示了石墨原子结构的俯视图（沿c轴），可以清晰地看到每一个原子层的原子排列规律以及原子层的堆垛顺序类型等信息。由此看出，可以通过改变模型视角来分析不同结构原子面的原子分布规律和堆垛类型等深层次的结构信息，而且简单明了、清晰易懂，有利于学生深入理解晶体结构的取向、对称性等方面的基础理论信息。
a侧视图 b俯视图（沿0001面）
图3 石墨的原子结构模型
3 结束语
通过以上分析可知，可以在MS中直接构建晶体结构模型，包括复杂的晶体结构。对这些重建的晶胞结构可以很简单的进行编辑和优化，并在三维空间中进行多视角观察和分析，在很大程度上再现了晶体结构的真实图像，大大提高了学生对晶体结构的理解和对相关结构信息与规律的有效掌握，优化了晶体结构的教学效果。
参考文献
[1] Song Y.， Zavalij P. Y.， Suzuki M.， Whittingham M. S..New Iron（III） Phosphate Phases： Crystal Structure and Electrochemical and Magnetic Properties[J]. Inorganic Chemistry， 2002，41（22）：5778-5786.
[2] Scherf U.， List E. J. W.. Semiconducting Polyfluorenes-Towards Reliable Structure-Property Relationships[J]. Advanced Materials，2002，14（7）：477-487.
[3] Wuttig M.， Steimer C. Phase change materials： From material science to novel storage devices[J]. Applied Physics A， 2007，87（3）：411-417.
[4] 雷家珩，郭丽萍，张文.《晶体结构基础》计算机三维动画教学软件的研制[J].计算机与应用化学，2006，19（4）：483-485.
[5] Steele B. C. H.. Material science and engineering： the enabling technology for the commercialisation of fuel cell systems [J].Journal of Materials Science，2001，36（5）：1053-1068.
[6] 张翼，范洪富，吴松.多媒体教学软件制作中常用的工具及制作技巧[J].计算机与应用化学，2006，23（7）：683-688.
[7] 李立，冉鸣.用Diamond软件解决晶体结构教学的难点[J].教育传播与技术，2005，4（47）：32-35.
[8] Altomare A.， Burla M. C.， Camalli M.， Cascarano G. L.， Giacovazzo C.， Guagliardi A.， Moliterni A. G. G.， Polidori G.， Spagna R.. SIR97： a new tool for crystal structure determination and refinement[J].Journal of Applied Crystallography， 1999，32（1）：115-119.
[9] Song Z. Y. F. H. W.， Gang S. Z. J.. Tools and technology in multimedia teaching software[J].Computers and Applied Chemistry，2006，7：26.
[10] Odegard G. M.， Clancy T. C.， Gates T. S.， Modeling of the mechanical properties of nanoparticle/polymer composites[J].Polymer， 2005，46（2）：553-562.
[11] Fan H. B.， Yuen M. M. F.. Material properties of the cross-linked epoxy resin compound predicted by molecular dynamics simulation[J].Polymer，2007，48（7）：2174-2178.
[12] Materials Studio Overview[EB/OL]. http：///products/materials-studio/.
晶体结构范文第9篇
关键词： Diamond软件 空间点阵 晶体结构 相当点
1.引言
结构化学是一门在原子、分子水平上讨论物质微观结构，研究原子和分子运动规律，研究物质的结构和性能关系的科学，是化学的一个重要分支。它不仅是化学专业的一门基础理论课，而且是化工、材料、生物、环境等学科的一门专业基础课。结构化学是一门理论性较强的科学，有些概念抽象难懂，尤其是晶体结构这部分内容，非常的抽象微观，需要有一定的空间想象能力。晶体结构的抽象复杂性，对学生来说有一定的难度。因此，晶体化学学习的重点和难点，是如何使学生能真切地感知微观世界的精彩和奇妙。Diamond软件的引入可以将抽象复杂的东西直观形象地展现在学生面前，发展学生的空间想象能力和抽象思维能力。
Diamond软件是德国波恩大学Crystal Impact GbR公司开发研制的一个化学专业软件。利用该软件不仅能创建晶体模型，还能以各种形式（线状，球棍状或空间堆积状，多面体形式等）展示晶体模型，而且模型可以根据用户的需要自由旋转、移动和缩放，可以用着色方案对原子进行强调和渲染，也可以对晶体模型进行文字标注，同时记录其运动过程，制作成动画文件，在其他多媒体播放器中播放。其结果可以以BMP、GIF、JPGE等图片格式输出，同时也可以用复制粘贴命令将绘制的图片文件直接放入文档。由于这款软件没有复杂的规则，命令简单易操作，并且在操作与运行并不要求具备较多的计算机知识，因此，它可以很容易地被教师运用在教学中，提高教学的效率和质量。本文以Diamond 3.0a版本为例，通过构建Cu与CaF2两类晶体的空间点阵模型，来说明Diamond软件在《结构化学》晶体结构部分教学过程中的辅助作用。
2.利用Diamond软件构建晶体空间点阵
用相当点的方法可以确定晶胞的空间点阵。在晶体结构中确定相当点的位置，所选择的相当点需要满足两个条件：a.所选点所在位置的种类和空间位置相同，如位于某种质点的中心，或某个特定几何构型的中心等；b.所选点的周围环境（三维空间）相同，如在该点的相同方位和距离上有相同的质点和几何构型。因此，我们在借助Diamond软件构筑和判断空间点阵类型及有关信息的时候，最关键的一点也就是能够凭借上面的条件找到合适的相当点的位置，并成功用软件体现出来。我们选择了两类晶体实例：Cu与CaF2，它们分别代表了两种晶体类型：金属晶体和离子晶体，用Diamond软件演示如何构筑它们的空间点阵。
（1）利用Diamond软件构建金属晶体Cu的空间点阵
晶体Cu的晶体结构是由质点Cu原子构成的。在其晶体结构中，Cu原子采用典型的立方紧密堆积方式在三维空间进行排布。每个Cu原子的周围由12个Cu原子紧密相邻，即每个Cu原子的配位数是12，其周围的配位环境是完全相同的。我们就此可以判断，质点Cu原子的位置完全符合相当点的两个选择标准，我们可以把晶体Cu的相当点坐落在所有的Cu原子的位置上。
利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体Cu的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点Cu原子都显示在软件的图片之中。因为晶体Cu的结构中只有一种质点，而相当点位置坐落在质点Cu原子的位置上，所以就不需要进行相当点之外其他质点的删减了。这样我们就直接得到了晶体Cu的空间格子的示意图（图1）。从图中我们可以很明显地看出晶体Cu的空间点阵属于立方F格子形式。
图1. 晶体Cu的空间点阵示意图
（2）利用Diamond软件构建离子晶体CaF2的空间点阵
首先，用Diamond软件绘制晶体CaF2的一个晶胞。菜单Build＼Fill＼Unit Cell，晶体单胞中的所有质点就出现了，然后继续菜单Build＼Connect Atoms，质点就通过化学键连接起来了。这样就通过Diamond软件的绘制得到了晶体CaF2结构中一个单胞的球棍结构图（图2（a））。图2（a）中，黑色球是F-，白色球是Ca2+，之间的连线表示化学键，细灰色线是晶胞的界限。
然后，我们就在图中提供的信息的帮助下，选择合适的相当点位置。观察确认过程具体如下：先选择阴离子F-的位置作为相当点坐落的位置，观察其位置和环境是否满足相当点的条件。第一，阴离子F-是同属一种质点类型，满足a条件；第二，虽然每个阴离子F-的周围都有四个阳离子Ca2+与之配位，都形成正四面体的配位多面体，但是所有的正四面体配位体在三维空间的摆置方式却是不完全相同的，摆置方式分成两种情况。如图2（a）中所示，配位四面体与四面体在三维空间的伸展方式是不同的。所以阴离子F-不满足b条件。如此可知晶体CaF2结构中，相当点的位置是不可以坐落在所有阴离子F-的位置，只能选择配位环境完全一致的阴离子F-坐落。于是我们继续勘察阳离子Ca2+的条件是否满足相当点的选择：第一，很明显阳离子Ca2+是同属一种质点类型，满足a条件；第二，每个阳离子Ca2+的周围都有八个阴离子F-与之配位，形成立方体的配位多面体，而且所有立方体配位多面在三维空间的摆置方式完全相同，所以满足b条件。如此可知CaF2结构中，相当点的位置可以坐落在Ca2+的位置。
利用Diamond软件，我们可以很容易绘制出晶体CaF2的空间点阵。菜单Build＼Fill＼Super Cell，弹出对话框，进行Super Cell的选择，点击OK确定。这样Super Cell中所有的质点都显示在软件的图片之中，下面需要进行质点的删减。因为我们选择的相当点位置坐落在Ca2+的位置上，所以所有的F-必须删掉。菜单View＼Table＼Create Atoms，软件的左面部分就会出现Table of Create Atoms，从Table of Create Atoms中选中所有的F-，点击删除。完成后，图片中剩余的质点就可以作为空间点阵中的点阵点，我们就得到了晶体CaF2的空间格子的示意图（图2（b））。从图中我们可以很明显地看出CaF2的空间点阵亦属于立方F格子形式。
3.结语
总而言之，Diamond软件是一款功能强大、命令简单直接、操作方便快捷的画图软件。在结构化学的晶体结构部分中，点阵是一个非常模糊晦涩的概念，这部分的教学过程中，如果教师合理适度地引入Diamond软件辅助教学，将结构进行直观、方便的图形演示，把复杂的问题简单化，把抽象的问题形象化，就可以加深学生对晶体学知识的理解和认识，增强教学效果。
参考文献：
［1］温福山，周欣明，柳云骐，朱九芳.应用Diamond软件辅助《材料化学》课程教学［J］.计算机与应用化学，2008，25，（10）：1299.
［2］吴平伟，朱志斌，戴金辉.Diamond软件在晶体对称性教学中的应用－32点群晶体模型库的建立［J］.化学通报，2008，71，（3）：236.
［3］潘道皑，赵成大，郑栽兴. 物质结构［M］.北京：高等教育出版社，1989.
晶体结构范文第10篇
例1．（北京理综）X、Y为短周期元素，X位于ⅠA族，X与Y可形成化合物X2Y，下列说法正确的是（ ）
A．X的原子半径一定大于Y的原子半径
B．X和Y的简单离子不可能具有相同的电子层结构
C．两元素形成的化合物中，原子个数比不可能为1∶1
D．X2Y可能是离子化合物，也可能是共价化合物
解析：X、Y为第一、二、三周期元素，X位于ⅠA族，可能是H、Li、Na，X与Y可形成化合物X2Y，则Y位于第VIA族，可能是O或S，故只能说X的原子半径可能大于Y，不能说一定大于；X和Y的简单离子可能具有相同的电子层结构；H2O2中原子个数比是1︰1；若X2Y为Na2O、Na2S，则属于离子化合物，X2Y为H2O、H2S、H2O2等，则属于共价化合物。答案选D。
知识链接：粒子半径大小有如下规律：（1）同周期元素的原子或最高价阳离子半径从左到右逐渐减小(稀有气体除外)。（2）同主族元素的原子或离子半径从上到下逐渐增大。（3）电子层结构相同(核外电子排布相同)的离子半径(包括阴、阳离子)随核电荷数增加而减小。（4）核电荷数相同(即同种元素)形成的粒子半径大小为：阳离子
例2．（四川理综）短周期元素W、X、Y、Z的原子序数依次增大，W与Y、X与Z位于同一主族，W与X可形成共价化合物WX2，Y原子的内层电子总数是其最外层电子数的2.5倍。下列叙述中不正确的是（ ）
A．WZ2分子中所有原子最外层都为8电子结构
B．WZ2、ZX2的化学键类型和晶体类型都相同
C．WX2是以极性键结合成的非极性分子
D．原子半径大小顺序为X＜W＜Y＜Z
解析：该题的第一突破口是“Y原子的内层电子总数是其最外层电子数的2.5倍”，它指的是14号元素硅，W与Y同族，所以W是碳元素。X与W可形成共价化合物WX2，说明X是氧元素，则Z是硫元素，WZ2是CS2，该分子中所有原子最外层都为8电子稳定结构；CS2、SO2分子中都只含极性共价键，形成的都是分子晶体；CS2与CO2一样都是直线型的非极性分子；C、O、Si、S原子半径的大小顺序为Si＞S＞C＞O。所以，D答案叙述不正确。
知识链接：（1）化学键及其类型：①化学键是指相邻的两个或多个原子间的强烈的相互作用，化学键包括离子键、共价键、金属键。②离子键是指阴、阳离子结合成化合物的静电作用；离子键存在于离子化合物中，即存在于强碱、大多数盐中；通过离子键形成的晶体是离子晶体，离子晶体中不存在分子，只有阴、阳离子。③共价键是指原子之间通过共用电子对所形成的相互作用；它分为极性共价键和非极性共价键；存在于所有共价化合物中、非金属单质分子中、部分离子化合物中，共价化合物形成的晶体属于分子晶体，但离子晶体、原子晶体中大多含有共价键，但分子晶体中可能不含化学键。
（2）分子间相互作用：①分子间作用力（范德瓦尔斯力）：Ⅰ.定义：把分子聚集在一起的作用力。Ⅱ.影响因素：大小与相对分子质量有关。Ⅲ.作用：对物质的熔点、沸点等有影响。②氢键：Ⅰ.定义：分子之间的一种比较强的相互作用。Ⅱ.形成条件：第二周期的吸引电子能力强的N、O、F与H之间（NH3、H2O）。Ⅲ.对物质性质的影响：使物质熔沸点升高。Ⅳ.氢键的形成及表示方式：F-—H···F-—H···F-—H···代表氢键。
Ⅴ.说明：氢键是一种分子间静电作用；它比化学键弱得多，但比分子间作用力稍强；是一种较强的分子间作用力。
例3．（天津理综）下列关于粒子结构的描述不正确的是（ ）
A．H2S和NH3均是价电子总数为8的极性分子
B．HS－和HCl均是含一个极性键的18电子粒子
C．CH2Cl2和CCl4均是四面体构型的非极性分子
D．1mol D216O中含中子、质子、电子各10NA（NA代表阿伏伽德罗常数的值）
解析：CH2Cl2是四面体形分子，但不是正四面体，故它属于弱极性分子，CCl4是正四面体形的非极性分子。答案为C。
知识链接：判断分子极性的基本方法：（1）以极性键构成的双原子分子一定是极性分子，以非极性键构成的双原子分子一定是非极性分子。(2)以共价键构成的多原子分子：①若分子内所有的化学键都是非极性键，通常情况这种多原子分子是非极性分子。（2）若分子内的化学键都是极性键，则分子的极性与键的极性无关，只与分子的空间构型有关:分子空间构型是完全对称的，则键的极性相互抵消，使之电荷均匀分布，这样的分子是非极性分子；分子空间构型不对称，则键的极性就不能抵消，电荷分布不均匀，这样的分子是极性分子。