功能与智能材料 结构演化与结构分析PDF电子书下载

引言 1

第1篇 结构与结构演化 9

1 结构、键合和性能 9

1．1 晶体结构 9

1．2 结构和化学成分 12

1．2．1化学计量相 12

1．2．2非化学计量相 12

1．3配位数和配位多面体 13

1．4同型性和多型性 16

1．5结构和化学键 17

1．5．1键合和离子半径 17

1．5．2离子化合物的点阵能 21

1．5．3结构的几何考虑 22

1．5．4Pauling和Baur规则 25

1．5．5共价键 28

1．6配位场理论 30

1．6．1八面体配位 31

1．6．2四面体配位 32

1．6．3正方配位 34

1．7配位场稳定化能 34

1．8过渡金属的配位多面体 37

1．9分子轨道理论 39

1．9．1分子轨道 39

1．9．2杂化 40

1．10能带理论 42

1．10．1Peierls畸变 43

1．10．2二维和三维键 45

1．11混合价化合物和功能材料 47

1．11．1类型Ⅰ化合物：αγ=0 47

1．11．3类型Ⅲ化合物：αγ=αmax 48

1．11．2类型Ⅱ合化物：αγ＞0，但是很小 48

1．12结构转变和稳定性 49

1．12．1相图 49

1．12．2热力学稳定性 52

1．13材料的性能 52

1．13．1力学性能 54

1．13．2磁学性能 54

1．13．3压电性能 56

1．13．4铁电性能 57

1．13．5光学性能 57

1．13．6电学性能 58

1．14结构和性能 59

1．15功能材料 60

1．15．1功能材料的特征 60

1．15．2结构演变和功能特性 63

1．16小结 64

2 氯化钠及金红石相关结构系统 65

2．1岩盐结构 65

2．2具有氯化钠结构的非化学计量化合物 67

2．3金红石结构及其衍生结构 69

2．4金红石结构的特性 70

2．4．1共顶点 71

2．4．2共边 73

2．4．3共面 73

2．5金红石相关结构的演变 76

2．6非化学计量化合物和结晶体学剪切面 83

2．7小结 86

3钙钛矿及相关结构系统 87

3．1ABO3型钙钛矿结构的特性 87

3．1．1共顶点氧八面体 87

3．1．3氧立方的密排 90

3．1．2以一个正离子作为原点的单胞 90

3．1．4负离子密排和四面体、八面体的形成 94

3．2负离子缺位钙钛矿结构的可能形式 99

3．2．114种基本结构单元 99

3．2．2构建钙钛矿相关结构系 102

3．3容差因子 103

3．4具有与钙钛矿相似结构的功能材料 103

3．4．1铁电现象和铁电化合物 104

3．4．2铁磁性和铁磁化合物 108

3．4．3绝缘体到导体的转变 113

3．4．4导电的钙钛矿 115

3．4．5磁致伸缩、电致伸缩和压电致动器材料 118

3．4．6光变换化合物 121

3．5掺杂和氧空位 122

3．6巨磁阻（GMR）和超巨（庞）磁阻（CMR） 123

3．7钙钛矿的氧迁移和离子导电性 128

3．8贫化负离子诱导钙钛矿向钙铁石结构演变 129

3．9由正离子替换导致的有序结构演变 133

3．10氯化钠、金红石和钙钛矿结构 134

3．10．1联系和比较 134

3．10．2通过改形构成新材料 137

3．11小结 140

4 萤石型和相关结构系统 141

4．1基本萤石结构 141

4．2具有阴离子缺位的萤石结构 143

4．2．1在萤石结构中的氧迁移 144

4．2．2缺氧萤石结构模块单元 145

4．2．3焦绿石和C型稀土倍半氧化物的结构 148

4．3萤石和萤石相关结构的特性 151

4．3．1热力学性能 152

4．3．2稀土氧化物的表面特性 157

4．3．3稀土高氧化物的歧化反应 161

4．3．4可开关的化学反应—氧泵 164

4．4稀土同系高氧化物的结构与组成原理 166

4．4．1同系相的组成原理 169

4．4．2模块并接规则 170

4．4．3用模块构建超晶胞结构 174

4．5将并接规则应用于已知结构 176

4．5．1R7O12相，n=7，m=1 177

4．5．2 R9O16相，n=9，m=1 178

4．5．3 R11O20相，n=11，m=1 180

4．5．4 R40O72相，n=40，m=4 183

4．5．5 R24O44相，n=24，m=2 183

4．6使用提出的模型预言未定结构 188

4．6．1 m=4的β同质异晶结构 188

4．6．2 n=19的未确定结构 189

4．6．3 n=16的未确定结构 190

4．6．4 n=62、m=6的未确定结构 191

4．6．5非化学计量α相 193

4．7三元混合稀土氧化物 196

4．7．1三元混合稀土氧化物和氧存储 196

4．7．2阳离子配位数和模块的排列 198

4．8结构演化热力学 201

4．8．1Gibbs自由能和结构稳定性 201

4．8．2结构转变滞后 202

4．8．3相转变和环境状况 203

4．9钙钛矿、萤石结构和尖晶石结构 205

4．9．1结构比较 205

4．9．2超交换相互作用和磁性 208

4．10小结 210

5软化学：从结构单元通向材料工程之路 211

5．1软化学原理 212

5．2溶胶-凝胶工艺 215

5．3制备均匀尺寸球形颗粒的胶体工艺路线 219

5．4插层反应和支撑工艺 228

5．5自组合纳米晶体——工程的超晶格薄膜 236

5．5．1金属纳米晶体 237

5．5．2半导体纳米晶体 238

5．5．3磁性的纳米晶体 238

5．5．4磁性钴粒子 239

5．5．5磁性氧化铁 240

5．6用气溶胶技术制备纳米颗粒 241

5．7小结 244

第2篇 结构表征 249

6结构分析用电子晶体学 249

6．1结构分析中的电子衍射 250

6．1．1单散射理论 250

6．1．2倒易空间 252

6．1．3 Bragg定律和Ewald球 255

6．1．4电子衍射花样的标定 257

6．1．5孪晶衍射 259

6．2衍射衬度与缺陷分析 261

6．2．1材料中的缺陷和位错 261

6．2．2衍射衬度 265

6．2．3缺陷和位错的双束成像 268

6．2．4Burgers矢量的确定 270

6．2．5弱束成像 271

6．3原子分辨结构像及结构分析 272

6．3．1相位衬度 272

6．3．2 Abbe成像理论 274

6．3．3透射电镜的像差和信息传递 276

6．3．4衬度传递函数和图像分辨率 279

6．3．5包络函数与信息传递 283

6．3．6晶格成像中的光源相干性 285

6．3．7投影电荷密度近似方法 289

6．3．8用于透射电子成像的多层片理论 290

6．3．9图像模拟和结构确定 292

6．3．10非完整晶体和界面的图像计算 293

6．3．11经能量滤过的电子晶格成像 294

6．3．12高分辨电子显微镜的局限性 295

6．4电子全息术 296

6．4．1透射电镜中离轴全息术的原理 296

6．4．2图像分辨率改善 298

6．4．3静电场成像和电荷分布 299

6．4．4铁电体畴界处的自发极化像 299

6．4．5磁畴和磁力线成像 300

6．5 会聚束电子显微衍射 304

6．5．1对称性分析 304

6．5．2晶格参数的测量 306

6．5．3Bloch波理论与定量CBED 307

6．5．4固态键合及电荷再分布 310

6．5．5Burgers矢量的确定 313

6．5．6试样厚度的测量 317

6．6小结 319

7功能材料的结构分析 321

7．1界面和晶界分析 321

7．1．1菊池花样和晶界结构分析 322

7．1．2晶界的一般描述 325

7．1．3O点阵理论 327

7．1．4 重合位置点阵理论 329

7．2 调制结构和畴结构 331

7．2．1 结构调制 331

7．2．2 由各相异性晶体结构形成的畴 332

7．2．3结构畴的界面 339

7．3．1用双花样技术分析三维超结构 340

7．3超结构和长程有序 340

7．3．2用单花样技术分析三维超结构 344

7．3．3阳离子替代的长程有序 348

7．4氧空位和短程有序 348

7．4．1漫散射的动力学衍射理论 349

7．4．2漫散射的几何描述 353

7．4．3短程有序参数的计算 356

7．4．4短程有序的HRTEM研究 358

7．5基底对薄膜生长的影响 358

7．5．1点阵失配与界面位错 358

7．5．2从基底表面缺陷的成核与生长 360

7．5．3畴界与界面位错间的关系 365

7．5．4界面位错与面缺陷的关系 368

7．6结构演化的原位观察 370

7．6．1温度驱动的结构转变 370

7．6．2电场驱动的结构转变 371

7．6．3试样的磁矩 372

7．7元件的失效分析 372

7．8氧化物表面成像 375

7．9小结 378

8功能材料的化学和价结构分析 379

8．1电子散射中的非弹性激发过程 379

8．2X射线能谱显微分析 382

8．2．1组分分析 382

8．2．2以沟道增强显微分析进行原子定位（ALCHEMI） 385

8．3价激发EELS 389

8．3．1经典电子能量损失理论 391

8．3．2表面等离子体激发 395

8．3．3功能函数的测量 399

8．4EELS中的原子内层激发 400

8．4．1组分分析 403

8．4．2近边精细结构和晶体中的结合 405

8．5．1过滤族金属的白线 407

8．5定量确定混合价化合物的价态 407

8．5．2 d-带电子的占有数 408

8．5．3白线强度的内禀磁矩 412

8．5．4白线强度计算的双派生能谱 413

8．6界面和晶界的纳米探针分析 415

8．7 STEM中的化学敏感成像 419

8．8TEM中的能量过滤电子成像 421

8．8．1用价损电子组分敏感成像 422

8．8．2用内层电离边电子形成组分敏感成像 424

8．8．3结合和价态的成像 426

8．9声子散射和化学敏感成像化 426

8．9．1STEM中的“Z衬比”成像 427

8．9．2TEM中的高角度暗场圆锥扫描成像 427

8．10．1化学组分分析 429

8．10对用于La8Sr8Co16O36结构精细分析的各种技术连接——一个例子 429

8．10．2Co的价态 430

8．10．3LSCO的HRTEM晶格成像 432

8．10．4La0.5Sr0.5CoO2.25的结构模型 432

8．10．5结构和磁致电阻 436

8．11小结 437

附录A 物理学常数、电子波长与波数 439

附录B1 晶体学结构系统 441

附录B2 计算晶体学数据的FORTRAN程序 444

附录C几种晶体结构的电子衍射花样 447

附录D计算TEM中单价损EELS谱的FORTRAN程序 454

参考文献 457

中英文主题词对照索引 467

材料索引 479

后记 483