材料研究法方法课件：5 晶体结构查询、绘图及面网间距计算（第一章）.ppt

1、1. 晶体结构查询晶体结构查询2. 晶体结构绘图晶体结构绘图3. 面网间距计算面网间距计算一、晶体结构基础一、晶体结构基础(三）晶体结构查询、绘图及面网间距计算三）晶体结构查询、绘图及面网间距计算重点：掌握晶体结构查询及绘图方法重点：掌握晶体结构查询及绘图方法1.晶体结构查询：晶体结构查询：方法一方法一. 网上数据库网上数据库http:/icsdweb.fiz-karlsruhe.de/index.php方法二方法二. ICSD数据库数据库 2009版版无机化合物晶体结构数据库ICSD (Inorganic Crystal Structure Data) 收集了金属和合金以外、不含CH键的所有

2、无机化合物晶体结构信息。包括化学名和化学式、矿物名和相名称、晶胞参数、空间群、原子坐标、热参数、位置占位度、R因子及有关文献等各种信息。该数据库从1913年开始出版，每年更新两次，原始数据来自80多个核心期刊和1300个其他期刊。每次更新会增加约2000种新化合物，所有的数据都是由专家记录并且经过几次修正，是国际最权威的无机晶体结构数据库。 截止到2013年9月，ICSD包括约161,000条物质结构，6,357结构原型：1、1,716个元素的晶体结构2、30,968个二元化合物数据3、60,640个三元化合物数据4、56,730个四元以及五元化合物数据 数据库运行的界面图标数据库运行的界面图

3、标方法二方法二. ICSD数据库数据库cif 为晶体结构记录的标准文件为晶体结构记录的标准文件可直接用于其他结构计算、结构绘可直接用于其他结构计算、结构绘图等软件输入。图等软件输入。*data for ICSD #9161Coll Code 9161Rec Date 1980/01/01Mod Date 2007/08/01Chem Name Titanium OxideStructured Ti O2Sum O2 Ti1ANX AX2Min Name RutileD(calc) 4.25Title Rutile-type compounds. VI. Si O2, Ge O2 and a c

4、omparison with other rutile-type structuresAuthor(s) Baur, W.H.;Khan, A.A.Reference Acta Crystallographica B (24,1968-38,1982) (1971), 27, 2133-2139 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1956), 9, 515-515 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1958), 11, 488-488 Golden Book of Phase Transitions

5、, Wroclaw (2002), 1, 1-123Unit Cell 4.5941(1) 4.5941(1) 2.9589(1) 90. 90. 90.Vol 62.45Z 2Space Group P 42/m n mSG Number 136Cryst Sys tetragonalPearson tP6Wyckoff f aR Value 0.056Red Cell P 2.958 4.594 4.594 90 90 90 62.45Trans Red 0.000 0.000 1.000 / 1.000 0.000 0.000 / 0.000 1.000 0.000Comments St

6、able from 800 to 1800 K (4th ref., Tomaszewski), 300-800 K: Pbca Compound with mineral name: Rutile. The structure has been assigned a PDF number (experimental powder diffraction data): 16-934 New refinement based on previously measured intensities Structure type : TiO2(tP6) X-ray diffraction from s

7、ingle crystal Atom # OX SITE x y z SOF Atom # OX SITE x y z SOF H H Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 Lbl Type Beta11 Beta22 Beta33 Beta12 Beta13 Beta23Lbl Type Beta11 Beta22 Beta33 Beta12 Beta13 Beta23Ti1 Ti4+ 0

8、.0068(3) 0.0068(3) 0.0175 -.0001(3) 0 0 Ti1 Ti4+ 0.0068(3) 0.0068(3) 0.0175 -.0001(3) 0 0 O1 O2- 0.0075(5) 0.0075(5) 0.0176 -.0001(9) 0 0 O1 O2- 0.0075(5) 0.0075(5) 0.0176 -.0001(9) 0 0 * *end for ICSD #9161end for ICSD #9161TiO2.cif 文件涵盖的内容文件涵盖的内容*data for ICSD #9161 ICSDICSD数数据据编号编号( (可作可作为参为参考文考文

9、献献列出列出) )Coll Code 9161 如： ref: ICSD 9161 Rec Date 1980/01/01 该数该数据据记录记录入入ICSDICSD的日期的日期Mod Date 2007/08/01 数数据修改日期据修改日期Chem Name Titanium Oxide 化化学学名名称称 钛钛的的氧氧化物化物 Structured Ti O2 结构结构式式( (晶体化晶体化学学式式) Ti O2) Ti O2Sum O2 Ti1 成分成分总总和和 O2 Ti1O2 Ti1ANX AX2 化合物化合物类类型型 AX2AX2Min Name Rutile 矿矿物名物名称称 金金红

10、红石石D(calc) 4.25 理理论论密度密度 4.25 (g/cm4.25 (g/cm3 3) )Title Rutile-type compounds. VI. Si O2, Ge O2 and a comparison with other rutile-type structuresAuthor(s) Baur, W.H.;Khan, A.A.Reference Acta Crystallographica B (24,1968-38,1982) (1971), 27, 2133-2139 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1956),

11、 9, 515-515 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1958), 11, 488-488 Golden Book of Phase Transitions, Wroclaw (2002), 1, 1-123论文名称论文名称 金红石型化合物。金红石型化合物。VI SiO2，GeO2及与其他金红石型结及与其他金红石型结 构的对比。构的对比。作者作者 Baur, W.H.;Khan, A.A.期刊文献期刊文献 Unit Cell 4.5941(1) 4.5941(1) 2.9589(1) 90. 90. 90.Vol 62.45Z 2Space

12、Group P 42/m n mSG Number 136Cryst Sys tetragonal晶胞参数晶胞参数 a b c 晶胞体积晶胞体积 volume单位晶胞分子数单位晶胞分子数空间群空间群 P42/mnm空间群编号空间群编号 136晶系晶系 四方晶系四方晶系 Pearson tP6晶体结构的晶体结构的Pearson符号符号=晶系晶系(小写小写)+格子类型格子类型(大写大写)+单位晶胞原子数单位晶胞原子数晶系晶系符号符号三斜三斜aP单斜单斜mP, mC斜方斜方oP,oC,oF,oI四方四方tP, tI六方六方hP三方三方hR立方立方cP, cF, cIC代表A、B、C心格子四方原始格子

13、，单位晶胞6个原子Wyckoff f aR Value 0.056Red Cell P 2.958 4.594 4.594 90 90 90 62.45Trans Red 0.000 0.000 1.000 / 1.000 0.000 0.000 / 0.000 1.000 0.000等效点系占位等效点系占位 f，aR Value 可信度因子，该结构误差率可信度因子，该结构误差率5.6% (一般小于一般小于5-6%即认可即认可)Red Cell (Reduced Cell) 约化晶胞约化晶胞Trans Red 转换矩阵转换矩阵该两项在晶体结构测定时该两项在晶体结构测定时运用运用Comments

14、 Cell of 2nd reference: 4.5937(3), 2.9581/2), Dm=4.2493(5), at 298 K Stable from 800 to 1800 K (3rd ref., Tomaszewski), 300-800 K: Pbca Compound with mineral name: Rutile The structure has been assigned a PDF number (calculated powder diffraction data): 01-072-1148 The structure has been assigned a

15、PDF number (experimental powder diffraction data): 21-1276 New refinement based on previously measured intensities Structure type : TiO2(tP6) X-ray diffraction from single crystal收集该晶体结构的人员对该结构的评述收集该晶体结构的人员对该结构的评述Atom # OX SITE x y z SOF H Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0

16、 Atom 元素符号# 原子编号(例如若结构中存在多个位置的氧，则以O1,O2区分，只有一个位置时，则为O1)OX 化合价SITE 等效点系占位 （即魏可夫符号 Wyckoff）x，y，z 原子的分数坐标 （以每个轴长为1计算）SOF atom_site_occupancy 原子占位度 0%-100%H：atom_site_attached_hydrogens：如果该位置是氧，且该氧为羟基中的氧，则=1，否则=0 （因为H的位置一般是无法测定的）2a 该套等效点系重复点数为2，该位置的魏可夫(Wyckoff)符号为a4f 该套等效点系重复点数为4，该位置的魏可夫(Wyckoff)符号为fPea

17、rson符号tP6中的6即代表此处的2个氧、4个Ti。P42/mnm(136)空间群的等效点系分布空间群的等效点系分布Atom # OX SITE x y z SOF H Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 Ti：2a (0,0,0) ( )O: 4f (0.3057,0.3057,0) (-0.3057,-0.3057,0)(0.6943,0.8057,0.5)(0.8057,0.6943,0.5) (0.6943,0.6943,0)Atom # OX SITE x y z SOF H Ti 1 +4 2

18、a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 Ti：2a (0,0,0) ( )O: 4f (0.3057,0.3057,0) (0.6943,0.6943,0)(0.6943,0.8057,0.5)(0.8057,0.6943,0.5) 0,0,0,0.3057,0.3057,00.6943,0.6943,00.6943,0.8057,0.50.8057,0.6943,0.5Atom # OX SITE x y z SOF H Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0

19、 1. 0 Ti：2a (0,0,0) ( )O: 4f (0.3057,0.3057,0) (0.6943,0.6943,0)(0.6943,0.8057,0.5)(0.8057,0.6943,0.5) 晶体结构的平面图形表示Lbl Type Beta11 Beta22 Beta33 Beta12 Beta13 Beta23Ti1 Ti4+ 0.0068(3) 0.0068(3) 0.0175 -.0001(3) 0 0 O1 O2- 0.0075(5) 0.0075(5) 0.0176 -.0001(9) 0 0 *end for ICSD #9161晶体结构解析时各个原子的各向异性震动热

20、因子晶体结构解析时各个原子的各向异性震动热因子 11223312 13 23在晶体结构测定时运用在晶体结构测定时运用*data for ICSD #9161Coll Code 9161Rec Date 1980/01/01Mod Date 2007/08/01Chem Name Titanium OxideStructured Ti O2Sum O2 Ti1ANX AX2Min Name RutileD(calc) 4.25Title Rutile-type compounds. VI. Si O2, Ge O2 and a comparison with other rutile-type

21、structuresAuthor(s) Baur, W.H.;Khan, A.A.Reference Acta Crystallographica B (24,1968-38,1982) (1971), 27, 2133-2139 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1956), 9, 515-515 Acta Crystallographica (1,1948-23,1967) (1958), 11, 488-488 Golden Book of Phase Transitions, Wroclaw (2002), 1, 1-123Unit Ce

22、ll 4.5941(1) 4.5941(1) 2.9589(1) 90. 90. 90.Vol 62.45Z 2Space Group P 42/m n mSG Number 136Cryst Sys tetragonalPearson tP6Wyckoff f aR Value 0.056Red Cell P 2.958 4.594 4.594 90 90 90 62.45Trans Red 0.000 0.000 1.000 / 1.000 0.000 0.000 / 0.000 1.000 0.000Comments Stable from 800 to 1800 K (4th ref.

23、, Tomaszewski), 300-800 K: Pbca Compound with mineral name: Rutile. The structure has been assigned a PDF number (experimental powder diffraction data): 16-934 New refinement based on previously measured intensities Structure type : TiO2(tP6) X-ray diffraction from single crystal Atom # OX SITE x y

24、z SOF Atom # OX SITE x y z SOF H H Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 Ti 1 +4 2 a 0 0 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 O 1 -2 4 f 0.3057(7) 0.3057(7) 0 1. 0 Lbl Type Beta11 Beta22 Beta33 Beta12 Beta13 Beta23Lbl Type Beta11 Beta22 Beta33 Beta12 Beta13 Beta23Ti1 Ti4+ 0.0068(3) 0.0068(3) 0.0175 -.0001(

25、3) 0 0 Ti1 Ti4+ 0.0068(3) 0.0068(3) 0.0175 -.0001(3) 0 0 O1 O2- 0.0075(5) 0.0075(5) 0.0176 -.0001(9) 0 0 O1 O2- 0.0075(5) 0.0075(5) 0.0176 -.0001(9) 0 0 * *end for ICSD #9161end for ICSD #9161TiO2.cif 文件涵盖的内容文件涵盖的内容2.晶体结构绘图：晶体结构绘图：(1) 应用软件应用软件 atoms61。 该软件简单易学，缺点是：图形分辨率差，发文章投稿有该软件简单易学，缺点是：图形分辨率差，发文章

26、投稿有可能受阻，另外，在可能受阻，另外，在Win7和和Win8系统运行不畅。系统运行不畅。(2) 应用软件应用软件CrystalMaker 该软件较为复杂，但图像分辨率好，在各种操作系统下运该软件较为复杂，但图像分辨率好，在各种操作系统下运行良好。行良好。希望大家能掌握：希望大家能掌握：(1) 化学键的添加；化学键的添加；(2) 配位多面体的添加；配位多面体的添加；(3) 球键图、配位多面体连接图、配位多面体球键图、配位多面体连接图、配位多面体+球键；球键；(4) ICSD晶体结构数据库与晶体结构数据库与atoms61的联用。的联用。3. 晶体结构中的面网v1) 1) 面网的定义：描述面网的定

27、义：描述一组互相平行一组互相平行的、的、等间距等间距的面网，用这一组面网中最靠近的面网，用这一组面网中最靠近原点、但又不通过原点的平面的米氏符原点、但又不通过原点的平面的米氏符号来表示，即该面在三个结晶轴分数截号来表示，即该面在三个结晶轴分数截距的倒数。距的倒数。v若分数截距的倒数为若分数截距的倒数为hkl,则该组面网的则该组面网的符号为符号为(hkl)。v(hkl)所表示的为一组等间距的平面，该所表示的为一组等间距的平面，该平面可以是晶体结构中的实际原子面，平面可以是晶体结构中的实际原子面，也可以是假想的平面。也可以是假想的平面。（010） （020） （030） （040）（001） （0

28、02） （003） （004）001投影投影 （330） （210） （140） （110） （220） (110) (120) (210) (112) (1-10)或或(-110) (11-1)或或(-1-11)v2) 2) 面网间距：描述一组等间距的面网中面网间距：描述一组等间距的面网中相邻面网的垂直距离。记为相邻面网的垂直距离。记为 dhkl。v在直角坐标并且轴长相等的情况下：在直角坐标并且轴长相等的情况下： d010=b d020=b/2 d030=b/3 d040=b/4(120) (110)直角坐标时直角坐标时221101a11db22222120211)b/21(a11dba(1

29、11)222111c11a11dbv 3) 3) 各晶系的晶格常数特点及面网间距表达公式：各晶系的晶格常数特点及面网间距表达公式：a）立方(等轴)晶系 a=b=c =90b)四方(正方)晶系 a=bc =90c)斜方(正交)晶系 abc =902222222hkld1clbkah222222hklkd1clah22222hklkd1alhd）单斜晶系 abc ；90e) 三斜晶系 abc90of) 三方及六方晶系按六方指标化） a = bc=90o,=120ov 4) 4) 面网间距含义：面网间距含义：v (1) (1) 不同面网符号的面网间距有可能彼此相等。不同面网符号的面网间距有可能彼此相

30、等。v 如立方晶系，根据公式如立方晶系，根据公式v 可知：可知：v (100)(100)、(010)(010)、(001)(001)、(-100)(-100)、(0-10)(0-10)、(00-1)(00-1)等相等；等相等；v (110)(110)、(101)(101)、(011)(011)、(-110)(-110)、(1-10)(1-10)、 (-101) (-101)、(10-1)(10-1)、(0-11)(0-11)、(01-1)(01-1)等相等。等相等。 在粉晶在粉晶X X射线衍射中，这种不同面网符号面网间距相等射线衍射中，这种不同面网符号面网间距相等的情况称之为的情况称之为多重因

31、子多重因子。22222hklkd1alh不同晶系不同面网类型的多重因子 v在x射线粉晶衍射中，只能测定出独立的面网间距，因此对于面网间距相等的面网，在描述其面网符号时，选用其中的一个面网符号表示。选符号的规则：va) 尽量采用正指数vb) 数字尽量靠前v如对于 (110)(110)、(101)(101)、(011)(011)、(-110)(-110)、(1-10)(1-10)、(-101)(-101)、(10-1)(10-1)、(0-11)(0-11)、(01-1)(01-1) 在表示时采用（在表示时采用（110110）代表。）代表。v(2) (2) 每个不同的晶体含有无数组面网间距每个不同的

32、晶体含有无数组面网间距不等的面网。不等的面网。v对于实际的晶体结构：对于实际的晶体结构：va) a) 最大面网间距不超过晶胞的尺度最大面网间距不超过晶胞的尺度vb) xb) x射线分析能检测的最小面网间距为所射线分析能检测的最小面网间距为所采用采用x x射线波长的一半射线波长的一半v因此因此x x射线分析能得到的面网间距是有限的。射线分析能得到的面网间距是有限的。v如闪锌矿属立方晶系，如闪锌矿属立方晶系，a=5.4000Aa=5.4000A，理论上，理论上具有如下面网间距具有如下面网间距: :d1005.4000d2031.4977d1051.0590d2060.8538d1013.8184d

33、1231.4432d1151.0392d1260.8433d1113.1177d4001.3500d2051.0028d1450.8332d2002.7000d1041.3097d1250.9859d3350.8235d1022.4150d1141.2728d4040.9546d2260.8141d1122.2045d1331.2388d1440.9400d2450.8050d2021.9092d2041.2075d3050.9261d1360.7962d1221.8000d1241.1784d1350.9128d4440.7794d1031.7076d2331.1513d2440.9000d

34、2360.7714d1131.6282d2241.1023d1060.8878d1070.7637d2221.5588d3041.0800d1160.8760 作业四1. 某物质空间群为P42/MNM(136)，a=4.594，c=2.959。 原子坐标 Ti，2a(0,0,0); O，4f (0.3056,0.3056,0); a 绘制出晶体结构图并描述结构(用配位多面体)； b 计算其理论面网间距（1.5000），并从大到小排列，以列表的形式给出面网符号和面网间距。 2.已知已知GaAs可以形成以下可以形成以下5种结晶状态：种结晶状态： F-43m(216) ICSD-107949 P63

35、mc(186) ICSD-67773 Pmm2(25) ICSD-43951 Imm2(44) ICSD-43950 Pa-3(205) ICSD-41992 试用晶体结构绘图程序画出每种结晶状态单位晶胞原子分试用晶体结构绘图程序画出每种结晶状态单位晶胞原子分布、绘出球键图、配位多面体连接图。布、绘出球键图、配位多面体连接图。3. 已知立方已知立方AgI的晶体结构为：的晶体结构为： Im-3m(229) a=5.062,Z=2Atom # OX SITE x y z SOF H ITF(B) Ag 1 +1 12 d 0.25 0 0.5 0.1667 0 11.7 I 1 -1 2 a 0 0 0 1. 0 7.5试绘出其晶体结构，并解释原子占位度试绘出其晶体结构，并解释原子占位度(SOF)的含义。的含义。