物质微观结构分类

casjxm

        材料结构按尺度的不同大体上可分为宏观结构（> ~1 um）、介观结构（~10 nm – 1 um）和微观结构（< ~10 nm），其中微观结构决定了材料的本征性能，而宏观结构和介观结构（超晶格、畴结构等）对材料和及其器件的功能扩展与增强起着重要作用。微观结构是本书关注的主要对象，微观结构按结构基元（电子云、自旋、分子、原子、基团等）和结构序（结构基元的排列）的不同又可分为电子结构（电子密度分布、电子波函数、电子云、轨道等）、磁结构（自旋的排列结构）、晶体结构（原子和分子的三维周期性排列结构）、调制结构（原子和分子排列具有严格非周期的长程序）和缺陷结构（原子和分子排列具有统计意义上的长、中和短程序）。局域缺陷（无严格和统计意义上的长、中和短程序）在本书中也归属为缺陷结构。
        完美的晶体结构中原子和分子在三维空间内按周期性排列，晶体的基本结构单元（称为晶胞）在所有方向上以相同的方式重复，这种周期性构成了晶体的长程序。调制结构（modulated structure）也称为非周期性结构（aperiodic structure），是指晶体结构中一些原子的位置、占据数或温度因子等结构参数发生有规律的畸变，这种畸变可使用与基础晶格周期不同的周期性函数来描述，若其周期为基础晶格周期的整数倍，则称为公度调制结构；若不是，则称为非公度调制结构。非公度调制结构不存在三维平移周期性，但仍然具有严格的长程序。尽管调制结构具有一定的规律性，但它们与完美的晶体结构相比仍然是偏离的，调制结构中引入的额外的周期性调制波，可视为某种形式的结构“缺陷”，这些缺陷并非完全无序的，而是具有内在的规律性。除了晶格缺陷，其它因素也能产生调制结构，如相变，外场等。缺陷结构是指晶体结构中一些原子的位置、占据数或温度因子等结构参数发生畸变的程度已经无法使用周期性函数来描述了，但在统计分布上仍然具有一定的长程序。虽然缺陷结构整体上没有严格的长程序，但在统计上仍表现出某种规律性，这种规律性可能表现为平均的键长、平均的对称性或者在较大尺度上的有序排列。局域缺陷是指结构中原子或分子的无序程度已经大到没有长程序，通常只需关注几个原子层范围内的偏离完美配位情况的结构特征。
        这几种微观结构的典型特征示意图如图1-1所示。材料的各种微观结构类型中，除了电子结构属于亚原子或电子云分辨尺度上的结构，其他均为分子原子尺度上的排列结构。