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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=047

1．11．3类型Ⅲ化合物：αγ=αmax48

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=1177

4．5．2 R9O16相，n=9，m=1178

4．5．3 R11O20相，n=11，m=1180

4．5．4 R40O72相，n=40，m=4183

4．5．5 R24O44相，n=24，m=2183

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CBED307

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EELS389

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