點陣

點陣

點陣為集中反映晶體結構的周期性而引入的一個概念。首先考慮一張二維周期性結構的圖像。可在圖上任選一點O作為原點。在圖上就可以找到一系列與O點環境完全相同的點子,這一組無限多的點子就構成了點陣。將圖像作一平移對應於從原點O移至任意陣點的位置,圖像仍然不變。這種不變性表明點陣反映了原結構的平移對稱性。上述的考慮顯然可以推廣到具有三維周期性結構的無限大晶體。

基本信息

概念簡介

點陣點陣

為集中反映晶體結構的周期性而引入的一個概念。首先考慮一張二維周期性結構的圖像。可在圖上任選一點O作為原點。在圖上就可以找到一系列與O點環境完全相同的點子,這一組無限多的點子就構成了點陣。將圖像作一平移,對應於從原點O移至任意陣點的位置,圖像仍然不變。這種不變性表明點陣反映了原結構的平移對稱性。上述的考慮顯然可以推廣到具有三維周期性結構的無限大晶體。應該指出,原點位置可以任意選,但得到的點陣卻是等同的。點陣平移矢量

L

總可以選用三個非共面的基矢

A

A

A

的組合來表示:

L

A

A

A

,這裡的

為三個整數。

A

A

A

所構成的平行六面體,稱為晶胞或初基晶胞,它包含了晶體結構的基本重複單元。值得注意,基矢與晶胞的選擇都不是唯一的,存在無限多種選擇方案。一個初基晶胞是晶體結構的最小單元。但是有時為了能更充分地反映出點陣的對稱性,也可選用稍大一些的非初基晶胞(即晶胞中包含一個以上的陣點)(圖2)。

點陣點陣

一個點陣可以還原為一系列平行的陣點行列(簡稱陣列),或一系列的平行的陣點平面(簡稱陣面)。可用由一組基矢所確定的坐標系來描述某一組特定的陣列或陣面族的取向。我們選取通過原點的陣列上任意陣點的三個坐標分量,約化為互質的整數u、v、w作為陣列方向的指標,可用符號【uvw】來表示。為了標誌某一特定陣面族的方向,可選擇最靠近(但不通過)原點的陣面,讀取它在三個坐標軸上截距的倒數,將這三個數約化為互質的數h、k、l就得該陣面鏇的方向指標,可用符號(hkl)來表示。這就是陣面族的密勒指數。

空間點陣

法國晶體學家布拉菲(A.Bravais)於1850年用數學群論的方法推導出空間點陣只能有十四種: 簡單三斜、簡單單斜、底心單斜、簡單正交、底心正交、體心正交、面心正交、簡單六方、簡單菱方、簡單四方、體心四方、簡單立方、體心立方、面心立方。根據其對稱特點,它們分別屬於七個晶系。

表示方法

圖1-8 空間點陣及晶胞的不同取法圖1-8 空間點陣及晶胞的不同取法

空間點陣到底有多少種排列形式?按照“每個陣點的周圍環境相同”的要求,在這樣一個限定條件下,法國晶體學家布拉菲(A. Bravais)曾在1848年首先用數學方法證明,空間點陣只有14種類型。這14種空間點陣以後就被稱為布拉菲點陣。

空間點陣是一個三維空間的無限圖形,為了研究方便,可以在空間點陣中取一個具有代表性的基本小單元,這個基本小單元通常是一個平行六面體,整個點陣可以看作是由這樣一個平行六面體在空間堆砌而成,我們稱此平行六面體為單胞。當要研究某一類型的空間點陣時,只需選取其中一個單胞來研究即可。在同一空間點陣中,可以選取多種不同形狀和大小的平行六面體作為單胞,如圖1-8所示。

選取方式

固體物理選法

圖1-9面心立方陣胞中的固體物理原胞圖1-9面心立方陣胞中的固體物理原胞

在固體物理學中,一般選取空間點陣中體積最小的平行六面體作為單胞,這樣的單胞只能反映其空間點陣的周期性,但不能反映其對稱性。如面心立方點陣的固體物理單胞並不反映面心立方的特徵,如圖1-9所示。

晶體學選法

圖1-10晶體學選取晶胞的原則圖1-10晶體學選取晶胞的原則

由於固體物理單胞只能反映晶體結構的周期性,不能反映其對稱性,所以在晶體學中,規定了選取單胞要滿足以下幾點原則(如圖1-10所示):

①要能充分反映整個空間點陣的周期性和對稱性;

②在滿足①的基礎上,單胞要具有儘可能多的直角;

③在滿足①、②的基礎上,所選取單胞的體積要最小。

圖1-11 單晶胞及晶格常數圖1-11 單晶胞及晶格常數

根據以上原則,所選出的14種布拉菲點陣的單胞(見圖1-12)可以分為兩大類。一類為簡單單胞,即只在平行六面體的 8個頂點上有結點,而每個頂點處的結點又分屬於 8個相鄰單胞,故一個簡單單胞只含有一個結點。另一類為複合單胞(或稱複雜單胞),除在平行六面體頂點位置含有結點之外,尚在體心、面心、底心等位置上存在結點,整個單胞含有一個以上的結點。14種布拉菲點陣中包括7個簡單單胞,7個複合單胞。

具體內容

表1-2 七大晶系和十四種布拉菲點陣表1-2 七大晶系和十四種布拉菲點陣

根據單胞所反映出的對稱性,可以選定合適的坐標系,一般以單胞中某一頂點為坐標原點,相交於原點的三個棱邊為X、Y、Z三個坐標軸,定義X、Y軸之間夾角為 γ,Y、Z之間夾角為α,Z、X軸之間夾角為β,如圖1-11所示。單胞的三個棱邊長度a、b、c和它們之間夾角α、β、γ稱為點陣常數或晶格參數。六個點陣常數,或者說三個點陣矢量a、b、c描述了單胞的形狀和大小,且確定了這些矢量的平移而形成的整個點陣。也就是說空間點陣中的任何一個陣點都可以借矢量a、b、c由位於坐標原點的陣點進行重複平移而產生。每種點陣所含的平移矢量為:

簡單點陣:a、b、c

底心點陣:a、b、c、(a + b)/2

體心點陣:a、b、c、(a + b + c)/2

面心點陣:a、b、c、(a + b)/2、(b + c)/2、(a + c)/2

所以布拉菲點陣也稱為平移點陣。

種布拉菲點陣

晶體根據其對稱程度的高低和對稱特點可以分為七大晶系,所有晶體均可歸納在這七個晶系中,而晶體的七大晶系是和14種布拉菲點陣相對應的,如圖1-12和表1-2所示。所有空間點陣類型均包括在這14種之中,不存在這14種布拉菲點陣外的其它任何形式的空間點陣。例如在圖l-12中未列出底心四方點陣,從圖1-13可以看出,底心正方點陣可以用簡單正方點陣來表示,面心正方可以用體心正方來表示。如果在單胞的結點位置上放置一個結構基元,則此平行六面體就成為晶體結構中的一個基本單元,稱之為晶胞。在實際套用中我們常將單胞與晶胞的概念混淆起來用而沒有加以細緻的區分。

晶系 符號 點陣類型 符號

三斜

a 簡單 P
單斜 m 底心 G
正交 o 體心 I
六方 h 面心 F
四方 t 菱方 R
立方 c

點陣字型

定義

Bitmap font點陣字型是把每一個字元都分成16×16或24×24個點,然後用每個點的虛實來表示字元的輪廓。

點陣字型優點是顯示速度快,不像矢量字型需要計算;其最大的缺點是不能放大,一旦放大後就會發現文字邊緣的鋸齒。

表現形式

點陣點陣

點陣字型也叫點陣圖字型,其中每個字形都以一組二維像素信息表示。這種文字顯示方式於較早前的電腦系統(例如未有圖形接口時的 DOS 作業系統)被普遍採用。由於點陣圖的緣故,點陣字型很難進行縮放,特定的點陣字型只能清晰地顯示在相應的字號下,否則文字只被強行放大而失真字形,產生成馬賽克式的鋸齒邊緣。但對於字號 8-14px 的尺寸較小的漢字字型(即現今作業系統大多採用的默認字號)現今亦仍然被使用於熒幕顯示上,能夠提供更高的顯示效果;不過現今該種點陣字型主要只作為“輔助”的部分,當使用者設定的字型尺寸並沒有擁有點陣圖像時,字型便會以向量圖象方式顯示;而當列印時,印有字型無論大小亦會使用向量字型列印。

矢量字型檔

這要先了解點陣字型檔與矢量字型檔:

點陣點陣

點陣字型檔常用來作為顯示字型檔使用,這類點陣字型檔漢字最大的缺點是

不能放大,一旦放大後就會發現文字邊緣的鋸齒。

矢量字型檔保存的是對每一個漢字的描述信息,比如一個筆劃的起始、終止坐標,半徑、弧度等等。在顯示、列印這一類字型檔時,要經過一系列的數學運算才能輸出結果,但是這一類字型檔保存的漢字理論上可以被無限地放大,筆劃輪廓仍然能保持圓滑,列印時使用的字型檔均為此類字型檔。Windows使用的字型檔也為以上兩類,在FONTS目錄下,如果字型擴展名為FON,表示該檔案為點陣字型檔,擴展名為T

TF則表示矢量字型檔!

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