مواضيع المحاضرة: Crystal Structure and Crystallography
background image

Chapter I 

CRYSTAL STRUCTURE AND CRYSTALLOGRAPHY 

 

1.0 What is meant by Crystallography and why to study the structure of crystalline solids? 

Crystallography  is  the  experimental  science  of  determining  the  arrangement  of  atoms  in  the 

crystalline solids. The properties of some materials are directly related to their crystal structures. For 

example,  pure  and  undeformed  magnesium  and  beryllium,  having  one  crystal  structure,  are  much 

more brittle (i.e., fracture at lower degrees of deformation) than pure and undeformed metals such as 

gold and silver that have yet another crystal structure. Furthermore, significant property differences 

exist  between  crystalline  and  non-crystalline  materials  having  the  same  composition.  For  example, 

non-crystalline  ceramics  and  polymers  normally  are  optically  transparent;  the  same  materials  in 

crystalline (or semi-crystalline) form tend to be opaque or, at best, translucent. 

An important  reason  to have an understanding of interatomic bonding in  solids is  that, in  some 

instances,  the  type  of  bond  allows  us  to  explain  a  material’s  properties.  For  example,  consider 

carbon, which may exist as both graphite and diamond. Whereas graphite is relatively soft and has a 

“greasy” feel to it, diamond is the hardest known material. This dramatic disparity in properties is 

directly  attributable  to  a  type  of  interatomic  bonding  found  in  graphite  that  does  not  exist  in 

diamond.  

Thus  by  studying  the  crystal  structure  and  bonding  nature  of  different  materials,  we  can 

investigate  the  reasons  for  the  similar  or  dissimilar  nature  of  the  selected  materials  in  terms  of 

different properties or different parameters. The crystal structure and symmetry of a material play a 

vital role in determining many of its physical properties, such as cleavage, electronic band structure, 

and optical transparency, etc.    

 

1.1 Introduction 

Based  on  the  atomic  arrangement  in  a  substance,  solids  can  be  broadly  classified  as  either 

crystalline or non-crystalline. In a crystalline solid, all the atoms are arranged in a periodic manner in 

all  three  dimensions  where  as  in  a  non-crystalline  solid  the  atomic  arrangement  is  random  or  non-

periodic  in  nature.  A  crystalline  solid  can  either  be  a  single  crystalline  or  a  polycrystalline.  In  the 

case of single crystal the entire solid consists of only one crystal and hence, periodic arrangement of 

atoms  continues  throughout  the  entire  material.  A  polycrystalline  material  is  an  aggregate  of  many 

small crystals separated by well-defined grain boundaries and hence periodic arrangement of atoms 

is limited to small regions of the material called as grain boundaries as shown in Fig. 1.1. The non-

crystalline substances are also called as amorphous substances materials. Single crystalline materials 


background image

exhibit long range as well as short range periodicities while long range periodicity is absent in case 

of poly-crystalline materials and non-crystalline materials.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Some more differences between crystalline solids and amorphous solids is listed in Table 1.1. 


background image

 

In  this  chapter,  as  we  are  studying  about  crystal  structures  of  materials,  we  restrict  our 

discussion  to  crystalline  solids.  As  already  mentioned  in  table  1.1,  a  crystal  has  regular  shape  and 

when it is broken all broken pieces have the same regular shape. A crystal has sharp melting point. 

Since  the  crystals  may  have  different  periodic  arrangements  in  all  three  dimensions,  the  physical 

properties vary with direction and therefore they are called anisotropic substances. Crystalline solids 

may be made up of metallic crystals or non metallic crystals. Copper, Silver, aluminum, tungsten and 

magnesium  are  examples  of  metallic  crystals  while  carbon,  crystallized  polymers  and  plastics  are 

examples of nonmetallic crystals. Let us now discuss the elementary concepts of crystallography.  

1.1.1 Space Lattice or Crystal Lattice: 

In a solid crystalline material, the atoms or molecules are arranged regularly and periodically 

in  all  three  dimensions.  The  atomic  arrangement  in  a  crystal  is  called  crystal  structure.  To  explain 

crystal  symmetries  easily, it is  convenient to  represent  an atom or  a  group of atoms that repeats  in 

three dimensions in the crystal as a unit. If each such atom or unit of atoms in a crystal is replaced by 

a  point  in  space,  then  the  resultant  points  in  space  are  called  space  lattice.  Each  point  in  a  space 

lattice  is  called  a  lattice  point  and  each  atom  or  unit  of  atoms  is  called  basis  or  pattern.  A  space 

lattice represents the geometrical pattern of crystal in which the surroundings of each lattice point is 

the same.  If the surroundings  of  each lattice point  is  same or if the  atom or all the atoms  at  lattice 

points are identical, then such a lattice is called Bravais lattice. On the other hand, if the atom or the 

atoms  at  lattice  points  are  not  same,  then  it  is  said  to  be  a  non-Bravais  lattice.  Figure  1.2  shows  a 

two- dimensional lattice.  


background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

In the same manner, it is  very convenient to  imagine periodic arrangement  of points in  space in 3-

dimensions about which these atoms are located. “A space lattice or a crystal lattice is defined as a 

three dimensional infinite array of points in space in which every point has surroundings identical 

to that of every other point in the array”.  

 

 

1.1.2 Basis and Crystal Structure 

The atomic arrangement in a crystal is called crystal structure. The crystal structure is formed 

by associating every lattice point with an atom or an assembly of atoms or molecules or ions, which 

are identical in composition, arrangement and orientation, called the basis. i.e. an atom, or a group of 

atoms or molecules identical in composition is called the basis or the pattern. The basis provides the 

number  of  atoms  per  lattice  point,  their  types,  mutual  orientations  and  distances  of  separation 

between  the  atoms.  If  the  basis  is  substituted  for  the  lattice  points,  then  the  resulting  structure  is 

called crystal structure as shown in Fig. 1.3. Thus lattice + basis = crystal structure. The basis shown 

in Fig. 1.3 contains three different atoms. In copper and sodium crystals the basis is single atoms; in 

NaCl, the basis is diatomic and in CaF

2

 the basis is triatomic. A lattice is an imaginary assumption 

while the crystal structure is a real concept.   


background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.3  Unit  Cell  and 

Lattice Parameters 

Unit  cells  for  most  of  the  crystals  are  parallelopipeds  or  cubes  having  three  sets  of  parallel 

faces. A unit cell is the basic structural unit or building block of the crystal. A unit cell is defined as 

the smallest parallelopiped volume in the crystal, which on repetition along the crystallographic axes 

gives  the  actual  crystal  structure  or  the  smallest  geometric  figure,  which  on  repetition  in  three-

dimensional space, gives the actual crystal structure is called a unit cell. The choice of a unit cell is 

not  unique  but  it  can  be  constructed  in  a  number  of  ways;  Fig.  1.4  shows  different  ways  of 

representing  unit  cells  in  a  two-dimensional  lattice.  A  unit  cell  can  be  represented  as  ABCD  or 

A′B′C′D′ or A″B″C″D″, etc.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

To define the unit cell parameters or lattice parameters, first we define crystallographic axes. 

These axes are obtained by the intersection of the three non-coplanar faces of the unit cell. The angle 

between these faces or crystallographic axes are known as interfacial or interaxial angles. The angles 

between the axes Y and Z is  α, between Z and X is  β and between X and Y is  γ. The translational 

vectors or primitives a, b, c of a unit cell along X, Y, Z axes and interaxial angles αβγ are called 


background image

cell  parameters.  These  cell  parameters  are  shown  in  Fig.  1.5.  The  cell  parameters  determine  the 

actual size and shape of the unit cell.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.4 Primitive and non-primitive unit cells: The unit cell formed by primitives is called a simple 

or  a  primitive  unit  cell.  A  primitive  unit  cell  contains  only  one  lattice  point.  If  a  unit  cell  contains 

more than one lattice point, then it is called a non-primitive unit cell or a multiple unit cell. Most of 

the  unit  cells  of  various  crystal  lattices  contain  two  or  more  lattice  points  and  hence  it  is  not 

necessary that unit cell should be a primitive unit cell. For example, BCC and FCC are non-primitive 

unit cells.  

1.1.5 Bravais Lattice: If the surroundings of each lattice point is same or if the atom or all the atoms 

at  lattice  points  are  identical,  then  such  a  lattice  is  called  Bravais  lattice.  Based  on  the  number  of 

lattice  points  present  per  unit  cell  and  stacking  sequence  of  base  atoms  in  a  crystal  structure,  the 

Bravais lattices are classified into Simple or Primitive (P), Body Centered (I), Face Centered (F) and 

Base Centered (C) lattices. In simple or primitive lattice, 8 lattice points or 8 atoms are present at the 

8 corners of the unit cell, each contributing 1/8

th

 to the unit cell and hence there will be 8 x 1/8 = 1 

lattice  point  per  unit  cell.  In  body-centered  lattice,  in  addition  to  the  8  atoms  at  8  corners  each 

contributing  1/8

th

  to  the  unit  cell,  there  will  be  one  complete  atom  at  the  center  of  the  unit  cell. 

Therefore number of atoms or lattice points in a body centered unit cell becomes 8 x 1/8 + 1 x 1 = 2. 

In case of face-centered lattice, in addition to the 8 atoms at 8 corners each contributing 1/8

th

 to the 

unit cell, six atoms will be present at the center of six faces of the cell each contributing 1/2

nd

 to the 

unit cell. Therefore number of atoms or lattice points in a face centered unit cell becomes 8 x 1/8 + 6 

x  1/2  =  4.  Similarly,  in  case  of  base-centered  lattice,  in  addition  to  the  8  atoms  at  8  corners  each 

contributing 1/8

th

 to the unit cell, two atoms will be present at the center of upper and lower faces of 


background image

the unit cell each contributing 1/2

nd

 to the unit cell and hence the number of atoms or lattice points in 

a base centered unit cell becomes 8 x 1/8 + 2 x 1/2 = 2.  

1.2 Crystal Systems and Bravais Lattices:  

For representing the type of distribution of lattice points in space, seven different co-ordinate 

systems are required. These co-ordinate systems  are called crystal systems. The crystal systems are 

named on the basis of geometrical shape and symmetry. The seven crystal systems are: (1) Cubic (2) 

Tetragonal  (3)  Orthorhombic  (4)  Monoclinic  (5)  Triclinic  (6)  Trigonal  (or  Rhombohedral)  and  (7) 

Hexagonal. Space lattices are classified according to their symmetry. In 1948, Bravais showed that 

14 lattices are sufficient to describe all crystals. These 14 lattices are known as Bravais lattices and 

are classified into 7 crystal systems based on cell parameters. The Bravais lattices are categorized as 

primitive lattice (P); body-centered lattice (I); face-centered lattice (F) and base-centered lattice (C). 

These seven crystal systems and Bravais lattices are described below. 

1.  Cubic crystal system: In this crystal system, all the unit cell edge lengths are equal and 

are at right angles to one another i.e., and α β γ = 90°. In cubic system, there 

are  three  Bravais  lattices;  they  are  simple  (primitive);  body-centered  and  face-centered. 

Examples for cubic system are Au, Cu, Ag, NaCl, diamond, etc. In simple cubic lattice, 

lattice  points  or  atoms  are  present  at  the  corners  of  the  cube.  In  body-centered  cube, 

atoms  are present  at  the corners and one atom is  completely present  at  the center of the 

cube. In the case of face-centered cube, atoms are present at corners and at the centers of 

all faces of cube. 

 


background image

2.  Tetragonal crystal system: In this crystal system, two lengths of the unit cell edges are 

equal  whereas  the  third  length  is  different.  The  three  edges  are  perpendicular  to  one 

another  i.e.,  a  =  b  ≠  c  and  α  =  β  =  γ  =  90°.  In  tetragonal  system,  there  are  two  Bravais 

lattices;  they  are  simple  and  body-centered.  These  are  shown  in  Fig.  1.7.  Examples  for 

tetragonal crystal systems are TiO

2

, SnO

2

, etc. 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Orthorhombic crystal system: In this crystal system, unit cell edge lengths are different 

and they are perpendicular to one another i.e., a ≠ ≠ c and α β γ = 90°. There are 

four  Bravais  lattices  in  this  system.  They  are  simple,  face  centered,  body  centered  and 

base centered. These are shown in Fig. 1.8. Examples for orthorhombic crystal system are 

BaSO

4

, K

2

SO

4

, SnSO

4

, etc. 

 

4.  Monoclinic crystal system: In this crystal system, the unit cell edge lengths are different. 

Two unit cell edges are not perpendicular, but they are perpendicular to the third edge i.e., 

≠ ≠ cα γ = 90° ≠ β. This crystal system has two Bravais lattices; they are simple 

and base centered. These are shown in Fig. 1.9. Examples for Monoclinic crystal system 

are CaSO

4

.2H

2

O (gypsum), Na

3

AlF

6

 (cryolite), etc. 

 

 

 

 


background image

5.  Triclinic  crystal  system:  In  this  crystal  system,  the  unit  cell  edge  lengths  are  different 

and  are  not  perpendicular  i.e.,  a  ≠  b  ≠  c  and  α  ≠  β  ≠  γ  ≠  90°  and  all  the  angles  are 

different. This crystal exists in primitive cell only. This is shown in Fig.  1.10. Examples 

for triclinic crystal system are K

2

Cr

2

O

7

, CuSO4. 5H

2

O, etc. 

 

 

 

 

 

 

 

6.  Trigonal or Rhombohedral crystal system: In this crystal system, all the lengths of unit 

cell edges are equal. The angles between the axes are equal but other than 90° i.e., 

and α β γ ≠ 90°. The Bravais lattice is simple only as shown in Fig. 1.11. Examples 

for Rhombohedral crystal system are As, Bi, Sb, etc. 

 

 

 

 

 

 

 

7.  Hexagonal crystal system: In this crystal system, two sides of the unit cell edge lengths 

are equal and the angle between these edges is 120°. These two edges are perpendicular to 

the  third  edge,  and  not  equal  in  length  i.e.,  a  =  b  ≠  c  and  α  =  β  =  90°;  γ  =  120°.  The 

Bravais  lattice  is  primitive  only.  This  is  shown  in  Fig.  1.12.  The  atoms  in  this  crystal 

system are arranged in the form of a hexagonal close pack. 

 

 

 

 

 

 


background image

The fourteen Bravais lattices of seven crystal systems are summarized in Table 1.3.  

1.3 Crystal structures of cubic lattices: 

There are three different  types  of cubical  crystal  lattice systems  namely Simple Cubic (SC), Body-

Centered Cubic (BCC) and the Face Centered Cubic (FCC).  

 


background image

Atomic packing factor is defined as the fraction of the space occupied by atoms in the unit cell or it 

is the ratio of the volume occupied by atoms in the unit cell to the unit cell volume. An example for 

simple cubic structure is polonium crystal. 

 

 


background image

 

 

 

 

 


background image

Therefore,  based  on  the  above  packing  fractions  information,  FCC  is  the  most  closely  packed 

structure among all the three cubic crystal lattices SC, BCC and FCC.  

 

 

 


background image

1.3.4 Hexagonal Closed Packed structure ( HCP) :   

The top and bottom faces of the unit cell consist of six atoms that form regular hexagons and 

surround a single atom in the center. Another plane that provides three additional atoms to the unit 

cell  is  situated  between  the  top  and  bottom  planes.  The  atoms  in  this  mid-plane  have  as  nearest 

neighbors atoms in both of the adjacent two planes. The equivalent of six atoms is contained in each 

unit  cell;  one-sixth  of  each  of  the  12  top  and  bottom  face  corner  atoms,  one-half  of  each  of  the  2 

center  face  atoms,  and  all  3  mid-plane  interior  atoms.  If  a  and  c  represent,  respectively,  the  short( 

basal) and long 9 height) parameters of unit cell dimensions of Fig a, the c_a ratio should be 1.633 . 

The coordination number and the atomic packing factor for the HCP crystal structure are the same as 

for FCC: 12 and 0.74, respectively 

 

Fig 1.16:  Structure of HCP 

 

1.4. Calculation of lattice constant 

The unit cell edge length of a cubic system is calculated using the density of the crystal. Let ‘a’ be 

the edge length (or primitive) of a cubic unit cell and ‘ρ’ be the density of the crystal.  

The mass of the unit cell = ρa

3

 ___________ (1) 

Let ‘’ be the molecular weight and N

A

 be the Avogadro number (i.e., number of molecules per kg 

mole of the substance) of the crystal. Then, mass of each molecule 

M/N

A

 

If each unit cell contains 

molecules (or lattice points), Then the mass of unit cell 

=n M/N

A

 

___________ (2)  

From Equation (1) and (2), we have:  

 




رفعت المحاضرة من قبل: مؤمن الحافظ
المشاهدات: لقد قام 0 عضواً و 144 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل