結晶構造

結晶構造（けっしょうこうぞう）とは、結晶中の原子の配置構造のことをいう。

結晶構造の分類[編集]

結晶構造は「基本構造」と「格子」の2つから成る。つまり格子と基本構造が決まれば、結晶構造も決まる。

基本構造とは一つの「格子点」に付随する構造である。ここで、格子点とは周囲の環境が同一である点のことをいい、特定の原子の位置には限られない^[1]。

また格子点は並進操作により無限に再現され、「格子」を作る。格子点を結んだもののことを「単位格子」と呼ぶ（「単位」という名前がつけられているが、いくら大きくてもいくつ格子点を含んでいても構わない）。単位格子の中で格子点が頂点だけのもの、つまり格子点を平均で1つ含むような単位格子を「基本単位格子（または単純単位格子）」と呼ぶ。

結晶格子[編集]

結晶格子（けっしょうこうし）は、結晶の並進対称性を特徴付ける空間上の格子。

実空間において基本並進ベクトルa₁,a₂,a₃より、実格子ベクトルは、

$\mathbf{R}_n=n_1 \mathbf{a}_1 + n_2 \mathbf{a}_2 + n_3 \mathbf{a}_3$

で表される。ここで、n=(n₁,n₂,n₃)は任意の整数の組である。a₁,a₂,a₃が作る平行六面体が単位格子（＝単位胞）であり、この単位格子を3次元的に繰り返し並べたものが結晶である。そしてこの結晶を形作る格子が結晶格子である。実格子ベクトルR_nの終点が格子点（実格子点とはあまり言わない）である。

7つの結晶系と14の結晶格子（ブラベー格子）
7結晶系	14ブラベ-格子
三斜晶
単斜晶	単純	底心
単斜晶
斜方晶（直方晶）	単純	底心	体心	面心
斜方晶（直方晶）
六方晶
三方晶（菱面体晶）
正方晶	単純	体心
正方晶
立方晶（等軸晶）	単純	体心	面心
立方晶（等軸晶）

結晶系・ブラベー格子[編集]

格子は並進対称性と点対称性を持っている。対称操作（並進、回転、反転、鏡映）を施すことによって存在可能な格子は14種類である。この14種の格子を「ブラベー格子」と言う^[2]。ブラベー格子は、格子の点対称性に着目すると、7つの「結晶系」に分類することができる^[3]。

三斜晶（対象要素なし）
- 単純三斜
単斜晶（1つの2回回転軸）
- 単純単斜
- 底心単斜
斜方晶（互いに直行した3つの2回回転軸）
- 単純斜方
- 体心斜方
- 面心斜方
- 底心斜方
六方晶（1つの6回回転軸）
- 単純六方
三方晶（1つの3回回転軸）
- 単純菱面体
正方晶（1つの4回回転軸）
- 単純正方
- 体心正方
立方晶（4つの3回回転軸）
- 単純立方
- 体心立方
- 面心立方

副格子[編集]

結晶格子を構成する原子、分子の中で、同じ性質や状態を持つもの同士が形成する部分的な格子のこと（この意味で部分格子とも言う）。従って、種類の異なる原子、分子からなる副格子も定義可能である。

副格子の例としては、反強磁性体での上向きスピンを持つ原子と、下向きスピンを持つ原子が、それぞれ副格子を形成している。他にフェリ磁性体などのような磁気構造を持つ場合に副格子が存在する。勿論、磁性以外の性質、状態に関しての副格子も存在する。超格子構造でも副格子が重要な意味を持つ。

最密充填[編集]

結晶構造はいろいろな方法で記述できる。単位格子を基にする方法以外にも、最密充填を基にする方法がある。原子を間隙が最も少なくなるように配置させた構造を最密充填構造という。

最密充填構造
- 六方最密充填構造（hcp）
- 面心立方格子構造（fcc）または立方最密充填構造（ccp）
最密充填ではない構造
- 単純立方格子構造（cubic-P）
- 体心立方格子構造（cubic-I, bcc）

主な結晶構造[編集]

多くの結晶は多成分から成り、同じような結晶構造を持つものが多い。そのような結晶構造には以下のように名前が付けられている。

結晶構造	図	主な例
塩化ナトリウム型構造		NaCl、MgO、CoO
塩化セシウム型構造		CsCl、RbCl(高温高圧下)
ペロブスカイト型構造		CaTiO₃、LiNbO₃、CaZrO₃
閃亜鉛鉱型構造		ZnS、HgS、CuCl
ウルツ鉱型構造		ZnO、AlN、BeO, GaN
スピネル型構造		MgAl₂O₄