固體電子ppt課件

1、第二章第二章 晶體的結(jié)合晶體的結(jié)合2.12.1晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征一、結(jié)合力的普遍性質(zhì)一、結(jié)合力的普遍性質(zhì) 晶體的結(jié)合由于粒子間吸引、排斥到達(dá)平晶體的結(jié)合由于粒子間吸引、排斥到達(dá)平衡衡兩粒子間的互作用勢(shì)兩粒子間的互作用勢(shì))()()(rururuRT mTraru )(引力勢(shì)引力勢(shì)u(r)rf(r)rr0nRrbru)(庫侖排斥勢(shì)泡利排斥勢(shì)nmrbraru)(兩粒子間的互作用勢(shì)兩粒子間的互作用勢(shì)11)()(nmrbnramrrurf兩粒子間的互作用力兩粒子間的互作用力二、晶體系統(tǒng)互作用勢(shì)U內(nèi)能函數(shù)晶體互作用勢(shì)等于粒子間互作用勢(shì)之和晶體互作用勢(shì)等于粒子間互作用勢(shì)之和)(21)(11

2、ijNjNirurU 忽略外表粒子與體內(nèi)粒子的不同忽略外表粒子與體內(nèi)粒子的不同晶體的互作用勢(shì)：晶體的互作用勢(shì)：)(21)(1ijNjruNrU 晶體互作用力：晶體互作用力：VVUVF )()(U(r)VVF(V)V0三、內(nèi)能函數(shù)與晶體的物理性質(zhì)1、內(nèi)能函數(shù)與晶體結(jié)合能、內(nèi)能函數(shù)與晶體結(jié)合能結(jié)合能：在絕對(duì)零度時(shí)，自在粒子系統(tǒng)的結(jié)合能：在絕對(duì)零度時(shí)，自在粒子系統(tǒng)的 能量能量EN與穩(wěn)定晶體的能量與穩(wěn)定晶體的能量E0之差之差EN -E0. 結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較強(qiáng)。結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較強(qiáng)。當(dāng)當(dāng)T=0， EN =0，結(jié)合能：，結(jié)合能：U0= - U(V0) 此時(shí)，結(jié)合能等于晶體內(nèi)能。此時(shí)，結(jié)合

3、能等于晶體內(nèi)能。2、內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù)、內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù) V=V0 時(shí)，時(shí)， U(V)最小最小 0)(0 VVVUV0av從能量角度分析，原子可以結(jié)合成為晶體的緣由，是它們結(jié)合起來以后，使整個(gè)系統(tǒng)具有了更低的能量。孤立、自在的粒子包括原子、分子或離子結(jié)合成為晶體時(shí)釋放的能量稱為晶體的結(jié)合能W，假設(shè)晶體系統(tǒng)在穩(wěn)定形狀對(duì)應(yīng)的內(nèi)能為U0，那么有W= -U0= -Ur0。v 當(dāng)原子結(jié)合成穩(wěn)定的晶體時(shí)，U( r ) 應(yīng)為極小，由極小值條件，可以求出r的平衡值r0 ，由此可以計(jì)算平衡時(shí)晶格常數(shù)和晶胞體積。3、內(nèi)能函數(shù)與體彈性模量、內(nèi)能函數(shù)與體彈性模量彈性模量：4、內(nèi)能函數(shù)與電負(fù)性 電

4、負(fù)性：原子得到一個(gè)電子的才干。 在元素周期表中，同一周期從左到右電負(fù)性加強(qiáng)；同一族從上到下電負(fù)性減弱。 兩原子電負(fù)性相差較大易構(gòu)成離子鍵 兩原子電負(fù)性相差較小易構(gòu)成共價(jià)鍵22)(VUVVUVVVPVK 三、電負(fù)性一種晶體采取何種結(jié)合方式，其內(nèi)在要素是什么一種晶體采取何種結(jié)合方式，其內(nèi)在要素是什么? ? 取決于原子束縛電子才干的強(qiáng)弱。取決于原子束縛電子才干的強(qiáng)弱。Mulliken原子電負(fù)性定義：原子電負(fù)性定義：電離能電離能 使原子失去一個(gè)電子所需求的能量使原子失去一個(gè)電子所需求的能量親和能親和能 中性原子吸收一個(gè)電子成為負(fù)離子所放出的能量中性原子吸收一個(gè)電子成為負(fù)離子所放出的能量）（電離能親和能

5、電負(fù)性eV)0.18(原子的電負(fù)性原子的電負(fù)性 用來標(biāo)志原子得失電子才干的物理用來標(biāo)志原子得失電子才干的物理量量電負(fù)性H2.1HeLi1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0NeNa0.9Mg1.2Al1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0ArK0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.8Ni1.8Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8KrRb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pd2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5

6、XeCs0.7Ba0.9La-Lu1.1-1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.8Bi1.9Po2.0At2.2RnFr0.7Ra0.9Ac-Lr1.1 電負(fù)性常數(shù)電離能親和能電負(fù)性常數(shù)電離能親和能 常數(shù)的選擇以方便為原那么，常數(shù)的選擇以方便為原那么，例如一種常用的選擇方法：為使鋰?yán)缫环N常用的選擇方法：為使鋰LiLi的負(fù)電性為的負(fù)電性為1 1，選取常數(shù)為，選取常數(shù)為0.180.18。 電離能值越大，原子失去電子電離能值越大，原子失去電子越難；親和能值越大；原子獲得電越難；親和能值越大；原子獲得電子越易。子越易。 電負(fù)性

7、大的原子，易于獲得電電負(fù)性大的原子，易于獲得電子。子。 電負(fù)性小的原子，易于失去電電負(fù)性小的原子，易于失去電子。子。2.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體一、離子鍵、離子晶體1、離子鍵：電負(fù)性小的金屬原子失去電子成為正離子，電負(fù)性大的非金屬原子得到電子成為負(fù)離子，正負(fù)離子吸引、排斥力相等，構(gòu)成穩(wěn)定離子鍵。2、離子晶體：由離子鍵結(jié)合成的晶體。二、離子晶體的結(jié)合能nrbrqru024)(1、一對(duì)離子的互作用勢(shì)、一對(duì)離子的互作用勢(shì)nijijijrbreru0224)(2、有、有N個(gè)離子晶體的結(jié)合能個(gè)離子晶體的結(jié)合能 離子價(jià)為離子價(jià)為的的N個(gè)離子，第個(gè)離子，第 i 個(gè)離子和個(gè)離子和 第第 j個(gè)離子間

8、的互作用勢(shì)個(gè)離子間的互作用勢(shì)第第 i 個(gè)離子與其它個(gè)離子與其它 N-1個(gè)離子間的互作用勢(shì)個(gè)離子間的互作用勢(shì)忽略外表與體內(nèi)離子的差別忽略外表與體內(nèi)離子的差別N個(gè)離子的晶體互作用勢(shì)個(gè)離子的晶體互作用勢(shì)Rrijij 設(shè)設(shè) R是最近鄰間距是最近鄰間距 )(1)1(42)(022nijnijbRReNRUU )4(2210221nijijNjirbreNNuU )4(0221nijijNjirbreu jnijNjijjjnijnijBRReNRU 1111142)(022令令)4(2)(022nRBReNRU N個(gè)離子的晶體互作用勢(shì)個(gè)離子的晶體互作用勢(shì))4(2)(022nRBReNRU 其中其中馬德隆

9、常數(shù)，由晶體構(gòu)造決議馬德隆常數(shù)，由晶體構(gòu)造決議 B 晶格參數(shù)，也由晶體構(gòu)造決議，晶格參數(shù)，也由晶體構(gòu)造決議，n 玻恩指數(shù)玻恩指數(shù) 在平衡形狀在平衡形狀 R=R0平衡間距平衡間距3、平衡體積、平衡體積V0與平衡時(shí)最近鄰間距與平衡時(shí)最近鄰間距R01NaCl型型 2非非NaCl型型300NRV 300RNV V0一個(gè)慣用元胞體積一個(gè)慣用元胞體積N 一個(gè)慣用元胞內(nèi)原一個(gè)慣用元胞內(nèi)原 子數(shù)子數(shù) 修正因子，由晶體修正因子，由晶體 而定而定 4、UR的運(yùn)用的運(yùn)用0)(0 RRUR0 、平衡體積、平衡體積V0知知 B，n0)(0 RRU100224 nRneB 知知 R0、 n)4(2)(022nRBReNR

10、U 00 RRU體彈性模體彈性模量量 K0NaCl 型構(gòu)造型構(gòu)造,求求K0300NRV 20300220022303330302200)1(42291)(91)3(3)()()(00000nRRRRVRBnnReNNRRURNRRNRURNRNRNRUNRNRVUVNRVUVK 關(guān)關(guān)系系）（注注意意300RNV 非NaCl型構(gòu)造晶體，計(jì)算K0 的方法與 NaCl 型一樣4 4、離子晶體的結(jié)合能、離子晶體的結(jié)合能)4(2)(0002200nRBReNRUU 一、共價(jià)鍵：電負(fù)性相等或相近原子共用一對(duì)自旋相反的一、共價(jià)鍵：電負(fù)性相等或相近原子共用一對(duì)自旋相反的電子構(gòu)成的化學(xué)鍵。強(qiáng)鍵電子構(gòu)成的化學(xué)鍵。

11、強(qiáng)鍵成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行，成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行， 電子云在兩原子之間，電子云在兩原子之間， 兩原子相互吸引。兩原子相互吸引。反鍵態(tài)：兩電子自旋平行，反鍵態(tài)：兩電子自旋平行， 電子云在原子兩邊，電子云在原子兩邊， 兩原子相互排斥。兩原子相互排斥。1、共價(jià)鍵的飽和性：自旋相反的一對(duì)電子配對(duì)后，不再、共價(jià)鍵的飽和性：自旋相反的一對(duì)電子配對(duì)后，不再與第三個(gè)電子配對(duì)。與第三個(gè)電子配對(duì)。反鍵態(tài)成鍵態(tài)Urr02.3 共價(jià)鍵與共價(jià)晶體共價(jià)鍵與共價(jià)晶體C 原子的電子組態(tài)原子的電子組態(tài) 1S22S12P3構(gòu)成了構(gòu)成了4個(gè)等價(jià)的電子軌道個(gè)等價(jià)的電子軌道SP3雜化雜化 1S22S22P2 典型共價(jià)鍵晶體典型共

12、價(jià)鍵晶體金剛石金剛石 雜化軌道的特點(diǎn)是它們的電子云分別集中在四面體的4個(gè)頂角方向。1222222222322224222212121212xyzxyzxyzxyzspppspppspppspppCC共價(jià)鍵飽和性泡利原理飽和性泡利原理方向性指向電子云方向性指向電子云 密度密度最大最大共價(jià)鍵109。28C 原子之間結(jié)合方式正四面體2、共價(jià)鍵的方向性：由原子核指向電子云密度最大的方、共價(jià)鍵的方向性：由原子核指向電子云密度最大的方向。向。金剛石金剛石( C原子原子)基態(tài)基態(tài)1s22s22p2 兩個(gè)未成對(duì)的電子兩個(gè)未成對(duì)的電子 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)1s22s12p3 四個(gè)未成對(duì)的電四個(gè)未成對(duì)的電子子 sp3雜化

13、雜化 二、原子晶體及其特點(diǎn)二、原子晶體及其特點(diǎn)1、原子晶體：由共價(jià)鍵結(jié)合成的晶體。、原子晶體：由共價(jià)鍵結(jié)合成的晶體。2、原子晶體的特點(diǎn)：低配位數(shù)、熔點(diǎn)高、硬度大；電導(dǎo)、原子晶體的特點(diǎn)：低配位數(shù)、熔點(diǎn)高、硬度大；電導(dǎo)率低，但某些雜質(zhì)率低，但某些雜質(zhì)As、P、B等進(jìn)入后，電導(dǎo)率將等進(jìn)入后，電導(dǎo)率將隨之添加。隨之添加。2.4 2.4 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體一、金屬鍵：電負(fù)性較小的金屬原子失去價(jià)電子，一、金屬鍵：電負(fù)性較小的金屬原子失去價(jià)電子，構(gòu)成離子實(shí)，價(jià)電子均勻分布在離子實(shí)之間，構(gòu)成離子實(shí)，價(jià)電子均勻分布在離子實(shí)之間，金屬鍵就是靠共有化價(jià)電子和離子實(shí)之間的相金屬鍵就是靠共有化價(jià)電子和離子

14、實(shí)之間的相互作用而構(gòu)成的。金屬鍵無飽和性和方向性互作用而構(gòu)成的。金屬鍵無飽和性和方向性強(qiáng)鍵。強(qiáng)鍵。二、金屬晶體及特點(diǎn)二、金屬晶體及特點(diǎn)1、金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。、金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。2、金屬晶體的特點(diǎn)：多采用密堆積，配位數(shù)高，、金屬晶體的特點(diǎn)：多采用密堆積，配位數(shù)高，良導(dǎo)體，熔點(diǎn)高。良導(dǎo)體，熔點(diǎn)高。立方密積立方密積 CN=12 Cu Ag Au Al六角密積六角密積 CN=12 Mg Zn體心立方體心立方 CN=8 Li Na K Cs 2.5 2.5 范德瓦爾斯鍵與分子晶體范德瓦爾斯鍵與分子晶體一、范德瓦爾斯鍵：分子電偶極矩的互作用力構(gòu)一、范德瓦爾斯鍵：分子電偶極矩的互作用力構(gòu)成。弱鍵成。弱鍵+e+-+-+-瞬時(shí)吸引瞬時(shí)吸引瞬時(shí)排斥瞬時(shí)排斥瞬時(shí)電偶極矩的構(gòu)成瞬時(shí)電偶極矩的構(gòu)成二、分子晶體及其特點(diǎn)二、分子晶體及其特點(diǎn)1、分子晶體：由范德瓦爾斯鍵結(jié)合成的晶體。、分子晶體：由范德瓦爾斯鍵結(jié)合成的晶體。1 1、氫鍵：在一定的條件下，一