固體電子導(dǎo)論第二章

固體電子導(dǎo)論第二章第一頁，共三十三頁，2022年，8月28日原子結(jié)合的本質(zhì)：價電子和原子實之間的靜電吸引。原子的結(jié)構(gòu)原子的結(jié)合晶體的結(jié)構(gòu)價電子分布離子性結(jié)合共價結(jié)合金屬性結(jié)合范得瓦耳斯結(jié)合面心氯化鈉型金剛石型等第二章晶體中的原子結(jié)合（硬度、彈性、導(dǎo)電性等）晶體材料的性質(zhì)第二頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.1原子結(jié)合的普遍性質(zhì)由于原子結(jié)合的共同本質(zhì)，原子間的相互作用力和相互作用能隨原子間距的變化表現(xiàn)出共同的規(guī)律性。粒子間引力——庫侖引力等粒子間的斥力——電子云重疊產(chǎn)生的排斥力引力和斥力同時存在，平衡時即形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)反比于原子間距，短程力第三頁，共三十三頁，2022年，8月28日總作用力為引力，增大總作用力為零總作用力為引力，減小總作用力為零，總作用力為斥力，增大引力達到最大一、兩原子間相互作用力與原子間距的關(guān)系第四頁，共三十三頁，2022年，8月28日U能量極小，狀態(tài)最穩(wěn)定凈引力最大，對應(yīng)能量曲線轉(zhuǎn)折點第五頁，共三十三頁，2022年，8月28日若已知第個和第個原子間的相互作用能為，則第個原子與晶體中其它原子相互作用能為二、晶體的相互作用能第六頁，共三十三頁，2022年，8月28日若忽略表面效應(yīng).考慮晶體中原子的等效性，晶體中的總的相互作用能，即為晶體結(jié)合能的粗略表達式：r0：最近鄰原子間的距離第七頁，共三十三頁，2022年，8月28日若已知結(jié)合能，可進一步求出1）晶格常數(shù)2）壓縮系數(shù)和體彈性模量為體積3）抗張強度－晶體所能負(fù)荷的最大張力第八頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.2離子性結(jié)合采用離子性結(jié)合的晶體稱為離子晶體，或極性晶體。離子晶體的作用力稱為離子鍵。堿金屬原子鹵素原子離子晶體第九頁，共三十三頁，2022年，8月28日典型的離子晶體：如NaCl晶體，CsCl晶體。CsCl晶體：無色立方晶體。物理性質(zhì)：密度3.988g/cm3；熔點645℃；沸點1290℃。物理性質(zhì)：相對密度：2.130g/cm3

熔點：801度沸點：1413度熔點較高，硬度較強，容易碎裂，導(dǎo)電性弱對可見光透明氯化鈉晶體第十頁，共三十三頁，2022年，8月28日2)庫侖吸引力：主要靠異性離子間的庫侖吸引作用而結(jié)合；3)斥力來源：1)形成滿殼層：正，負(fù)離子的電子都具有滿殼層結(jié)構(gòu)一、離子鍵的形成滿足泡利不相容原理，兩個滿殼層的離子相互接近到它的電子云發(fā)生顯著重疊時，會產(chǎn)生強烈的排斥作用。庫侖吸引力=重疊排斥力離子鍵離子鍵具有較強的鍵能第十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、結(jié)構(gòu)特點1.正負(fù)離子相間排列氯鈉氯化鈉結(jié)構(gòu)氯化銫結(jié)構(gòu)2、配位數(shù)較高：NaCl為6，CsCl為8第十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日三、結(jié)合力和結(jié)合能的估算簡化假設(shè)：正、負(fù)離子的電荷分布都是球?qū)ΨQ的，相互作用力是庫侖吸引與電子云重疊產(chǎn)生的排斥作用的平衡1.兩個離子間的相互作用能可表示為（以NaCl為例）庫侖吸引重疊排斥其中正負(fù)離子的電荷量均為e，為離子間距相互作用力為第十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.離子晶體的結(jié)合能忽略表面層與內(nèi)部離子的差別，認(rèn)為各離子所受的相互作用相同設(shè)為離子間最短重復(fù)距離晶體的幾何結(jié)構(gòu)決定馬德隆常數(shù)第十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日可通過實驗測量，并計算得到而與間的關(guān)系可由平衡條件決定第十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.3共價結(jié)合采用共價結(jié)合方式結(jié)合的晶體稱為共價晶體，或原子晶體，或同極晶體。共價晶體的作用力稱為共價鍵。既不易失去外層價電子，也不易獲得價電子的原子相互結(jié)合的時候，通常會采用共價結(jié)合。第十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日典型的共價晶體：金剛石，硅，鍺硬度，熔點，沸點都很高，低溫時導(dǎo)電性能較差密度：3.5g/cm3熔點：4000℃，摩氏硬度10硅金剛石熔點1410℃，沸點2355℃，莫氏硬度：6.5有金屬光澤，有半導(dǎo)體性質(zhì)第十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日共用的電子受原子核的吸引（4綠線）

電子之間和原子核之間互相排斥（2紅線）一、共價鍵的形成共價鍵具有很高的鍵能。第十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、共價鍵的特點1.方向性：原子在特定的方向上形成共價鍵.價電子數(shù)小于4，共價鍵數(shù)與價電子數(shù)相等價電子數(shù)大于4，共價鍵與價電子數(shù)之和等于82.飽和性：一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵.電子云密度較大的方向電子對在兩核周圍的空間運動在兩核間空間出現(xiàn)的幾率最大。第十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日每個原子有四個價電子，恰好與四個最近鄰原子形成四根共價鍵，每一對形成共價鍵的原子“共用”一對價電子.三、金剛石結(jié)構(gòu)中的軌道雜化元素C:只有兩個電子未配對，但實驗發(fā)現(xiàn)每個C原子形成4個共價鍵。第二十頁，共三十三頁，2022年，8月28日由和對應(yīng)的波函數(shù)組成的電子狀態(tài)雜化軌道的電子云分別集中于四面體的4個頂角，故金剛石型結(jié)構(gòu)中具有正四面體的結(jié)構(gòu)單元。第二十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.4金屬性結(jié)合采用金屬性結(jié)合方式結(jié)合的晶體稱為金屬晶體。金屬晶體的作用力稱為金屬鍵。金屬原子相互結(jié)合形成晶體時，均形成金屬鍵。第二十二頁，共三十三頁，2022年，8月28日典型的金屬晶體：鈉、金、銀等1）密度較大，有較高的硬度，熔點；2）具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和金屬光澤；3）具有很大的范性金熔點:1064℃

沸點:2807℃

密度：19.32g/cm3密度：0.97g/cm3，熔點：97.81℃，沸點是882.9℃。鈉熱導(dǎo)率:142W/(m·K)電導(dǎo)率：20-200S/cm第二十三頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、金屬鍵的形成原子失去部分或全部價電子，價電子不再束縛于某個原子，而為所有離子實所共有，電子云遍及整個晶體，近似均勻分布，形成自由電子氣。失去價電子的離子實處于其中，好象“金屬正離子淹沒在電子海中”。+Ze+Ze+Ze+Ze+Ze+Ze自由電子氣與正離子實間的庫侖作用將金屬原子聚合在一起形成金屬晶體.第二十四頁，共三十三頁，2022年，8月28日二、金屬晶體結(jié)構(gòu)的特點1.密堆結(jié)構(gòu)，配位數(shù)較高2.電子自由運動3.金屬鍵沒有明顯的方向性第二十五頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.5范得瓦耳斯結(jié)合采用范得瓦耳斯方式結(jié)合的晶體稱為分子晶體。分子晶體的作用力稱為范得瓦耳斯鍵。已經(jīng)具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)的分子相互結(jié)合形成晶體時，通常采用范得瓦耳斯結(jié)合。第二十六頁，共三十三頁，2022年，8月28日典型的分子晶體：大部分氣體在低溫下形成的晶體、大部分有機化合物晶體干冰密度：1.560g/cm3(-78℃)熔點-57℃

冰點-78.5℃

熔點和結(jié)合能都較低，硬度很小第二十七頁，共三十三頁，2022年，8月28日一、范得瓦耳斯鍵的形成離子性、共價、金屬性結(jié)合，原子的價電子的狀態(tài)在結(jié)合成晶體時都發(fā)生了根本性的變化離子性結(jié)合：原子轉(zhuǎn)變成正、負(fù)離子共價結(jié)合：價電子形成共價鍵金屬性結(jié)合：價電子轉(zhuǎn)變?yōu)楣灿谢娮印χ饕獊碜杂趲靵鲆Α７兜峦郀査菇Y(jié)合時，原子或分子的電子狀態(tài)不發(fā)生根本性的變化第二十八頁，共三十三頁，2022年，8月28日已經(jīng)具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的分子之間的一種瞬時電偶極矩的感應(yīng)作用兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩平行，形成相互間的吸引.兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩反平行，形成排斥作用.由于吸引作用對應(yīng)于低勢能狀態(tài)，故出現(xiàn)的幾率較大，故平均作用表現(xiàn)為弱的吸引力.第二十九頁，共三十三頁，2022年，8月28日2.6氫鍵在一定條件下，一個氫原子同時與兩個電子親和能大的、原子半徑較小的原子結(jié)合，形成氫鍵A原子B原子短鍵長鍵表示為：存在共價鍵存在較強的且有方向性的范德瓦耳斯作用第三十頁，共三十三頁，2022年，8月28日冰的晶體結(jié)構(gòu)：(小球代表氫原子,大球代表氧原子,實線代表H—O鍵，虛線代表氫鍵)典型的氫鍵晶體：冰晶體1、冰的密度低是由于每個水分子周圍最鄰近的水分子只有4個為什么水會“冷漲熱縮”？2、隨溫度升高冰晶結(jié)構(gòu)小集團受熱不斷崩潰，分子間距縮小水分子間距因熱運動不斷增大4C以上，后者占優(yōu)勢，密度減小0～4C間，前者占優(yōu)勢，密度增加4C時，兩者相當(dāng),水的密度最大。冰熔化為液態(tài)水，至多只能打破冰中全部氫鍵的約13%第三十一頁，共三十三頁，2022年，8月28日混合型晶體實際晶體中很多并不是以單一的結(jié)合類型而結(jié)合成晶體的，可以存在多種相互作用。鱗片石墨密度：2.21-