固体物理(第2课)常见晶格结构.ppt

1.4 密堆积和配位数 1.4.1 密堆积 结合能最低。 紧密方式排列。 配位数：原子周围最近邻的原子数。 1.4.2 密堆积结构 1 六方密堆积 2立方密堆积：面心立方 1.4.3 最大配位数 相同原子组成：最大配位数12。 不同原子组成：最大配位数小于12。 根据对称性：配位数12，8，6，4，3 ，2。 1.4.4 致密度 致密度（堆积因子）晶胞中所有原子体积 之和与晶胞体积之比。 v1.5.1 立方晶系的布喇菲晶胞 v简立方晶格（sc） v体心立方晶格（bcc） Li、Na、K、Rb、 Cs、Fe v面心立方晶格（fcc） Fe、Au、Ag、Cu 、Al Cu 1s22s22p63s23p63d104s1 1.5 几种典型的晶体结构： 1.5.2 立方晶系的复式格子 v氯化钠型结构（示意图） v氯化铯型结构（示意图） v金刚石结构(演示) （示意图） v闪锌矿结构(演示) （示意图） v钙钛矿结构: （示意图） vC60结构 （示意图） 1.5.3 六方密积结构 1 六方密堆积(演示)（示意图） 基元由两个原子构成。配位数12 2 纤维锌矿(六方ZnS)型结构 （示意图） 可以看成是S原子和Zn原子构成的六方密集子晶 格沿六方轴的c方向移动3c/8套构而成。 可以看成是4 个简单六方晶格的嵌套而成，每个 原胞内包含两对离子。 族元素的氮化物，如BN、AlN、GaN、InN。 纤维锌矿是一种较少见的硫化锌的矿物形式，以法 国化学家Charles-Adolphe Wurtz的名字命名。 其晶体结构是六角形晶体系统的一员且包含有四面 等位的锌和硫原子形成ABABAB型结构。这种结构 与 of 六方碳或者六角的钻石的结构有很大程度的关 联。 纤维锌矿单胞常数为： a = b = 3.81 = 381 pm c = 6.23 = 623 pm 许多其他化合物可以同样有纤维锌矿的结构，包括 AgI、ZnO、CdS、CdSe、-SiC、GaN、AlN，以及 其它半导体。在大多数这种化合物中，纤维锌矿并 不是受人喜爱的大块晶体的形式，但是这种结构可 以在某些非晶体形式的材料中受到喜爱。 作业：1 v假设原子为刚性小球，则其堆积为下列晶格时 原子自身体积与其占据的空间体积之比为多少？ vbcc晶格 (b) fcc晶格 v说明金钢石、闪锌矿晶胞和原胞中原子的数量 ？ v简要说明PbS 和InSb的晶格结构以及它们的应用 范围 。 1.6 晶向指数和晶面指数 1.6.1 晶向及其标志 v晶列：通过晶格中任意两个格点连一条直线 ，该直线称为晶列。 v晶向：相互平行的一族晶列的共同方向称为 晶向。对于简约格矢量，即n,m,l为互质数。 其晶向记为nml. v晶向指数：用以标志晶列方向的参数。 v晶向指数的求法： （示意图）(常见晶向指 数) 立方晶系中一些常用的晶向指数 说明： v晶向指数代表一族晶列，而不指某一 特定晶列。(示意图) v负晶向指数表示： 。 v等效晶向表示： v六方晶系的表示方法。（示意图） 1.6.2 晶面与密勒指数 v晶面：同一平面上的格点构成一个晶面。 v晶格由无数互相平行且等距分布的晶面构 成。 v截距方程： v密勒指数：用以标志晶面的参数。 v密勒指数的求法：（示意图） v举例 求出晶面在坐标轴X、Y、Z上的相应截距p、q 、r ； 取截距倒数h，k，l，(h、k、l为晶面指数或密 勒指数)； 将h、k、l化为没有公约数的整数比h：k：l= 将h、k、l加圆括号(hkl)，即为晶面指数。 说明： v以格点为原点，以基矢为坐标轴，建立坐标 系。晶面在基矢上的截距为（x,y,z）,则其倒数 连比可化为互质的整数(hkl)，称为该族晶面的密 勒指数。 v实际工作中，常以晶胞（不是原胞）的基矢 a,b,c为坐标轴来建立坐标系，a,b,c不一定正交。 v密勒指数既表示一族晶面，也表示单个晶面 。 v负密勒指数表示： 。 v等效晶面表示：h k l v在立方晶系中密勒指数和晶向指数相同的晶 面、晶列互相垂直。 举例： y 2a x z 4a6a （326） 晶面间距的计算 v低指数的晶面晶面间距较大，高指数的则较小 。晶面间距越大，该面上原子排列愈密集，否则 越疏。 注意点： v本节的晶向、晶面及其指数主要针对布 喇菲格子而言。 v如以原胞基矢为坐标轴建立坐标系，则 晶向指数和晶面指数的通式一般为l1 l2 l3 、(h1 h2 h3)。 v密勒指数简单的晶面也是比较重要的晶 面。 作业：2 v试问面心立方晶格中，哪些晶向上原子的线密 度最大？ v试证明在立方晶系中， 晶面(a,b,c)与晶向a,b,c 互相垂直。 v求立方晶系中(121)晶面的面间距。 v在简单立方晶格中试求密勒指数为（111）和（ 121）的晶面之间的夹角。(晶面与晶向,矢量计算 法则) 氯化钠型结构 氯化钠型结构 复式面心立方结构：KCl、LiH、PbS 返回 氯化铯型结构 氯化铯型结构 返回 复式简立方结构：TlBr溴化铊、TlI(碘化钛)、 CuPd(钯铜)、AgMg、AlNi 晶胞和原胞 金钢石结构 1 金刚石 3 返回 金钢石结构 2 返回 金刚石和闪锌矿结构（） 金刚石结构闪锌矿结构 闪锌矿结构又称为立方硫化锌 金刚石和闪锌矿结构（2） 复式面心立方结构：两个面心立方的布喇菲晶格沿对 角线平移1/4长度套构而成，但原子价键取向不同。 Si、Ge、GaAs、InP、InSb（用途？） InSb 探测器阵列 320240制冷 目前11所和211所已 做出来。 金刚石和闪锌矿结构（2） (100(100面面 ) ) (111(111面面 ) ) 返回 金刚石和闪锌矿结构（3） 返回 原胞示意图 金刚石和闪锌矿结构（4） 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm 密度： 5.001022cm-3, 4.421022cm-3 共价半径： 0.117nm, 0.122nm. 淡黄色透明 闪锌矿(金刚 石光泽). 返回 六方密积结构示意图1 返回 原子铺排方式：ABABAB 复式六方结构： Be、Mg、Ti、Zn 下一页 六方密积结构示意图2 返回 晶胞和原胞示意图 钙钛矿晶格结构（1） 钙钛矿类型结构(ABO3)的PZT (Pb ZrTiO3)是铁电随机存储 器中使用的最常见的材料。在应用和排除外电场后，PZT的 电极化（ Zr/Ti 原子的上/下移动）仍然存在，从而带来了非 易失性的特质。因此，数据存储所消耗的电量非常小。 钙钛矿晶格结构（2） C60分子晶体 C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五 边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连， 只与六边形相连。每个碳原子以sp2杂化轨道和相邻 的3个碳原子相连，剩余的p轨道在C60分子的外围和 内腔形成键。 纤锌矿晶格结构（3-1） 纤锌矿晶格结构（3-2） 纤锌矿结构：六方硫化锌 纤锌矿晶格结构（3-3） 纤锌矿原胞 Chalcocite纤锌矿 纤锌矿晶格结构（3-4） 返回 晶向指数的求法示意图 返回 xy平面内晶向示意图(z=0) 说明：晶向指数代表一族晶列，而不指某一特定晶 列。 返回 晶面族 o 密勒指数的求法示意图 返回 晶面间距示意图 晶面截距公式推导 重要晶面 （100）（110） （111） 六方晶系的晶向指数和密勒指数 晶向晶向 ( )( )晶面晶面 在各轴上 的投影 晶体管的发明 1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组： W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想， Brattain设计了实验； 1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的 晶体管； 晶体管的发明 1947年12月23日 第一个点接触式 NPN Ge晶体管 发明者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 获得获得19561956年年 NobelNobel物理奖物理奖 集成电路的发明 1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一 次提出了集成电路的设想。 1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基 尔比(Clair Kilby,Intel创始人之一)为首的研究 小组研制出了世界上第一块集成电路，并于 1959年公布了该结果。 集成电路的发明 1958年世界上第一块集成电路：锗衬底上形成台面双极晶体管和 电阻，总共12个器件，用超声焊接引线将器件连起来。 获得获得20002000年年NobelNobel物理奖物理奖 集成电路的发明 Kilby 的专利（1964年） 1. 硅圆片工艺 晶片: 只含有极少“ 缺陷”的单晶硅体。 “切克劳斯基法”生长单晶硅 “切克劳斯基法”:将一 块称为籽晶的单晶硅浸入 熔融硅中，然后在旋转籽 晶的同时缓慢地把其从熔 融硅中拉起。结果，就形 成圆柱形的大单晶棒。 生长时，可在熔融硅中掺 入杂质来获得期望的电阻 率 。 直拉单晶硅 Silicon Ingots (400mm) 大单晶棒能切成薄的圆片（wafer） 在大多数CMOS技术中，圆片的 电阻率为0.05到0.1cm，厚度 约为500到1000微米。 chip 中科院半导体所研制成功我 国最重最长4英寸液封直拉法 砷化鎵单晶 中科院半导体所研制成功我 国最重最长6英寸液封直拉 法砷化鎵单晶 A 元 素 周 期 表 A H A A A A A A He LiBeBCNOFNe NaMg V B B B B B B AlSi