固体物理(第2课)常见晶格结构

1、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。晶胞体积晶胞中原子体积之和v1.5.1 立方晶系的布喇菲晶胞a) 简立方晶格（sc）b) 体心立方晶格（bcc） Li、Na、K、Rb、Cs、Fec) 面心立方晶格（fcc） Fe、Au、Ag、Cu、Al Cu 1s22s22p63s23p63d104s11

2、.5 几种典型的晶体结构：几种典型的晶体结构：a) 氯化钠型结构（示意图）b) 氯化铯型结构（示意图）c) 金刚石结构(演示) （示意图）d) 闪锌矿结构(演示) （示意图）e) 钙钛矿结构: （示意图）f)C60结构 （示意图）1 六方密堆积(演示)（示意图）基元由两个原子构成。配位数122 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C

3、harles-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。1.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

4、体积之比为多少？(a) bcc晶格 (b) fcc晶格2.说明金钢石、闪锌矿晶胞和原胞中原子的数量？3.简要说明PbS 和InSb的晶格结构以及它们在光电探测方面的应用 。4.查阅资料,简述GaAs材料在太阳能电池方面的应用5.查阅资料,简述NaCl材料在光学方面的应用6.查阅资料,简述GaAs钛酸铅晶体在集成电路方面的应用1.6 晶向指数和晶面指数 1.6.1 晶向及其标志1) 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。2) 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.2) 晶向指数：用以标志晶列方向的参数。3) 晶向指

5、数的求法： （示意图）(常见晶向指数)c lbmanR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）wvu v 晶面：同一平面上的格点构成一个晶面：同一平面上的格点构成一个晶面晶面。v 晶格由无数互相平行且等距分布的晶格由无数互相平行且等距分布的晶面构成晶面构成。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 举例为截距cbaczbyax, 1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

6、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 lv 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。lkh 举例：y2axz4a6a（326）晶面间距的计算v低指数的晶面晶面间距较大，高指

7、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。1.试问面心立方晶格中，哪些晶向上原子的线密度最大？2.试证明在立方晶系中， 晶面(a,b,c)与晶向a,b,c互相垂直。3.求立方晶系中(121)晶面的面间距。4.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)babacos氯化钠型结构氯化钠型结构复式面心立方结构：KCl、Li

8、H、PbS美国在短波红外成像方面投入了很大力量 ,研制了 PbS短波红外探测器用于“响尾蛇”空空导弹之后 又成功研制了用于“响尾蛇 ”导弹改进型的 PbSe短中波红外探测器。此外 ，最早研制的截止波长在大气水汽吸收峰 2.7 m的 6 000元 PbS短波红外焦平面探测器,已成功用于弹道导弹早期预警卫星。能斯特灯由锆、钇、钍等金属氧化物组成辐射体，通电发热后发射红外辐射，是红外光谱仪上常用的红外辐射源。一般利用氯化钠（NaCl）、溴化钾（KBr）、碘化铯（CsI）等对红外透明的晶体制备的三棱镜进行色散分光，以获得上述光谱区中某一光谱的红外辐射。 返回返回氯化铯型结构氯化铯型结构氯化铯型结构返回

9、返回复式简立方结构：TlBr溴化铊、TlI(碘化钛)、CuPd(钯铜)、AgMg、AlNi晶胞和原胞金刚石 3 返回返回返回返回金刚石和闪锌矿结构（）金刚石和闪锌矿结构（）金刚石结构金刚石结构闪锌矿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（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（金刚石和闪锌矿结构（2）返回返回金刚石和闪锌矿结构（3）返回返回原胞示意图金刚石和闪锌

10、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.淡黄色透明淡黄色透明闪锌矿闪锌矿( (金刚金刚石光泽石光泽).).返回返回六方密积结构示意图1返回返回原子铺排方式：ABABAB复式六方结构：Be、Mg、Ti、Zn下一页六方密积结构示意图2返回返回晶胞和原胞示意图钙钛矿类型结构(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

11、消耗的电量非常小。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。 纤锌矿结构：六方硫化锌纤锌矿原胞ChalcociteChalcocite纤锌矿纤锌矿返回返回晶向指数的求法示意图返回返回Qwvucwbvaur、为互质整数、wvuwvuwvu:wvu 晶向指数： xy平面内晶向示意图(z=0)说明：晶向指数代表一族晶列，而不指某一特定晶晶向指数代表一族晶列，而不指某一特定晶列。列。返回返回晶面族晶面族aobc密勒指数的求法示意图密勒指

12、数的求法示意图返回返回Qtsrc tbsar、为互质整数、lkhlkhtsr:1:1:1)(lkh 密勒指数：晶面间距示意图晶面截距公式推导重要晶面重要晶面（100）（110）（111）在各轴上在各轴上的投影的投影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. BrattainBardeen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；1947年年12月月23日日第一个点接触式第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者：发明

13、者： W. Schokley J. Bardeen W. Brattain1952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。1958年世界上第一块集成电路：年世界上第一块集成电路：锗锗衬底上形成台面双极晶体管和衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共电阻，总共1212个器件，用个器件，用超声焊接引线将器件连起来。超声焊接引线将器件连起来。Kilby 的专利（1964年）1. 1. 硅圆片工艺硅圆片

14、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 。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中科院半导体所研制成功我国最重最长国最重最长4英寸液封直拉法英寸液封直拉法砷化鎵单晶砷化鎵单晶中科院半导体所研制成功中科院半导体所研制成功我国最重最长我国最重最长6英寸液封直英寸液封直拉法砷化鎵单晶拉法砷化鎵单晶A 元素周期表 A HA AAAAAHe LiBe