固体电子导论第二章.ppt

1、晶体材料的物理、化学性质与晶体中的原子结合及晶体材料的结构有密切的联系。,从经典物理的观点出发，原子之所以结合成晶体，本质上都是由于价电子和原子实之间的静电吸引。由于晶体内价电子在空间上的不同分布而使晶体中原子间的结合表现为不同的类型。,第二章 晶体中的原子结合,原子结合的本质：价电子和原子实之间的静电吸引。,原子的结构,价电子 分布,离子性结合 共价结合 金属性结合 范得瓦耳斯结合,面心 氯化钠型 金刚石型等,第二章 晶体中的原子结合,2.1 原子结合的普遍性质,由于原子结合的共同本质，原子间的相互作用力和相互作用能随原子间距的变化表现出共同的规律性。,粒子间引力库仑引力等,粒子间的斥力电子

2、云重叠产生的排斥力,引力和斥力同时存在，平衡时即形成稳定结构,反比于原子间距，短程力,总作用力为引力，增大,总作用力为零,总作用力为引力，减小,总作用力为零，,总作用力为斥力，增大,引力达到最大,一、两原子间相互作用力与原子间距的关系,能量极小，状态最稳定,若已知第 个和第 个原子间的相互作用能为 ，则第 个原子与晶体中其它原子相互作用能为,二、晶体的相互作用能,若忽略表面效应. 考虑晶体中原子的等效性， 晶体中的总的相互作用能，即为,晶体结合能的粗略表达式：,r0：最近邻原子间的距离,若已知结合能，可进一步求出,1） 晶格常数,2.2 离子性结合,采用离子性结合的晶体称为离子晶体，或极性晶体

3、。,离子晶体的作用力称为离子键。,碱金属原子,卤素原子,离子晶体,典型的离子晶体：如NaCl晶体，CsCl晶体。,CsCl 晶体：无色立方晶体。 物理性质：密度3.988g/cm3；熔点645；沸点1290。,物理性质： 相对密度：2.130g/cm3熔点：801度 沸点：1413度,熔点较高， 硬度较强，容易碎裂，导电性弱,对可见光透明,氯化钠晶体,2) 库仑吸引力：,主要靠异性离子间的库仑吸引作用而结合；,3) 斥力来源：,一、离子键的形成,满足泡利不相容原理，两个满壳层的离子相互接近到它的电子云发生显著重叠时，会产生强烈的排斥作用。,离子键具有较强的键能,二、结构特点,1. 正负离子相间

4、排列,2、配位数较高：NaCl为6，CsCl为8,三、结合力和结合能的估算,1.两个离子间的相互作用能可表示为（以NaCl为例）,库仑吸引,重叠排斥,其中正负离子的电荷量均为e， 为离子间距,相互作用力为,2. 离子晶体的结合能,忽略表面层与内部离子的差别，认为各离子所受的相互作用相同,设 为离子间最短重复距离,可通过实验测量，并计算得到,而 与 间的关系可由平衡条件决定,2.3 共价结合,采用共价结合方式结合的晶体称为共价晶体，或原子晶体，或同极晶体。,共价晶体的作用力称为共价键。,既不易失去外层价电子，也不易获得价电子的原子相互结合的时候，通常会采用共价结合。,典型的共价晶体：金刚石，硅，

5、锗,硬度，熔点，沸点都很高，低温时导电性能较差,硅,金刚石,密度2.32-2.34g/cm3 熔点1410，沸点2355， 莫氏硬度：6.5 有金属光泽，有半导体性质,共用的电子受原子核的吸引（4绿线）电子之间和原子核之间互相排斥（2红线）,一、共价键的形成,共价键具有很高的键能。,二、共价键的特点,1.方向性：原子在特定的方向上形成共价键.,价电子数小于4，共价键数与价电子数相等,价电子数大于4，共价键与价电子数之和等于8,电子对在两核周围的空间运动在两核间空间出现的几率最大。,每个原子有四个价电子，恰好与四个最近邻原子形成四根共价键，每一对形成共价键的原子“共用”一对价电子.,三、金刚石结

6、构中的轨道杂化,由 和 对应的波函数组成的电子状态,杂化轨道的电子云分别集中于四面体的4个顶角，故金刚石型结构中具有正四面体的结构单元。,2.4 金属性结合,采用金属性结合方式结合的晶体称为金属晶体。,金属晶体的作用力称为金属键。,金属原子相互结合形成晶体时，均形成金属键。,典型的金属晶体：钠、金、银等,1）密度较大，有较高的硬度，熔点；2）具有良好的导电性、导热性和金属光泽；3）具有很大的范性,一、金属键的形成,原子失去部分或全部价电子，价电子不再束缚于某个原子，而为所有离子实所共有，电子云遍及整个晶体，近似均匀分布，形成自由电子气。,失去价电子的离子实处于其中，好象“金属正离子淹没在电子海

7、中”。,自由电子气与正离子实间的库仑作用将金属原子聚合在一起形成金属晶体.,二、金属晶体结构的特点,2.5 范得瓦耳斯结合,采用范得瓦耳斯方式结合的晶体称为分子晶体。,分子晶体的作用力称为范得瓦耳斯键。,已经具有稳定的电子结构的分子相互结合形成晶体时，通常采用范得瓦耳斯结合。,典型的分子晶体：大部分气体在低温下形成的晶体、 大部分有机化合物晶体,熔点和结合能都较低， 硬度很小,一、范得瓦耳斯键的形成,吸引力主要来自于库仑引力。,范德瓦尔斯结合时，原子或分子的电子状态不发生根本性的变化,已经具有稳定电子结构的分子之间的一种瞬时电偶极矩的感应作用,两个相邻分子的瞬间电偶极矩平行，形成相互间的吸引.

8、,两个相邻分子的瞬间电偶极矩反平行，形成排斥作用.,由于吸引作用对应于低势能状态，故出现的几率较大，故平均作用表现为弱的吸引力.,2.6 氢键,在一定条件下，一个氢原子同时与两个电子亲和能大的、原子半径较小的原子结合，形成氢键,冰的晶体结构：(小球代表氢原子,大球代表氧原子,实线代表HO键，虚线代表氢键),典型的氢键晶体：冰晶体,1、冰的密度低是由于每个水分子周围最邻近的水分子只有4个,为什么水会“冷涨热缩”？,2、随温度升高,冰晶结构小集团受热不断崩溃，分子间距缩小,水分子间距因热运动不断增大,4C以上，后者占优势，密度减小,04C间，前者占优势，密度增加,4C时，两者相当,水的密度最大。,冰熔化为液态水，至多只能打破冰中全