固体物理学第二章晶体的结合.ppt

* 2.4.2 共价晶体的结合能 共价晶体电子结构复杂, 不在适合计算共价晶体结合能. 必须采用量子力学的方法进行计算. 共价键相联系的原子间束缚是非常强的，结合能较高. --- 共价晶全一般很硬. 电子均束缚在原子之间,不能自由运动. --- 导电性差. §2.5 分子晶体 范德瓦耳斯键－－满壳层电子结构的原子之间靠范德瓦耳斯力 结合，相应形成的键称为范德瓦耳斯键或分子键. 2.5.1 范德瓦耳斯力 典型的分子晶体: 低温下惰性气体、有机化合物晶体. 以分子键相结合的晶体称为分子晶体. --- 分子偶极矩的静电吸引作用产生的力. Keesen力(取向力);Debye力(诱导力);London力(弥散力) Keesen 力 --- 极性分子永久偶极矩间的相互作用力. 作用势 由于热运动,电偶极矩取向分散，相互作用势的绝对值变小，计算表明： Debye 力 ---非极性分子被极性分子的电场极化而产生的诱导偶极矩与极性分子永久偶极矩间的相互作用力. 极性分子的偶极矩产生的电场 非极性分子的感生偶极矩与E成正比,即 所以 London 力 这种瞬时偶极矩间的相互作用，产生了非极性分子晶体的结合力. 惰性气体分子最外层电子为满壳层 不产生金属结合和共价结合 正负电荷中心重合 不存在永久偶极矩 不存在相互作用, 低温下会结晶? ---非极性分子之间存在着瞬间、周期变化的偶极矩. 设原子1的瞬时偶极矩为p1 瞬时偶极矩产生的电场为 在电场作用下原子2将产生诱导偶极矩为p2 所以 如同非极性分子和极性分子之间的相互作用 对多数分子，色散力是主要的，只有极性大的分子，取向力才比较显著.诱导力通常都很小. 综上所述, 三种力引起的吸引势都与分子间距离r的6次方成反比,故分子晶体的吸引势为 由实验数据知道,排斥势与分子间距离r的12次方成反比 分子晶体之间的相互作用势能为 A和B为经验参数,由实验数据拟合得到. 或 ---著名的雷纳德-琼斯势 2.5.2 分子晶体的结构 通常取密堆积,配位数为12. 范德瓦耳斯力没有方向性和饱和性.所以原子排列越密集就越稳定. 惰性气体原子构成的的分子晶体都为fcc结构. 2.5.3 分子晶体的结合能 N个惰性气体分子总的相互作用能为： 设R为最近邻两个原子间的距离，则 其中 是仅与晶体结构有关的常数 如果已知结合能函数的形式,可以计算原子平衡间距r0、结合能U(r0)和体积弹性模量K等晶体宏观性质. 平衡时最近邻原子间距离 结合能 (1)实验值和理论值基本吻合,说明理论的正确性. 注: (2)分子晶体的结合能小，熔点和沸点都很低；硬度比较小 零点能修正 C60及A3C60分子晶体 1991年，Hebard等首先提出C60掺钾具有超导性. C60半导体 Tc = 19 K 2001年，美国朗讯公司下属贝尔实验室发现C60与两种有机化合物氯仿和溴仿结合得到Tc＝117 K 《科学》杂志评为2001年十大科技突破之一 §2.6 金属晶体氢键晶体 金属键－－电负性较大的原子结合成晶体时,所有原子都失掉了最外层的价电子而成为原子实，原子实浸没在共有电子的“电子气”中.原子实和共有电子之间的库仑作用称为金属键. 2.6.1 金属晶体的结构 金属键没有方向性和饱和性, 金属结合只受最小能量的限制. 原子排列越紧密,势能越低,结构越稳定. 金属晶体多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。 金属晶体中电子公有化 具有良好导电性、导热性 金属键没有方向性 具有良好延展性 2.6.2 金属晶体的结合能 电子结构复杂,必须采用量子力学的方法进行计算. 密度泛函理论 第二章 晶体的结合 固体材料是由大量的原子(或离子)组成 约 1 mol / cm3 原子(或离子)结合成晶体时,外层电子作重新分布, Na Cl ＋ ＝ NaCl 外层电子的不同分布产生了不同类型的结合力. 离子键 共价键 金属键 结合力类型决定了晶体的微观结构乃至宏观物理性质. 本章主要介绍不同结合类型中原子间相互作用与晶体内能、晶体的微观结构和宏观物理性质之间的联系. 共价键结合（金刚石）－－ 原子间束缚非常强， 导电性差 金属键结合（金属Cu）－－ 对电子束缚较弱， 良导体 2.1.1 原子的电子分布 核外电子的分布遵从泡利不相容原理、能量最低原理和洪特规则。 §2.1 原子的电负性 泡利不相容原理 －－在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的 粒子处于完全相同的状态。 --- 电子在原子核外排布时，要尽可能使电子的能量最低