[理学]固体电子导论第二章.ppt

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 金 熔点:1064℃沸点:2807℃密度：19.32g/cm3 密度：0.97g/cm3， 熔点：97.81℃， 沸点是882.9℃。 钠 热导率: 142W/(m·K) 电导率：20-200S/cm 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中”。 +Ze +Ze +Ze +Ze +Ze +Ze 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. 2.1 原子结合的普通性质 2.2 离子性结合 2.3 共价结合 2.4 金属性结合 2.5 范得瓦耳斯结合 2.6 氢键 4.1 晶体缺陷的主要类型 4.2 空位、填隙原子的运动和统计计算 4.3 位错及其滑移 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 原子的结合 晶体的结构 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 （硬度、弹性、导电性等） 晶体材料的性质 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 U 能量极小，状态最稳定 净引力最大， 对应能量曲线转折点 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） 压缩系数 和体弹性模量 为体积 3）抗张强度 －晶体所能负荷的最大张力 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。 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： 1) 形成满壳层：正，负离子的电子都具有 满壳层结构 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。 库仑吸引力=重叠排斥力 离子键 离子键具有较强的键能 二、结构特点 1. 正负离子相间排列 氯 钠 氯化钠结构 氯化铯结构 2、配位数较高：NaCl为6，CsCl为8 三、结合力和结合能的估算 简化假设： 正、负离子的电荷分布都是球对称的，相互作用力是库仑吸引与电子云重叠产生的排斥作用的平衡 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 晶体的几何结构决定 马德隆常数 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，锗 硬度，熔点，沸点都很高，低温时导电性能较差 密度： 3.5g/cm3 熔点：4000℃， 摩氏硬度10