电子材料物理第一章案例实例.ppt

第一章 电子材料的结构;重点内容 各种典型晶体的结构和有关规律 固体物质分为 单晶体 多晶体 非晶体 液晶体和准晶体 晶体: 结晶状态的固体 晶体内部结构特征: 构成晶体的原子 分子或离子在空间 的排列是周期性的有规律的 研究方法: 将粒子作为几何点处理;1.1 晶体的主要特征 1.1.1 晶体的点阵结构 1.1.2 晶体的微观结构 1.1.3 晶体的微观对称性 1.1.4 晶体的点\线\面指数 1.1.5 晶体中键结构;自范性: 晶体具有自发形成封闭的几何多面体外型,并以此占有空间范围的性质. 晶面\晶棱\顶点 均一性: 晶体性质与晶体的取样位置无关 异向性: 晶体的性质在不同观测方向上有所差异 对称性: 相同的性质在不同的方向或位置上有规律的重复出现的性质 稳定性: 在相同的热力学条件下,晶体由于内能最小而展现稳定的特性;1.1.1 晶体的点阵结构;;1.1.2 晶体的宏观对称性;1.1.3 晶体的微观对称性;1.2 典型晶体的结构 1.2.1密堆积和配位数 1.2.2 典型单质晶体的结构 1.2.3 典型离子化合物晶体结构 ;1.2.1密堆积和配位数 形成晶体时，原子或分子彼此要尽可能靠拢，缩小它们占据的空间，以减小自由能，所以原子或分子有作密堆积的趋势 1.最紧密（最稳定）的堆积方式——密堆积（两种）： (1) 六方密堆(hexagonal close packed -hcp) 形成ABAB…的形式（见图1.7） （2）(面心)立方密堆（face center cubic-fcc） 形成ABCABC…的排列形式（见图1-8）。 。;;2.配位数： 一个粒子周围最近邻的粒子数，可用来描述晶体中粒子排列的紧密程度，这个数称为配位数。密堆积（六方和立方）的配位数均为12，是晶体一种最紧密的堆积，占用空间率74.05﹪。其它配位数有8、6、4、3、2 （粒子不等大小）。 3.密堆度： 表示晶体密堆程度的物理量，定义为堆积空间中被球体占用体积的百分比。例：六方/立方密度：74.05% 、体心立方：68.02% 、简立方：52.36%（等径球）。;1.2.2 典型单质晶体的结构 硅和锗是典型的半导体材料，其都是金刚石结构 硅在化合物中呈现正4价, 每个原子与临近的4个原子以共价键相结合, 组成正四面体 硅单晶体中的原子分布在不同的平面～晶面上 (111), (110), (100)(图1.12);;1.2.3 典型离子化合物晶体结构;一般离子晶体中的离子配位符合表1-1，但也有例外，原因在于离子并非是球形和刚性的，而且在离子晶体中,正负离子的电子云分布,将受到键的类型、极化、晶格结构等因素的影响. ★ 离子化合物晶体的物理特性 1. 离子晶体中的化学键和离子半径 2. 鲍林规则 3. 典型的离子晶体结构;(1) 电离能：从中性原子中取出一个最外层电子，使之成为正离子时所做的功； (2) 化学亲和能：使中性原子获得一个电子成为一价负离子时所放出的能量； 两者都表征原子对电子的束缚能力 (3) 负电性：电离能+亲和能 电负性反映了原子束缚电子的能力，即得失电子的难易程度 ;电负性与化合物的键型有很大关系 价键（电负性差小）- 中间键- 离子键（电负性差大） 负电性小的原子（金属）与负电性大的原子(非金属)接近时，很容易发生价电转移，金属给出电子成为正离子，后者获得电子成为负离子，形成离子晶体化合物（离子键结合－离子晶体 ) 当两类原子的电负性相差较小时，元素间较难发生电子的转移，靠电子云重叠产生的力而形成共价键结合 ;2．原子半径与离子半径 (1) 两个方面解释原子半径与离子半径 ★电子云的几率分布(量子力学解释) ★原子和离子接近到一定距离后的相互斥力 (2) 元素半径的基本规律 同一元素在不同的结构物质中,其半径会由于键的类型和配位环境不同而不同 ★金属键半径比共价键半径大； ★共价键半径随单键、双键、三键递减； ★原子或离子半径随配位数增加而增加； ★离子半径随价数增加而减小（表1-4） (3) 几种不同算法的离子半径介绍;二．鲍林规则 (1) 鲍林第一规则：负离子配位多面体规则 正离子周围必然形成一个负离子多面体，在此多面体中正、负离子的间距由其半径之和决定，其配位负离子数由半径比决定（见表1-1）。 (2)鲍林第二规则：电价规则 在稳定的离子化合物中，正负离子的分布趋于均匀，总体呈电中性，且每一负离子的电价数等于或近似等于从邻近各正离子分配给该负离子的静电键强度的总和。正离子分配给每一配位负离子的静电键强度满足;S=Z+/N (Z+为正离子电价数，N为其配位负离子数) 规则用公式表示：