固体与半导体物理-第二章晶体的结合

1、第二章 晶体的结合,电负性与晶体的典型结合方式 结合能与晶体的性质 离子结合与离子晶体 范德瓦耳斯结合与分子晶体 共价结合与共价晶体 金属结合及金属晶体 氢键结合与氢键晶体,2.1 电负性与晶体的典型结合方式 晶体的典型结合方式 电负性 电负性与元素结合规律,1. 晶体的典型结合方式,离子键离子晶体，正负离子间静电库能能； 共价键原子晶体，共用电子对的交换作用能； 金属键金属晶体，正原子实与负电子云的库能能； 分子键分子晶体，偶极矩之间互作用能； 氢键氢键晶体，裸露的氢核（带正电）与电负性较大的原子间的互作用能 排斥力主要来源于泡利斥力,2. 电负性,电离能使一个价电子摆脱其原子核的束缚，所必

2、须施加的能量 亲和能一个中性原子从外界获得一个电子而变成负离子中所释放的能量 电负性原子对电子的束缚能力大小的量度Mulliken定义电负性为,3. 电负性与元素结合规律,元素电负性的变化规律 同一周期元素，第I族元素电负性最小， 第VII族元素电负性最大 同一族元素，随周期增加，电负性减小 周期表中位于右上角的元素电负性最大，而位于左下角的Cs元素电负性最小,返回,2) 电负性与元素结合规律： 电负性差较大的两元素间多以离子键相结合。（NaCl) 电负性接近的元素间多以共价键相结合。 (C、Si,2.2 结合能与晶体的性质 两原子间的互作用能 晶体结合能 结合能与晶体性质的关系,1. 两原子

3、间的互作用能,2晶体的结合能,晶体结合能：个粒子组成晶体后系统总能量与粒子间无相互作用时能量的差（令无相互作用时势能为零点,3结合能与晶体性质的关系,2.3 离子结合与离子晶体 离子对的形成 离子晶体的几何结构 离子晶体的结合能 马德隆常数,1. 离子对的形成,离子晶体由电负性相差较大的元素形成原子间存在电荷的转移，金属原子失去电子变成带正电的正离子，而非金属原子得到电子变成带负电的负离子正负离子靠库仑引力结合在一起,I-VII族组成的晶体是典型的离子晶体，如： NaCl， CsCl II-VI族化合物可以看作离子晶体，如：CdS、ZnS 离子晶体结合能的数量级约在800 kJ/mol，结构稳

4、定 性质：高熔点，高升华热，硬度高，脆性大，热膨胀系数小，固态导电性差，但可溶于极性溶液中电解导电。在红外区有一特征峰，对可见光透明,2. 离子晶体的几何结构,离子晶体一定是复式晶格； 每一个离子的周围均为异号离子； 可能的配位数由两种原子的半径比决定： ，CsCl结构，配位数： ，NaCl型结构，配位数： ，闪锌矿型，配位数： 排斥指数,3离子晶体的结合能,马德隆常数， 异号取正，同号取负,异号取负，吸引； 同号取正，排斥,4马德隆常数,马德隆常数只与晶体结构有关 NaCl型晶体的马德隆常数,返回,2.4 范德瓦耳斯结合与分子晶体 范德瓦耳斯力 分子晶体的晶体结构 分子晶体的结合能,1. 范

5、德瓦耳斯力 范德瓦耳斯力指偶极矩间的相互作用力 瞬时偶极矩非极性分子，弥散力,a态，吸引,b态，排斥,固有偶极矩极性分子，取向力,诱导偶极矩极性分子，感应力，电荷分布发生畸变,几种偶极矩间作用力均可表为,以非极性分子为例，将两分子视为谐振子，两分子间距离为r，分子线度为x， ，两振子间相距很远时，无相互作用，两分子系统可视为频率相同的独立谐振子，系统总能量,0分子振动频率，C-恢复力常数,两分子靠近后，其相互作用能u12,分子极化系数,对有相互作用振子系统，引入正则座标,系统总能量,系统基态能量,由量子力学，谐振子能量,式中第一项为无相互作用时两振子系统的能量，第二项即为两振子的互作用能，即范

6、德瓦尔斯力引起的互作用能： 如果考虑两个三维谐振子，则,引入两个参量和，相互作用能： 称为雷纳德-琼斯势( Lennard Jones Potential,离解能，结合能的绝对值,与距离有关的量/r=1，u=0,2分子晶体的结构 分子键往往产生于原来具有稳定电子结构的原子或分子之间 惰性元素，价电子已经形成共价键的饱和分子 性质：常常采用密堆积结构低溶点，低沸点，易压缩，高热膨胀，低升华热，能溶于非极性有机溶剂,3分子晶体的结合能 雷纳德琼斯势,A12和A6为结构参数,R最近邻原子间距,2.5 共价结合与共价晶体 氢分子中的共价键 共价键的饱和性与方向性 共价晶体的结构 极性键与非极性键（混合

7、键） 共价晶体的结合能（量子力学,1氢分子中的共价键 电子配对理论电子自旋配对 变分法 成键态，反键态 轨道杂化理论分子轨道线性组合法,成键态,2共价键的饱和性与方向性,饱和性每个原子形成共价键的数目有限（）定则 方向性形成共价键的方向与电子态有关成键在电子云重叠最大方向 S电子球对称分布，P电子哑铃状分布,电子几率分布,3共价晶体的结构 AB型化合物闭合SP电子壳层共价键的 饱和性与方向性特定结构 典型结构： 正四面体结构（金刚石，闪锌矿） 性质：高硬度，高熔点，几乎不深于所有溶剂，高折射率，强反射本领。 轨道杂化,2.6金属结合及金属晶体 金属结合 金属的晶体结构 金属的结合能（量子力学,

8、1金属结合 金属原子电负性小，易失去电子 带正电的原子实大量自由电子 （自由电子气体） 原子实的周期排列形成金属晶架,2金属晶体结构 大多采用密堆积结构（12） 少量金属也形成配位数稍低的体心立方结构（8） 性质：良好的导热导电性，强反射，不透明，表面光泽，只溶于液体金属中，易于拉伸和延展,2.7 氢键结合与氢键晶体 氢键结合 氢键晶体冰,返回,氢键结合： 氢原子核外只有一个电子，当这个电子与其他电子配对形成共价键后，H核裸露裸露在外，裸露的H核带正电，还可以与一个电负性较强的原子结合，这种结合称为H键。 冰中的H键： O H O,同分异构体 同分异构体：化学式相同，但结构不同，因而性质不同（可有很大差异）。 C的几种同分异构体： 金刚石，石墨，C60分子,金刚石,金刚石,石墨,C60固