固体电子导论第二章

固体电子导论第二章第1页，共33页，2023年，2月20日，星期一原子结合的本质：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）晶体材料的性质第2页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.1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，短程力第3页，共33页，2023年，2月20日，星期一总作用力为引力，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第4页，共33页，2023年，2月20日，星期一U能量极小，状态最稳定净引力最大，对应能量曲线转折点第5页，共33页，2023年，2月20日，星期一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、晶体的相互作用能第6页，共33页，2023年，2月20日，星期一若忽略表面效应.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第7页，共33页，2023年，2月20日，星期一若已知结合能，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第8页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.2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第9页，共33页，2023年，2月20日，星期一典型的离子晶体：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第10页，共33页，2023年，2月20日，星期一2)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第11页，共33页，2023年，2月20日，星期一二、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第12页，共33页，2023年，2月20日，星期一三、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第13页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.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第14页，共33页，2023年，2月20日，星期一可通过实验测量，并计算得到而与间的关系可由平衡条件决定第15页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.3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。第16页，共33页，2023年，2月20日，星期一典型的共价晶体：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

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，有半导体性质第17页，共33页，2023年，2月20日，星期一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。第18页，共33页，2023年，2月20日，星期一二、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82.饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键.电子云密度较大的方向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。第19页，共33页，2023年，2月20日，星期一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、金刚石结构中的轨道杂化元素C:只有两个电子未配对，但实验发现每个C原子形成4个共价键。第20页，共33页，2023年，2月20日，星期一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。第21页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.4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。第22页，共33页，2023年，2月20日，星期一典型的金属晶体：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

第23页，共33页，2023年，2月20日，星期一一、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.第24页，共33页，2023年，2月20日，星期一二、金属晶体结构的特点1.密堆结构，配位数较高2.电子自由运动3.金属键没有明显的方向性第25页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.5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。第26页，共33页，2023年，2月20日，星期一典型的分子晶体：大部分气体在低温下形成的晶体、大部分有机化合物晶体干冰密度：1.560g/cm3(-78℃)熔点-57℃

冰点-78.5℃

熔点和结合能都较低，硬度很小第27页，共33页，2023年，2月20日，星期一一、范得瓦耳斯键的形成离子性、共价、金属性结合，原子的价电子的状态在结合成晶体时都发生了根本性的变化离子性结合：原子转变成正、负离子共价结合：价电子形成共价键金属性结合：价电子转变为共有化电子——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第28页，共33页，2023年，2月20日，星期一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.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.第29页，共33页，2023年，2月20日，星期一2.6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A原子B原子短键长键表示为：存在共价键存在较强的且有方向性的范德瓦耳斯作用第30页，共33页，2023年，2月20日，星期一冰的晶体结构：(小球代表氢原子,大球代表氧原子,实线代表H—O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0～4C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部氢键的约13%第31页，共33页，2023年，2月20日，星期一混合型晶体实际晶体中很多并不是以单一的结合类型而结合成晶体的，可以存在多种相互作用。鳞片石墨密度：2.21