固體電子第二章

固體電子第二章第1頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1晶體結(jié)合的普遍特征一、結(jié)合力的普遍性質(zhì)晶體的結(jié)合由于粒子間吸引、排斥達到平衡兩粒子間的互作用勢引力勢第2頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月u(r)rf(r)rr0庫侖排斥勢泡利排斥勢兩粒子間的互作用勢兩粒子間的互作用力第3頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月二、晶體系統(tǒng)互作用勢U（內(nèi)能函數(shù)）晶體互作用勢等于粒子間互作用勢之和忽略表面粒子與體內(nèi)粒子的不同晶體的互作用勢：晶體互作用力：U(r)VVF(V)V0第4頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月三、內(nèi)能函數(shù)與晶體的物理性質(zhì)1、內(nèi)能函數(shù)與晶體結(jié)合能結(jié)合能：在絕對零度時，自由粒子系統(tǒng)的能量EN與穩(wěn)定晶體的能量E0之差EN

-E0.

結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較強。當T=0，EN=0，結(jié)合能：U0=-U(V0)

此時，結(jié)合能等于晶體內(nèi)能。2、內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù)

V=V0

時，U(V)最小

V0a第5頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月從能量角度分析，原子能夠結(jié)合成為晶體的原因，是它們結(jié)合起來以后，使整個系統(tǒng)具有了更低的能量。孤立、自由的粒子（包括原子、分子或離子）結(jié)合成為晶體時釋放的能量稱為晶體的結(jié)合能W，如果晶體系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的內(nèi)能為U0，則有W=-U0=-U（r0）。

當原子結(jié)合成穩(wěn)定的晶體時，U(r)應(yīng)為極小，由極小值條件，可以求出r的平衡值r0，由此可以計算平衡時晶格常數(shù)和晶胞體積。第6頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月3、內(nèi)能函數(shù)與體彈性模量彈性模量：4、內(nèi)能函數(shù)與電負性電負性：原子得到一個電子的能力。在元素周期表中，同一周期從左到右電負性增強；同一族從上到下電負性減弱。兩原子電負性相差較大易形成離子鍵兩原子電負性相差較小易形成共價鍵第7頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月三、電負性一種晶體采取何種結(jié)合方式，其內(nèi)在因素是什么?——取決于原子束縛電子能力的強弱。Mulliken原子電負性定義：電離能——使原子失去一個電子所需要的能量親和能——中性原子吸收一個電子成為負離子所放出的能量原子的電負性

——用來標志原子得失電子能力的物理量第8頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月電負性H2.1He…Li1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0Ne…Na0.9Mg1.2Al1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0Ar…K0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.8Ni1.8Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br2.8Kr…Rb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pd2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5Xe…Cs0.7Ba0.9La-Lu1.1-1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.8Bi1.9Po2.0At2.2Rn…Fr0.7Ra0.9Ac-Lr1.1第9頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

電負性＝常數(shù)（電離能＋親和能）

常數(shù)的選擇以方便為原則，例如一種常用的選擇方法：為使鋰（Li）的負電性為1，選取常數(shù)為0.18。

電離能值越大，原子失去電子越難；親和能值越大；原子獲得電子越易。電負性大的原子，易于獲得電子。電負性小的原子，易于失去電子。第10頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2離子鍵與離子晶體

一、離子鍵、離子晶體1、離子鍵：電負性小的金屬原子失去電子成為正離子，電負性大的非金屬原子得到電子成為負離子，正負離子吸引、排斥力相等，形成穩(wěn)定離子鍵。2、離子晶體：由離子鍵結(jié)合成的晶體。第11頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月二、離子晶體的結(jié)合能1、一對離子的互作用勢2、有N個離子晶體的結(jié)合能離子價為η的N個離子，第i

個離子和第j個離子間的互作用勢第12頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月第i個離子與其它N-1個離子間的互作用勢

忽略表面與體內(nèi)離子的差異N個離子的晶體互作用勢設(shè)R是最近鄰間距第13頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月N個離子的晶體互作用勢第14頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月其中α馬德隆常數(shù)，由晶體結(jié)構(gòu)決定

B晶格參數(shù)，也由晶體結(jié)構(gòu)決定，n玻恩指數(shù)在平衡狀態(tài)R=R0（平衡間距）3、平衡體積V0與平衡時最近鄰間距R0（1）NaCl型（2）非NaCl型V0——一個慣用元胞體積N——一個慣用元胞內(nèi)原子數(shù)

——修正因子，由晶體而定第15頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月4、U（R）的應(yīng)用R0、平衡體積V0已知B，n已知R0、n已知B、n、R0體彈性模量K0第16頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月NaCl型結(jié)構(gòu),求K0非NaCl型結(jié)構(gòu)晶體，計算K0

的方法與NaCl型一樣第17頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月三、離子晶體的特點熔點高、硬度強、電解電導、配位數(shù)高4、離子晶體的結(jié)合能第18頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月一、共價鍵：電負性相等或相近原子共用一對自旋相反的電子形成的化學鍵。（強鍵）成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行，電子云在兩原子之間，兩原子相互吸引。反鍵態(tài)：兩電子自旋平行，電子云在原子兩邊，兩原子相互排斥。1、共價鍵的飽和性：自旋相反的一對電子配對后，不再與第三個電子配對。反鍵態(tài)成鍵態(tài)Urr02.3共價鍵與共價晶體第19頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月C原子的電子組態(tài)

1S22S12P3形成了4個等價的電子軌道SP3雜化

1S22S22P2

典型共價鍵晶體——金剛石

雜化軌道的特點是它們的電子云分別集中在四面體的4個頂角方向。第20頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月CC共價鍵飽和性（泡利原理）方向性（指向電子云密度最大）共價鍵第21頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月109。28’C原子之間結(jié)合方式正四面體第22頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2、共價鍵的方向性：由原子核指向電子云密度最大的方向。金剛石(C原子)基態(tài)1s22s22p2

兩個未成對的電子激發(fā)態(tài)1s22s12p3

四個未成對的電子（sp3雜化）二、原子晶體及其特點1、原子晶體：由共價鍵結(jié)合成的晶體。2、原子晶體的特點：低配位數(shù)、熔點高、硬度大；電導率低，但某些雜質(zhì)（As、P、B等）進入后，電導率將隨之增加。第23頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4金屬鍵與金屬晶體一、金屬鍵：電負性較小的金屬原子失去價電子，形成離子實，價電子均勻分布在離子實之間，金屬鍵就是靠共有化價電子和離子實之間的相互作用而形成的。金屬鍵無飽和性和方向性（強鍵）。二、金屬晶體及特點1、金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。2、金屬晶體的特點：多采用密堆積，配位數(shù)高，良導體，熔點高。第24頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月立方密積CN=12CuAgAuAl六角密積CN=12MgZn體心立方CN=8LiNaKCs第25頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5范德瓦爾斯鍵與分子晶體一、范德瓦爾斯鍵：分子電偶極矩的互作用力形成。（弱鍵）··++++··e+-+-++--瞬時吸引瞬時排斥瞬時電偶極矩的形成第26頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月二、分子晶體及其特點1、分子晶體：由范德瓦爾斯鍵結(jié)合成的晶體。2、分子晶體的特點：常采用密堆積結(jié)構(gòu)（多為

惰性氣體），配位數(shù)較大熔點低，硬度小。

第27頁，課件共29頁，創(chuàng)作于2023年2月1、氫鍵：在一定的條