固體電子導論第二章第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一原子結合的本質：價電子和原子實之間的靜電吸引。原子的結構原子的結合晶體的結構價電子分布離子性結合共價結合金屬性結合范得瓦耳斯結合面心氯化鈉型金剛石型等第二章晶體中的原子結合（硬度、彈性、導電性等）晶體材料的性質第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.1原子結合的普遍性質由于原子結合的共同本質，原子間的相互作用力和相互作用能隨原子間距的變化表現出共同的規律性。粒子間引力——庫侖引力等粒子間的斥力——電子云重疊產生的排斥力引力和斥力同時存在，平衡時即形成穩定結構反比于原子間距，短程力第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一總作用力為引力，增大總作用力為零總作用力為引力，減小總作用力為零，總作用力為斥力，增大引力達到最大一、兩原子間相互作用力與原子間距的關系第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一U能量極小，狀態最穩定凈引力最大，對應能量曲線轉折點第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一若已知第個和第個原子間的相互作用能為，則第個原子與晶體中其它原子相互作用能為二、晶體的相互作用能第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一若忽略表面效應.考慮晶體中原子的等效性，晶體中的總的相互作用能，即為晶體結合能的粗略表達式：r0：最近鄰原子間的距離第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一若已知結合能，可進一步求出1）晶格常數2）壓縮系數和體彈性模量為體積3）抗張強度－晶體所能負荷的最大張力第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.2離子性結合采用離子性結合的晶體稱為離子晶體，或極性晶體。離子晶體的作用力稱為離子鍵。堿金屬原子鹵素原子離子晶體第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一典型的離子晶體：如NaCl晶體，CsCl晶體。CsCl晶體：無色立方晶體。物理性質：密度3.988g/cm3；熔點645℃；沸點1290℃。物理性質：相對密度：2.130g/cm3

熔點：801度沸點：1413度熔點較高，硬度較強，容易碎裂，導電性弱對可見光透明氯化鈉晶體第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2)庫侖吸引力：主要靠異性離子間的庫侖吸引作用而結合；3)斥力來源：1)形成滿殼層：正，負離子的電子都具有滿殼層結構一、離子鍵的形成滿足泡利不相容原理，兩個滿殼層的離子相互接近到它的電子云發生顯著重疊時，會產生強烈的排斥作用。庫侖吸引力=重疊排斥力離子鍵離子鍵具有較強的鍵能第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二、結構特點1.正負離子相間排列氯鈉氯化鈉結構氯化銫結構2、配位數較高：NaCl為6，CsCl為8第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一三、結合力和結合能的估算簡化假設：正、負離子的電荷分布都是球對稱的，相互作用力是庫侖吸引與電子云重疊產生的排斥作用的平衡1.兩個離子間的相互作用能可表示為（以NaCl為例）庫侖吸引重疊排斥其中正負離子的電荷量均為e，為離子間距相互作用力為第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.離子晶體的結合能忽略表面層與內部離子的差別，認為各離子所受的相互作用相同設為離子間最短重復距離晶體的幾何結構決定馬德隆常數第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一可通過實驗測量，并計算得到而與間的關系可由平衡條件決定第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.3共價結合采用共價結合方式結合的晶體稱為共價晶體，或原子晶體，或同極晶體。共價晶體的作用力稱為共價鍵。既不易失去外層價電子，也不易獲得價電子的原子相互結合的時候，通常會采用共價結合。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一典型的共價晶體：金剛石，硅，鍺硬度，熔點，沸點都很高，低溫時導電性能較差密度：3.5g/cm3熔點：4000℃，摩氏硬度10

硅金剛石密度2.32-2.34g/cm3熔點1410℃，沸點2355℃，莫氏硬度：6.5有金屬光澤，有半導體性質第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一共用的電子受原子核的吸引（4綠線）

電子之間和原子核之間互相排斥（2紅線）一、共價鍵的形成共價鍵具有很高的鍵能。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二、共價鍵的特點1.方向性：原子在特定的方向上形成共價鍵.價電子數小于4，共價鍵數與價電子數相等價電子數大于4，共價鍵與價電子數之和等于82.飽和性：一個原子只能形成一定數目的共價鍵.電子云密度較大的方向電子對在兩核周圍的空間運動在兩核間空間出現的幾率最大。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一每個原子有四個價電子，恰好與四個最近鄰原子形成四根共價鍵，每一對形成共價鍵的原子“共用”一對價電子.三、金剛石結構中的軌道雜化元素C:只有兩個電子未配對，但實驗發現每個C原子形成4個共價鍵。第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一由和對應的波函數組成的電子狀態雜化軌道的電子云分別集中于四面體的4個頂角，故金剛石型結構中具有正四面體的結構單元。第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.4金屬性結合采用金屬性結合方式結合的晶體稱為金屬晶體。金屬晶體的作用力稱為金屬鍵。金屬原子相互結合形成晶體時，均形成金屬鍵。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一典型的金屬晶體：鈉、金、銀等1）密度較大，有較高的硬度，熔點；2）具有良好的導電性、導熱性和金屬光澤；3）具有很大的范性金熔點:1064℃

沸點:2807℃

密度：19.32g/cm3密度：0.97g/cm3，熔點：97.81℃，沸點是882.9℃。

鈉熱導率:142W/(m·K)電導率：20-200S/cm

第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一一、金屬鍵的形成原子失去部分或全部價電子，價電子不再束縛于某個原子，而為所有離子實所共有，電子云遍及整個晶體，近似均勻分布，形成自由電子氣。失去價電子的離子實處于其中，好象“金屬正離子淹沒在電子海中”。+Ze+Ze+Ze+Ze+Ze+Ze自由電子氣與正離子實間的庫侖作用將金屬原子聚合在一起形成金屬晶體.第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一二、金屬晶體結構的特點1.密堆結構，配位數較高2.電子自由運動3.金屬鍵沒有明顯的方向性第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.5范得瓦耳斯結合采用范得瓦耳斯方式結合的晶體稱為分子晶體。分子晶體的作用力稱為范得瓦耳斯鍵。已經具有穩定的電子結構的分子相互結合形成晶體時，通常采用范得瓦耳斯結合。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一典型的分子晶體：大部分氣體在低溫下形成的晶體、大部分有機化合物晶體干冰密度：1.560g/cm3(-78℃)熔點-57℃

冰點-78.5℃

熔點和結合能都較低，硬度很小第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一一、范得瓦耳斯鍵的形成離子性、共價、金屬性結合，原子的價電子的狀態在結合成晶體時都發生了根本性的變化離子性結合：原子轉變成正、負離子共價結合：價電子形成共價鍵金屬性結合：價電子轉變為共有化電子——吸引力主要來自于庫侖引力。范德瓦爾斯結合時，原子或分子的電子狀態不發生根本性的變化第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一已經具有穩定電子結構的分子之間的一種瞬時電偶極矩的感應作用兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩平行，形成相互間的吸引.兩個相鄰分子的瞬間電偶極矩反平行，形成排斥作用.由于吸引作用對應于低勢能狀態，故出現的幾率較大，故平均作用表現為弱的吸引力.第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.6氫鍵在一定條件下，一個氫原子同時與兩個電子親和能大的、原子半徑較小的原子結合，形成氫鍵A原子B原子短鍵長鍵表示為：存在共價鍵存在較強的且有方向性的范德瓦耳斯作用第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一冰的晶體結構：(小球代表氫原子,大球代表氧原子,實線代表H—O鍵，虛線代表氫鍵)典型的氫鍵晶體：冰晶體1、冰的密度低是由于每個水分子周圍最鄰近的水分子只有4個為什么水會“冷漲熱縮”？2、隨溫度升高冰晶結構小集團受熱不斷崩潰，分子間距縮小水分子間距因熱運動不斷增大4C以上，后者占優勢，密度減小0～4C間，前者占優勢，密度增加4C時，兩者相當,水的密度最大。冰熔化為液態水，至多只能打破冰中全部氫鍵的約13%第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一混合型晶體實際晶體中很多并不是以單一的結合類型而結合成晶體的，可以存在多種相互作用。鱗片石墨密度：2.21