高二物理竞赛导体、绝缘体和半导体的能带论解释－满带、导带和近满带空穴概念课件.pptx

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1、导体、绝缘体和半导体的能带论解释导体、绝缘体和半导体的能带论解释 满带、导带和近满带，空穴概念满带、导带和近满带，空穴概念导带导带空带空带空带空带价带价带价带价带EgEg导体导体非导体非导体半导体半导体绝缘体绝缘体 ：106105( cm)102 109( cm)1014 1022( cm)金属的电阻率金属的电阻率电阻率：电阻率：211FFmnev 在高温下，当在高温下，当T D时，时， Tv 在低温下，当在低温下，当T40K低温超导体早期传统的超导体。高温超导体氧化物超导体。用陶瓷方法制备，有百米长的线材。好的理论：解释已有现象，预言新现象。2基本特性（1） 零电阻无电阻，估计超导螺线管磁体

2、中超导电流衰减时间不小于10万年。电阻率小于 目前所能检测的最小电阻率 1025欧姆厘米。（2） 完全抗磁性（迈斯纳Meissner效应）现象: 悬浮抗磁问题：抗磁性是电阻0的结果？是，同一性质否，另一性质事实：处于超导态的材料，不管其经历如何，磁感应强度B始终为 零，不受零电阻限制。完全抗磁性是超导态的另一个属性。理想导体0 E =0(不存在)BEt 先加磁场B 不加磁场 加磁场B T Tc T Tc T Tc 抗磁体：屏蔽磁场排除磁通处于超导态时，会有一股感应的持续电流流通在样品的表面薄层中，电流的磁场抵消了外来的磁通密度，出现抗磁性。(B不变)补充结束补充结束三、几个实例三、几个实例v

3、贵金属（贵金属（Cu、Ag和和Au）的情况（）的情况（fcc结构）与碱金属结构）与碱金属 相似，也是典型的金属导体。相似，也是典型的金属导体。v 碱金属晶体结构：体心立方（碱金属晶体结构：体心立方（ bcc），每个原胞中），每个原胞中 有一个原子。碱金属原子基态：内壳层饱和，最外有一个原子。碱金属原子基态：内壳层饱和，最外 层的层的 ns态有一个价电子。态有一个价电子。如如Li：1s22s1；Na：1s22s22p63s1 由由N个碱金属原子结合成晶体时，个碱金属原子结合成晶体时， 原子的内层电原子的内层电子刚好填满相应的能带，而与外层子刚好填满相应的能带，而与外层ns态相应的能带却态相应的能

4、带却只填充了一半。因此，碱金属是典型的金属导体。只填充了一半。因此，碱金属是典型的金属导体。碱金属的费米面碱金属的费米面贵金属的费米面贵金属的费米面由于在这些晶体中，与由于在这些晶体中，与ns态相应的能带与上面的能带发生态相应的能带与上面的能带发生重叠，因此，重叠，因此，2N个个ns电子尚未填满相应的能带就已开始填电子尚未填满相应的能带就已开始填入更高的能带，结果使得这两个能带都是部分填充的。入更高的能带，结果使得这两个能带都是部分填充的。v 第三族元素与碱金属的情况类似，只不过这时形成导第三族元素与碱金属的情况类似，只不过这时形成导 带的是带的是np电子，而不是电子，而不是ns电子。所以，第

5、三族元素的电子。所以，第三族元素的 晶体绝大多数为金属。晶体绝大多数为金属。 v 对于二价的碱土金属元素，与碱金属元素相似，其最对于二价的碱土金属元素，与碱金属元素相似，其最 外层有两个外层有两个ns电子。电子。如如Be原子基态：原子基态：1s22s2；Mg：1s22s22p63s2等等N个碱土金属原子中有个碱土金属原子中有2N个个ns电子，应刚好填满其相电子，应刚好填满其相应的应的 ns能带而形成非导体。但实际上它们是金属导体，能带而形成非导体。但实际上它们是金属导体，而不是非导体。而不是非导体。 当当Na原子与原子与Cl原子结合成原子结合成NaCl晶体时，晶体时，Na的的3s带比带比Cl的

6、的3p带高约带高约6 eV。在能量较高的。在能量较高的Na的的3s带中的带中的N个电子个电子就转移到能量较低的就转移到能量较低的Cl的的3p带中，刚好填满带中，刚好填满Cl的的3p带，带，而而Na的的3s带成为空带，其能隙带成为空带，其能隙Eg 6 eV，所以，所以，NaCl晶晶体为绝缘体。体为绝缘体。 周期表中第四族及其以上的元素，由于其电子态和周期表中第四族及其以上的元素，由于其电子态和结合形式比较复杂，所以必须经过具体计算之后，才能结合形式比较复杂，所以必须经过具体计算之后，才能判断是金属还是非金属。判断是金属还是非金属。对绝缘体，如：对绝缘体，如：NaCl晶体晶体Na原子基态：原子基态

7、：1s22s22p63s1Cl原子基态：原子基态：1s22s22p63s23p5四、四、X射线发射谱射线发射谱 电子在价电子能带中的填充情况可以用电子在价电子能带中的填充情况可以用X射线发射射线发射谱实验来验证。谱实验来验证。1s2s2p价电子价电子能能 带带KL1L2L1：外层电子落入：外层电子落入2s态所态所 发射的发射的X射线；射线； K：外层电子落入空：外层电子落入空 的的1s态而发射的态而发射的X 射线；射线；L2：外层电子落入：外层电子落入2p态所态所 发射的发射的X射线。射线。 AzX一个粒子核子（p,n)原子分子()ABZmnXYA (质子数中子数)偶Bose奇FermiA+n

8、B+Z+nmA+Z C原子核，高剥离态高剥离态，重离子加速器，兰州，近代物理研究所1266()CX射线补充射线补充 根据劳厄斑点的根据劳厄斑点的 晶体可看作三维晶体可看作三维立体光栅立体光栅掌握晶体点阵结构掌握晶体点阵结构分布可算出晶面间距分布可算出晶面间距X射线与物质射线与物质相互作用与晶体结构关系x-ray样品吸收共振吸收，原子的内壳层结构，扩展吸收，原子周围的结构信息(XRFS)弹性散射：材料的结构、组织和缺陷，非弹性散射：晶格振动谱，缺陷应变场 布里渊散射 声学波 Raman散射 光学波 热漫射 黄昆漫射 光电效应：二次效应 康普顿散射 x-ray衍射技术(XRD)x-ray形貌技术俄

9、歇电子发射辐射荧光x-ray 荧光光谱微区成分分析X X 射线的产生、性质及特点射线的产生、性质及特点X射线射线=0.00=0.00510 nmX光子光子 = 100eV 200Ke V 10-4Pa 30mA 200kV阳极滤光片冷却水i热阴极高压电源稳流电源电子器件+-v+ex-ray阴极(钨丝、钍钨丝)，阳极(钼、钨、铜等金属)。阴极、阳极间加上万伏高压，以加速阴极发射的热电子。钼靶 15kV钼靶 25kV改变方向、减速、停止 min = hc/Ee= hc/eV =1.24nm/V(keV)特点：电子全部能量转变为一个光子的能量 min 连续连续 X 射线射线特征特征 X 射线射线荧荧 光光 X 射射 线线 能能 量量 为为 E=EK EL，小小 于于 激激 发发 的的 e、X 射射 线线 能能 量量轫致辐射钼靶 15KeV钼靶 25KeV伦琴伦琴221()kZS莫塞莱定律