结构化学第八章教案.ppt
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1、结构化学结构化学 第八章第八章樊建芬樊建芬第八章第八章 晶体的结构与晶体材料晶体的结构与晶体材料Chapt 8 Crystal tructures and Materials1结构化学结构化学 第八章第八章晶体:微粒在空间晶体:微粒在空间 长程有序排列长程有序排列晶体中能带晶体中能带成键成键反键反键非键非键电子的运动状态电子的运动状态n个原子的共轭长链的能级分布个原子的共轭长链的能级分布n=1n=2n=3n=分子中能级分子中能级能级增多、密集能级增多、密集2结构化学结构化学 第八章第八章8.1 晶体结构的能带理论与密堆积原理晶体结构的能带理论与密堆积原理8.1.1 晶体结构的晶体结构的能带理论
2、能带理论晶体结构的结构单元不同,形成的能带结构也不同。晶体结构的结构单元不同,形成的能带结构也不同。固体固体成键能带成键能带反键能带反键能带1sHE例例1:H2晶体晶体的能带结构的能带结构导带导带导带导带:未被电子填满的能带。未被电子填满的能带。3结构化学结构化学 第八章第八章例例2:锂晶体锂晶体的能带结构的能带结构满带满带导带导带(价带价带)空带空带叠带叠带(重叠的能带重叠的能带)1s2p2sLiE固体固体5 对一价金属,价带是未满带,故能导电。对二价金属,对一价金属,价带是未满带,故能导电。对二价金属,价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较高的空带相交叠,价带是满带,但禁带宽度为零,价带与较
3、高的空带相交叠,满带中的电子能占据空带,因而也能导电满带中的电子能占据空带,因而也能导电.禁带宽度为零禁带宽度为零4结构化学结构化学 第八章第八章例例3:金刚石金刚石的能带结构的能带结构满满带带满带满带固体固体1s2p2sCE3s空空带带带隙带隙Eg 导带导带(价带价带)45结构化学结构化学 第八章第八章半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度:0.12.0eV,绝缘体的禁带宽度大于绝缘体的禁带宽度大于4.5eV。例:金刚石:带隙例:金刚石:带隙 7eV,绝缘体。绝缘体。带隙的大小决定了价带与空带之间电子跃起的难易。带隙的大小决定了价带与空带之间电子跃起的难易。对于不同的材料,禁带宽度不同,导带中电子
4、对于不同的材料,禁带宽度不同,导带中电子的数目也不同,从而有不同的导电性。的数目也不同,从而有不同的导电性。6结构化学结构化学 第八章第八章 例如,例如,绝缘材料绝缘材料SiO2的的Eg约为约为5.2eV,导带中电子极少,导带中电子极少,所以导电性不好,电阻率大于所以导电性不好,电阻率大于1012cm。固体的导电性能由其能带结构决定固体的导电性能由其能带结构决定 金属金属的导带与价带有一定程度的重合,的导带与价带有一定程度的重合,Eg=0,价电子可,价电子可以在金属中自由运动,所以导电性好,以在金属中自由运动,所以导电性好,电阻率为电阻率为10-610-3cm。半导体半导体Si的的Eg约为约为
5、1.1eV,导带中有一定数目的电子,导带中有一定数目的电子,从而有一定的导电性,从而有一定的导电性,电阻电阻率为率为10-31012cm。7结构化学结构化学 第八章第八章8.1.2 晶体结构的密堆积原理晶体结构的密堆积原理晶体结构晶体结构晶胞并置堆积晶胞并置堆积晶胞中原子的堆积方式晶胞中原子的堆积方式密堆积密堆积密堆积层结构密堆积层结构8.1.2.1 等径圆球的堆积等径圆球的堆积等径圆球的堆积有最密堆积和其它形式的堆积。等径圆球的堆积有最密堆积和其它形式的堆积。密堆积层中原子的凸出部密堆积层中原子的凸出部位正好处在相邻一密堆积位正好处在相邻一密堆积层中的凹陷部位。层中的凹陷部位。8结构化学结构
6、化学 第八章第八章9结构化学结构化学 第八章第八章密置层如何叠起来形成密堆积密置层如何叠起来形成密堆积?先考察一个密置层的结构特点:先考察一个密置层的结构特点:11ABCCAB堆积堆积底层底层AAC堆积堆积10结构化学结构化学 第八章第八章uA层(参照层)上有层(参照层)上有3个特殊位置个特殊位置:球的球的顶部顶部A、上三角上三角 凹坑凹坑B和下三角和下三角凹坑凹坑 C.10u叠加到叠加到A层上的第二层各个球只能置于凹坑层上的第二层各个球只能置于凹坑B或或C.由由 于上下三角只是相对而言于上下三角只是相对而言,故称第二层为故称第二层为B层层;u第三层第三层叠加到第二层叠加到第二层B上时,只可能
7、是上时,只可能是C或或A层层;u无论叠加多少层,最多只有无论叠加多少层,最多只有A、B、C三种三种,最少有最少有 A、B两种两种(因为相邻层不会同名因为相邻层不会同名);ABCAB 两层堆积:两层堆积:AB11结构化学结构化学 第八章第八章 面心立方最密堆积面心立方最密堆积 A1 六方最密堆积六方最密堆积 A3 体心立方密堆积体心立方密堆积 A2 金刚石型堆积金刚石型堆积 A4 最密堆积最密堆积 金属晶体中,构成晶体的微粒(金属原子)金属晶体中,构成晶体的微粒(金属原子)可以看成是等径圆球,所以金属晶体常以上述四可以看成是等径圆球,所以金属晶体常以上述四种方式堆积。种方式堆积。12结构化学结构
8、化学 第八章第八章(1)面心立方最密堆积面心立方最密堆积(A1)13结构化学结构化学 第八章第八章 ABCABC堆积怎么会形成立方面心晶胞堆积怎么会形成立方面心晶胞?逆向思维逆向思维:你看到的正是你看到的正是ABCABC堆积堆积!14结构化学结构化学 第八章第八章(2)六方最密堆积六方最密堆积(A3)221615结构化学结构化学 第八章第八章120 六方点阵结构六方点阵结构1516结构化学结构化学 第八章第八章(3)(3)体心立方密堆积(体心立方密堆积(A2A2)布鲁塞尔的原子球博物馆布鲁塞尔的原子球博物馆 9个直径个直径18米的球形展厅构成米的球形展厅构成一个立方体心晶格模型一个立方体心晶格
9、模型 其设计构思是将金属铁其设计构思是将金属铁原子原子的模型放大的模型放大亿倍。它的亿倍。它的9颗圆球代表颗圆球代表9粒铁粒铁原子,也象征比利时原子,也象征比利时9省。省。17结构化学结构化学 第八章第八章金刚石型堆积金刚石型堆积(A4)18结构化学结构化学 第八章第八章等径圆球常见堆积方式:等径圆球常见堆积方式:面心立方最密堆积面心立方最密堆积 A1 A1 六方最密堆积六方最密堆积 A3 A3 体心立方密堆积体心立方密堆积 A2 A2 金刚石型堆积金刚石型堆积 A4 A419结构化学结构化学 第八章第八章面心立方最密堆积面心立方最密堆积(A1)晶胞含金属原子数晶胞含金属原子数 =8*1/8+
10、6*1/2=4面心面心顶点顶点20结构化学结构化学 第八章第八章空间利用率空间利用率晶胞参数晶胞参数r:原子半径原子半径4raa面心立方最密堆积面心立方最密堆积(A1)21结构化学结构化学 第八章第八章正当晶胞含原子数目正当晶胞含原子数目=8*1/8+1=2六方最密堆积六方最密堆积(A3)顶点顶点内部内部a=b=2r,c=1.633a=3.266r (最密堆积最密堆积)1522结构化学结构化学 第八章第八章空间利用率空间利用率六方最密堆积六方最密堆积(A3)23结构化学结构化学 第八章第八章晶胞含原子数晶胞含原子数=8*1/8+1=2体心立方密堆积体心立方密堆积(A2)体心体心顶点顶点24结构
11、化学结构化学 第八章第八章4ra晶胞参数晶胞参数空间利用率空间利用率体心立方密堆积体心立方密堆积(A2)25结构化学结构化学 第八章第八章金刚石型堆积金刚石型堆积(A4)晶胞中含原子数晶胞中含原子数=8*1/8+6*1/2+4=8顶点顶点1面心面心3体内阵点体内阵点415OP1=OO /42726结构化学结构化学 第八章第八章空间利用率空间利用率O和和P1为原子最近接触距离。为原子最近接触距离。OP1=OO /4金刚石型堆积金刚石型堆积(A4)2627结构化学结构化学 第八章第八章堆积方式堆积方式正当晶胞正当晶胞中原子数中原子数晶胞晶胞参数参数空间空间利用率利用率实例实例面心立方最面心立方最密
12、堆积密堆积A1474.05%Cu,Ag,a=b=c=六方最密六方最密堆积堆积A3274.05%Mg,Zra=b=2rc=1.663r体心立方密体心立方密堆积堆积A2268.02%K,Na,a=b=c=金刚石型金刚石型堆积堆积A4834.01%Sn,Gea=b=c=28结构化学结构化学 第八章第八章8.1.2.2 非等径圆球的堆积非等径圆球的堆积 离子晶体中,由于正负离子体积不同,离子晶体中,由于正负离子体积不同,则出现非等径圆球的堆积。则出现非等径圆球的堆积。非等径圆球的堆积:非等径圆球的堆积:以大球的最密堆积进行,以大球的最密堆积进行,小球则填入空隙中。小球则填入空隙中。NaCl晶体晶体Cl
13、-Na+八面体空隙八面体空隙29结构化学结构化学 第八章第八章A1最密堆最密堆积中的四积中的四面体空隙面体空隙A1最密堆积中最密堆积中的八面体空隙的八面体空隙立方体立方体空隙空隙3630结构化学结构化学 第八章第八章常见晶体常见晶体分类分类分子晶体分子晶体离子晶体离子晶体共价晶体共价晶体金属晶体金属晶体8.1.3 各类常见晶体化学键特征各类常见晶体化学键特征31结构化学结构化学 第八章第八章各类常见晶体化学键特征各类常见晶体化学键特征晶体晶体微粒微粒作用力作用力作用力特点作用力特点金属原子金属原子离子离子原子原子分子分子 金属键金属键离子键离子键共价键共价键范德华力范德华力 无方向、无饱和无方
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