固体材料的结构-电子结构PPT课件
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材料科学基础_第2章_固体材料的结构
(2)不透明，具有金属光泽； (3)具有较高的强度和良好的延展性； (4)正的电阻温度系数。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
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体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
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密排六方晶格原子位置
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密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
材料科学基础-固体的结构
晶带面和与晶带轴之间存在以下关系：
hu+kv+lw=0
此关系称为晶带定理。满足该关系的（hkl)晶面都属于以
[uvw]为晶带轴的晶带。
[uvw]
整理课件
32
第二章 固体结构
利用晶带定理：
①已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，求出其晶带 轴[uvw]。
u : v : w ( k 1 l 2 k 2 l 1 ) : ( l 1 h 2 l 2 h 1 ) : ( h 1 k 2 h 2 k 1 )
整理课件
16
第二章 固体结构
整理课件
17
第二章 固体结构
整理课件
18
第二章 固体结构
整理课件
19
第二章 固体结构
整理课件
20
第二章 固体结构
整理课件
21
第二章 固体结构
整理课件
22
第二章 固体结构
晶面族：原子排列规律、面间距完全相同，仅空间位向 关系不同的一组晶面（等价晶面），以｛h k l｝表示。
如六个柱面分别为： ( 1 0 0 ),(0 1 0 ),(1 1 0 ),(1 0 0 ),(0 1 0 ),( 1 1 0 ) c
(1 1 0)
(100)
a2
a1 [100 ]
[110 ]
整理课件
25
第二章 固体结构
根据六方晶系的对称特点，通常采用a1, a2, a3和c四个晶轴确
定六方晶系的晶面指数和晶向指数。
具有相同空间点阵的不同晶体结构
晶体结构相似而具有空间点阵不同
整理课件
13
第二章 固体结构
二、晶向指数和晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes） 1、晶向与晶向指数
hu+kv+lw=0
此关系称为晶带定理。满足该关系的（hkl)晶面都属于以
[uvw]为晶带轴的晶带。
[uvw]
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第二章 固体结构
利用晶带定理：
①已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)，求出其晶带 轴[uvw]。
u : v : w ( k 1 l 2 k 2 l 1 ) : ( l 1 h 2 l 2 h 1 ) : ( h 1 k 2 h 2 k 1 )
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第二章 固体结构
整理课件
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
整理课件
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
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第二章 固体结构
晶面族：原子排列规律、面间距完全相同，仅空间位向 关系不同的一组晶面（等价晶面），以｛h k l｝表示。
如六个柱面分别为： ( 1 0 0 ),(0 1 0 ),(1 1 0 ),(1 0 0 ),(0 1 0 ),( 1 1 0 ) c
(1 1 0)
(100)
a2
a1 [100 ]
[110 ]
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第二章 固体结构
根据六方晶系的对称特点，通常采用a1, a2, a3和c四个晶轴确
定六方晶系的晶面指数和晶向指数。
具有相同空间点阵的不同晶体结构
晶体结构相似而具有空间点阵不同
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第二章 固体结构
二、晶向指数和晶面指数
（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes） 1、晶向与晶向指数
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
固体材料的结构基础知识
26
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
27
结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
11
（2）共价健
12
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
18
1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
15
（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
16
（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
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结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
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（2）共价健
12
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
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（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
16
（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
材料科学基础2课件(1)
钠长石 Na[AlSi3O8]
绿柱石 Be3Al2(SiO3)6
硫
祖母绿
蓝宝石
放大1000倍的雪花
晶体概念的发展
几种不同外形的石英晶体——内部质点的规则排列形成规 则的多面体外形
晶体的棱角：面和棱的存在以及它们之间的规 则性是晶体的宏观特性之一。晶体自发生长成 规则几何外形的性质称为自限性。互相平行的 面之间的夹角是守恒的，这些平行的面称为对 应面，对应面的这种关系称为面角守恒定律。
立方晶系： <111>=[111]+[111]+[111]+[111]+[111]+[111]
+[111]+[111]
晶面指数
晶格中同一平面上的格 点构成一个晶面
整个晶格可以看成是由 无数互相平行且等距离 分布的全同的晶面构成
晶格的所有格点都处在 这族晶面上而无遗漏
晶格中存在无数取向不 同的晶面族
初基晶轴构成的平行六面体称为初基晶胞。 点阵平移矢量定义为：
T＝ u a＋v b＋w c 任意两个阵点都可以用这种形式的矢量连接
起来。 初基晶胞在空间无限重复构成空间点阵。
7个晶系 14种布拉菲点阵
根据六个点阵参数间的关系，可将全部空 间点阵归属于7种类型，即七个晶系
按照每个阵点周围环境相同的要求，用数 学方法可以推导出能够反映空间点阵全部 特征的单位平行六面体只有14种，称为14 种布拉菲点阵z c Nhomakorabeaa
x
by
晶胞、晶轴和点阵参数
晶胞的描述
图 空间点阵
点阵的描述
点阵平移矢量：
以任意一个阵点为原点，以矢 量a, b, c为坐标基矢，其他任 意阵点可表示为：
固体物理课件
e 2 晶体中有3N个振动模 晶体中有 个振动模 C = k ( ∑ B k T ) (eℏω j / kBT − 1)2 V 1） 爱因斯坦模型 ） j =1 B 假设N个原子构成的晶体 个原子构成的晶体， 假设 个原子构成的晶体，
所有的原子以相同的频率 ω0振动 2） 德拜模型 ） 以连续介质的弹性波来代表格 波，将晶格看作是各向同性的 连续介质
V (r + R) = V (r )
布洛赫定理
具有晶格周期性时， 布洛赫定理 —— 势场 V ( r ) 具有晶格周期性时，电子的波 函数满足薛定谔方程 ℏ2 2 [− ∇ + V ( r )]ψ ( r ) = E ψ ( r ) 2m —— 方程的解具有以下性质
ψ ( r + Rn ) = e ik ⋅R ψ ( r )
ω = 2
−
− i (ωt − naq )
2
β
m
ω
aq sin m 2
−π a
β
π π < q ≤ a a
q=
µn = µn+ N 2π
Na
× h —— h为整数 为整数
π a o 晶格振动波矢的数 目=晶体的原胞数 晶体的原胞数
能量本征值 ε n = ( n q + 1 ) ℏ ω q
q
晶格振动的能量量子； 声子 —— 晶格振动的能量量子；或格波的能量量子 当这种振动模处于 系统能量本征值
原子的振动 —— 晶格振动在晶体中形成了各种模式的波
模型 运动方程 试探解
m µ n = − β (µ n − µ n−1 ) − β (µ n − µ n+1 )
..
一维晶格振动 一维无限长原子链， ， ， 一维无限长原子链，m，a，β
第9章 材料的电子结构与物(三)
材料科学基础
之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
当价带和导带间有能隙为Eg，有外界激发源使价带中的电子跃迁到导带， 电子在高能态不稳定，只停留很短的时间（10－8s左右）就自发地返回低 能级的价带中，并相应地发出光子，其波长为：λ＝hc/ Eg，一旦外界激发 源去除，发光现象很快消失——之称为荧光 另一类材料，含有杂质或缺陷，如ZnS中含有少量的铜、银、金，或ZnO 中含有极微过量的Zn，微量杂质在能隙中引入施主能级，被激发到导带 中的电子在返回价带之前先落入了施主能级并被俘获住停留一段较长时间， 电子在逃脱这个陷阱之后才返回价带的低能级，并相应地放出光子，其 λ ＝hc/ (Eg－Ed) 由于这种发光能持续一段较长时间，故称之为磷光 磷光和荧光的分界是激发源去除后，发光时间短于10－8s的为荧光，时间 长于此的为磷光
材料科学基础
之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
关于激光（即受激发射光） 关于激光（即受激发射光） 材料在外界光子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，此为光的吸收过程 而原处于高能态的电子在外界光的作用下又返回低能级（图9－24）， 图中A电子从 2返回E1并放出一个光子 图中 电子从E 返回 电子从 hν＝E2－E1， 此即为受激辐射 此即为受激辐射 如果没有外界光子的作用， 外界光子的作用 如果没有外界光子的作用， 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 只有能量为 hν＝E2－E1 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 如果一个能量为h 的光子引发了受激辐射， 如果一个能量为 ν 的光子引发了受激辐射，其产生的光子也是 hν ，这样与原 的光子，让这两个光子继续去引发， 来的一个光子一起就有了两个能量都是 hν 的光子，让这两个光子继续去引发， 就可得到更多相同能量的光子 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生， 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生，位相偏振等都与入射光相 因此能有较好的相干性。 同，因此能有较好的相干性。 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程， 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程，且在通常情况下外界光子 光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小， 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小，此因处于低能态原子很多
《固体理论讲义》课件
导带
最高的能带，空置的能级，允许电子传导。
价带
最低的能带，主要由价电子占据。
能隙
价带和导带之间的能量差，决定了材料分布 密度。
态密度峰值
特定能量的电子态密度达到最 大值。
态密度曲线
表示电子态密度随能量的变化 关系。
态密度计算
通过求解薛定谔方程得到电子 波函数，进而计算电子态密度
光学性质等。
力学性质
02
预测材料的弹性常数、硬度、断裂韧性等力学性质，为材料设
计和优化提供依据。
热学性质
03
计算材料的热容、热传导系数等热学性质，有助于理解材料的
热行为和稳定性。
电子器件的设计与优化
01
02
03
半导体器件
利用固体理论模拟半导体 器件的能带结构、载流子 输运和光学性质，优化器 件性能。
格林函数方法
格林函数方法是一种基于量子力学的计算方法， 用于研究固体材料的电子结构和物理性质。
它通过求解格林函数方程，可以计算材料的能带 结构、态密度、光学性质等。
格林函数方法可以处理复杂的自旋和自旋-轨道耦 合效应，适用于研究具有复杂电子结构的材料。
05
固体理论的挑战与展望
高温超导体的机理研究
磁性材料
研究磁性材料的磁学性质 和磁畴结构，为磁记录、 磁传感器等器件的设计提 供指导。
纳米电子学
模拟纳米尺度下电子的输 运和散射过程，优化纳米 电子器件的性能。
新材料的发现与设计
材料模拟
利用固体理论模拟新型材料的结构和性质，发现 潜在的优异性能材料。
材料优化
通过材料成分和结构的优化设计，提高材料的性 能指标和应用范围。
02
固体理论的基本概念
最高的能带，空置的能级，允许电子传导。
价带
最低的能带，主要由价电子占据。
能隙
价带和导带之间的能量差，决定了材料分布 密度。
态密度峰值
特定能量的电子态密度达到最 大值。
态密度曲线
表示电子态密度随能量的变化 关系。
态密度计算
通过求解薛定谔方程得到电子 波函数，进而计算电子态密度
光学性质等。
力学性质
02
预测材料的弹性常数、硬度、断裂韧性等力学性质，为材料设
计和优化提供依据。
热学性质
03
计算材料的热容、热传导系数等热学性质，有助于理解材料的
热行为和稳定性。
电子器件的设计与优化
01
02
03
半导体器件
利用固体理论模拟半导体 器件的能带结构、载流子 输运和光学性质，优化器 件性能。
格林函数方法
格林函数方法是一种基于量子力学的计算方法， 用于研究固体材料的电子结构和物理性质。
它通过求解格林函数方程，可以计算材料的能带 结构、态密度、光学性质等。
格林函数方法可以处理复杂的自旋和自旋-轨道耦 合效应，适用于研究具有复杂电子结构的材料。
05
固体理论的挑战与展望
高温超导体的机理研究
磁性材料
研究磁性材料的磁学性质 和磁畴结构，为磁记录、 磁传感器等器件的设计提 供指导。
纳米电子学
模拟纳米尺度下电子的输 运和散射过程，优化纳米 电子器件的性能。
新材料的发现与设计
材料模拟
利用固体理论模拟新型材料的结构和性质，发现 潜在的优异性能材料。
材料优化
通过材料成分和结构的优化设计，提高材料的性 能指标和应用范围。
02
固体理论的基本概念
(完整版)固体物理课件ppt完全版
布拉伐格子 + 基元 = 晶体结构
③ 格矢量：若在布拉伐格子中取格点为原点，它至其
他格点的矢量 Rl 称为格矢量。可表示为
Rl
l1a1
l2a2
l3a3
，
a1,
a2 ,
a3为
一组基矢
注意事项：
1）一个布拉伐格子基矢的取法不是唯一的
2
4x
·
1
3
二维布拉伐格子几种可能的基矢和原胞取法 2）不同的基矢一般形成不同的布拉伐格子
2·堆积方式：AB AB AB……，上、下两个底面为A
层，中间的三个原子为 B 层
3·原胞：
a, 1
a 2
在密排面内，互成1200角，a3
沿垂直
密排面的方向构成的菱形柱体 → 原胞
B A
六角密排晶格的堆积方式
A
a
B c
六角密排晶格结构的典型单元
a3
a1
a2
六角密排晶格结构的原胞
4·注意: A 层中的原子≠ B 层中的原子 → 复式晶格
bγ a
b a
b a
b a
简六体心底正简单三面心正单方底心单心交 立斜交斜 方 简单立方体心正交面立方简四体心四方简单正交简单菱方简单单斜单方
二 、原胞
所有晶格的共同特点 — 具有周期性（平移对称性）
描
用原胞和基矢来描述
述
方
位置坐标描述
式
1、 定义：
原胞：一个晶格最小的周期性单元，也称为固体物理 学原胞
a1, a2 , a3 为晶格基矢
复式晶格：
l1, l2 , l3 为一组整数
每个原子的位置坐标：r l1a1 l2a2 l3a3
第2节固体的微观结构
第2讲 固体的微观结构 第3讲 材料科技与人类文明
16
图2 A.石墨是晶体，石墨烯是非晶体
B.石墨是单质，石墨烯是化合物
C.石墨、石墨烯与金刚石都是晶体
D.他们是通过物理变化的方法获得石墨烯的
第2讲 固体的微观结构 第3讲 材料科技与人类文明
17
解析 石墨、石墨烯、金刚石都为晶体且都为单质，A， B错误，C正确； 两位科学家是通过物理变化的方法获得石墨烯的，D正确. 故正确的答案为C、D. 答案 CD
第2讲 固体的微观结构 第3讲 材料科技与人类文明
6
2.非晶体的内部物质的排列没有一定规律，在宏观上没有规 则的几何外形.非晶体在沿不同方向的等长直线上，微粒的个 数大致相等.说明非晶体在不同方向上的微粒 排列及物质结构 情况基本相同，在物理性质上表现为各向同 性. 3.同一种物质微粒在不同的条件下有可能生成 不同 的晶体， 虽然构成这些晶体的物质微粒都 相同 ，但是由于它们的排列 形式 不同 ，因而物理性质也 不同 .(填“相同”或“不同”)
第2讲 固体的微观结构 第3讲 材料科技与人类文明
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二、晶体的结合类型 1.离子晶体：由正、负离子通过 离子键 结合而成的晶体. 2.原子晶体：相邻原子之间通过 共价键 结合而成的晶体. 3.金属晶体：物质微粒通过金属键 结合而成的晶体.
第2讲 固体的微观结构 第3讲 材料科技与人类文明
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三、固体特征的微观解释 1.晶体内部微粒的排列有一定规律，在宏观上具有规则的几 何外形.单晶体内部在沿不同方向的等长直线上，微粒的个数 通常是不相等 的，这说明单晶体在不同方向上的微粒 排列及 物质结构情况是不一样的，所以单晶体在物理性质上表现为 各向异性.
第2章——
固体电子结构
BaO
2 2 135 140 3091 1923 3.3
3.2..3 离子极化
未极化的负离子
极化的负离子
离子的极化率(α)： 描述离子本身变形性的物理量。 离子的极化力(f )： 描述一个离子对其他离子变形的影响能力。
1.离子的极化率(α ) 一般规律：
① 离子半径 r ： r 愈大， α 愈大。
CsCl型
晶格：
简单立方
配位比： 8:8
(红球－Cs+ ,
绿球－Cl-)
晶胞中离子的个数： Cs Cl
：1个 -：8 1
1个
8
ZnS型(立方型)
晶格：面心立方
配位比：4:4 (红球－Zn2+ , 绿球－S2-) 晶胞中离子的个数： Zn2：4个
S2-：6 1 8 1 4个 28
r/pm 97
99
96
95
2.离子极化力(f ) 一般规律：
①离子半径 r ：r 小者，极化力大。 ②离子电荷：电荷多者，极化力大。 ③离子的外层电子构型：
f ：(18+2)e-,18e- > 9－17e- >8e当正负离子混合在一起时，着重考虑
正离子的极化力，负离子的极化率，但是 18e构型的正离子(Ag+, Cd2+ 等)也要考虑其 变形性。
上述数据代入上式求得：
△ rHm,6 =-689.1kJ·mol-1 则：U =689.1kJ·mol-1
2.Born-Lande公式
U KAZ1Z2 (1 1 )
R0
n
当 R0 以pm，U 以 kJ mol 1 为单位时，
U 138940 AZ1Z2 (1 1 ) kJ mol 1
固体的能带结构1
第十八章
固体的能带结构
固体是一种重要的物质结构形态, 固体是一种重要的物质结构形态 , 是当前物理学中主要 的研究对象之一。量子力学用于固体物理领域, 的研究对象之一。量子力学用于固体物理领域,促进了固体材 半导体、激光、超导……的研究。 的研究。 料、半导体、激光、超导 的研究 本章仅定性介绍固体的能带结构, 本章仅定性介绍固体的能带结构,并在此基础上介绍半 导体的导电机构。 导体的导电机构。 固体材料分成晶体和非晶体两大类。 固体材料分成晶体和非晶体两大类。 无论是晶态物理还是非晶态物理, 无论是晶态物理还是非晶态物理,在边缘学科方面都有强 大的生命力。 大的生命力。
§18-1 181.晶体 1.晶体
晶体
*非晶体
理想晶体中的粒子(原子、分子或原子集团) 理想晶体中的粒子(原子、分子或原子集团)在空间的 排布上是长程有序 长程有序的 可以用点来表示上述粒子的质心, 排布上是长程有序的,可以用点来表示上述粒子的质心, 它们在空间有规则地作周期性的分布, 它们在空间有规则地作周期性的分布, 如：食盐、云母、金刚石 食盐、云母、 空间点阵。 构成空间点阵 构成空间点阵。
E
空带 禁带 导带 禁带 满带 价带
满带:填满电子的能带。 满带:填满电子的能带。 导带:未填满电子的能带。 导带:未填满电子的能带。 空带:没有电子填充的能带。 空带:没有电子填充的能带。 显然空带也属导带。 显然空带也属导带。
禁带:在能带之间没有可能量子态的能量区域。 禁带:在能带之间没有可能量子态的能量区域。 价带:由价电子能级分裂而成的能带。 价带:由价电子能级分裂而成的能带。 即最高的充有电子的能带。 即最高的充有电子的能带。
图18-3
§18-3 18-
半导体
绝缘体 E
固体的能带结构
固体是一种重要的物质结构形态, 固体是一种重要的物质结构形态 , 是当前物理学中主要 的研究对象之一。量子力学用于固体物理领域, 的研究对象之一。量子力学用于固体物理领域,促进了固体材 半导体、激光、超导……的研究。 的研究。 料、半导体、激光、超导 的研究 本章仅定性介绍固体的能带结构, 本章仅定性介绍固体的能带结构,并在此基础上介绍半 导体的导电机构。 导体的导电机构。 固体材料分成晶体和非晶体两大类。 固体材料分成晶体和非晶体两大类。 无论是晶态物理还是非晶态物理, 无论是晶态物理还是非晶态物理,在边缘学科方面都有强 大的生命力。 大的生命力。
§18-1 181.晶体 1.晶体
晶体
*非晶体
理想晶体中的粒子(原子、分子或原子集团) 理想晶体中的粒子(原子、分子或原子集团)在空间的 排布上是长程有序 长程有序的 可以用点来表示上述粒子的质心, 排布上是长程有序的,可以用点来表示上述粒子的质心, 它们在空间有规则地作周期性的分布, 它们在空间有规则地作周期性的分布, 如：食盐、云母、金刚石 食盐、云母、 空间点阵。 构成空间点阵 构成空间点阵。
E
空带 禁带 导带 禁带 满带 价带
满带:填满电子的能带。 满带:填满电子的能带。 导带:未填满电子的能带。 导带:未填满电子的能带。 空带:没有电子填充的能带。 空带:没有电子填充的能带。 显然空带也属导带。 显然空带也属导带。
禁带:在能带之间没有可能量子态的能量区域。 禁带:在能带之间没有可能量子态的能量区域。 价带:由价电子能级分裂而成的能带。 价带:由价电子能级分裂而成的能带。 即最高的充有电子的能带。 即最高的充有电子的能带。
图18-3
§18-3 18-
半导体
绝缘体 E
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2.4 晶体的电子结构
本征半导体 ➢不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。 ➢在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分 电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价 带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。 ➢导带中的电子和价带中的空穴合称电子 - 空穴对，均能自由移动，即 载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为 电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导 电称为本征导电。 ➢导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放 出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定 温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半 导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将 产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷 的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。
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结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败 也是伟大的，所以不要放弃，坚持 就是正确的。
When You Do Your Best, Failure Is Great, So Don'T Give Up, Stick To The End
材料科学基础/Fundamentals of Materials Science
第2章 固体材料的结构
Chapter 2 Structure of Solid Materials
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讲授提纲
2.1 孤立原子的结构 2.2 结合键概述 2.3 共价分子的结构 2.4 晶体的电子结构 2.5 元素的晶体结构和性质 2.6 离子化合物 2.7 硅酸盐结构 2.8 合金相及其影响因素 2.9 固溶体 2.10 金属间化合物
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2.4 晶体的电子结构
② N型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远
大于空穴浓度的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位 置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为 少子，主要靠自由电子导电。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热 激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性 能就越强。
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2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ④只有外层(和次外层)的电子能级有显著的相互作用而展宽成带， 内层电子仍处于分立的原子能级上（因为能级分裂是相邻原子的 各轨道相互作用的结果）。
2、价带、导带、禁带： 价带(Valence band)：由价电子(参与化学键合的电子)的原子能级 展宽而形成的能带； 导带(Conduction band) ：由价电子以上的空能级展宽而形成的 能带； 禁带(Forbidden band) ：彼此分开的两个能带之间的能量间隔 ΔEg称为禁带（或能隙）；固体中的电子能量不允许在此范围内；
①本征半导体(Intrinsic semiconductor)： 能隙Δ Eg非常小，热激活足以使价带中费米能级上的电子跃迁 到导带底，同时在价带顶留下“电子空穴”；
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2.4 晶体的电子结构
② N型半导体(Negative) ：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由高 价杂质元素产生的靠近导带底部的新能级；热激活使电子从杂质 能级跃迁到导带底部；杂质原子为“施主”，载流子为带负电的 电子； ③ P型半导体(Positive) ：能隙ΔEg比较小，能隙中存在着由低价 杂质元素产生的靠近价带顶部的新能级；热激活使价带中费米能 级上的电子跃迁到杂质能级，在价带中留下“电子空穴”；杂质 原子为“受主”，导电机制为带正电的空穴导电；
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2.4 晶体的电子结构
③ P型半导体：也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远 大于自由电子浓度的杂质半导体。
在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位 子，就形成P型半导体。在P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少 子，主要靠空穴导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形 成。掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
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2.4 晶体的电子结构
3、导体、绝缘体、半导体：
A）导体(Conductor) ： a）固体中价电子浓度比较低，没有填满价带(例如金属锂)； b）价带和导带交叠，电子在外电场作用下能进入导带(例如2价金 属铍)； B）绝缘体(Insulator) ：价带和导带之间存在较大的能隙，且价 带被电子填满，一般情况下外电场不能改变电子的速度和能量分 布，使其进入导带； C）半导体(Semi-conductor) ：能带结构与绝缘体类似，只是能隙 ΔEg比较小(一般小于2eV)，分为三种类型：本征、N型、P型
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2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能 级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距；
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2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ①两个原子趋近：孤立原子的每个能级分裂成两个能级（成键能 级和反键能级)，该两能级相对原子能级E0的差值取决于原子间距； ② N个原子趋近：每个非简并的原子能级相应地分裂成N个能级， 最高和最低能级相对于原子能级E0的差值也仅取决于原子间距， 与原子数无关； ③实际晶体材料：N极其大，相邻能级间的距离非常小，几乎是 连续的；即原子的能级展宽形成能带，带的宽度决定于原子间的 距离。
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2.4 晶体的电子结构
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2.4 晶体的电子结构
1. 能级展宽形成能带： ④能级分裂是相邻原子的各轨道（电子云）相互作用的结果，因 而当原子结合成固体时，只有外层的电子能级有显著地相互作用 而展宽成带，内层电子仍处于分立的能级上。 ⑤原子的外层电子一般称为价电子，其性质决定了元素的性质；