晶体结构与晶体材料

Eg(Si)=1.1eV, Eg(Ge)=0.72eV, Eg(GaAs)=1.4eV
GaN
n 型
p 型
p-n结
半 导 体
半 晶体管 导 的基础 体
(CH)n
绝缘体
掺杂
平行电导率 垂直电导率
各向异性
三 合金 新型金属材料都是合金，合金具有
的特殊性质和用途，均源于其不同于单 质金属的结构。
金属之间能够形成各种组成的合金，也 是由金属键的性质所决定的。
无方向、饱和性, 离域性极为显著
二 金属键的本质
金属键起源于金属原子的价电子 公有化于整个金属大分子（金属晶 体），在典型的金属中，根本没有定 域的双原子键，在形成金属键时，电 子由原子能级进入晶体能级（能带） 形成了离域的N中心键，高度的离域， 使体系的能量下降较大，从而形成了 一种强烈的吸引作用。
A1N具有六方ZnS型的结构，可将铝原子看作 六方密堆积，而氮原子填在四面体空隙中，氮 原子和铝原子之间实际上以共价键为主。
作业：
1 证明晶体的对称性定律
2 钨属于立方体心结构，每个晶胞可摊 到几个钨原子？它们的分数坐标为何？若 钨的晶胞大小a=3.165Ǻ，求其原子半径。
•圆球的中心位于等边三角形网的一 系列A点上， •每一个球和位于正六角形顶点上的 近邻相接触。
单一的圆球层的上部表面显现出一连 串的三角形凹陷或‘坑’，而且它们 可方便地区分成：中心分别在B和C上 的两组。
(c) 六方密堆积，各层按序列ABABA… 重复，晶胞的平面图用虚线勾出；
(d) 立方密堆积，各层按序列 ABCABCA…重复。
第二节 金属晶体的结构与应用
一 金属晶体的一般性质及其结构根源
金属晶体中自由电子（或离域电子）的 存在使金属具有良好的导电传热性能；
自由电子能够吸收可见光并能随 即放出，使金属不透明、有光泽；
金属原子近似等径圆球的堆积型式使得金属晶 体受到外力作用时，原子间容易滑动，所以金 属有良好的延展性和可塑性；
3 金属间隙化合物的结构
金属和硼、碳、氮等元素形成的化合物，可 把金属原子看作形成最密堆积结构或形成简单的 结构，而硼、碳、氮等较小的非金属原子填入间 隙之中，形成间隙化合物或间隙固溶体。
间隙化合物具有下列特征：
A. 不论纯金属本身的结构型式如何，大多 数间隙化合物采取NaCl型结构。 B. 具有很高的熔点和很大的硬度，很少数 量的非金属原子，即可使纯金属的性质发 生很大的变化。 C. 导电性能良好、有金属光泽等一般合金 所具有的性质。填隙原子和金属原子间存 在共价键。
能带图 满带 空带 导带 禁带
价带 电子的可活动区域 禁带宽度为带隙Eg
导带中只有部分能级填有电子， 而且带内各能级间能量差又极小， 低能级上的电子易被激发到同一能 带内未填能级之上，从而形成了电 子的移动。
导体 具有导带
绝缘体
只有满带和空带,而且禁带 宽度(Eg)不小于5eV
半导体 只有满带和空带,而且禁带 宽度(Eg)小于ຫໍສະໝຸດ BaidueV
金属固溶体
金属化合物
金属间隙化合物
1 金属固溶体 填隙式
硬度大、熔点高等
火箭材料、耐磨材料、 切削工具
置换式
AxB1-x 有限和无限固溶体 比热、电阻率改变
Au-Cu体系的相结构
（a）无序的Cu1-xAux (b)有序的Cu3Au （c）有序的CuAu
2 金属化合物
在金属A与B形成的金属化合物物相中，各 种原子在结构中的位置已经有了分化，它们已 分为两套不同的结构位置，而两种原子分别占 据其中的一套。
当球堆积为五层重复时，可表示为：…ABCABABCAB…
六层堆积的两种情况： (1) …ABCACB ABCACB ABCACB…
…hcc hcc hcc hcc hcc… (2) …ABABAC ABABAC ABABAC…
多层密堆积的空间利用率为74.06%。
A4型堆积
金刚石型堆积
共价型晶体中广泛存在
最密堆积 密堆积类型
最密堆积 密堆积 密堆积
A1型最密堆积，可划出立方面 心晶格，又称立方最密堆积。
A3型密堆积，可划出六方晶胞，又称六方 最密堆积。
A2型密堆积，可划出立方体心 晶格，又称立方体心高密堆积。
空间利用率
A1型密堆积空间利用率为74.06%，
金属铜。若立方晶胞常数为a，则
金属原子半径为 A3型密堆积空间利用率
r 2a 4
为74.06%。
金属镁。
a b 2r, c 1.633a
Mg晶胞
A2型密堆积空间利用率为68.02% .
α型铁
金属原子半径为
r 3a 4
金属原子的配位数:
密堆积中与每个圆球相切的其它圆球的个数 A1和A3型的配位数为12
A2型的配位数为8
多层堆积
当球堆积为四层重复时， 可表示 为 …ABACABAC…
(1) 空间利用率 34.01%
(2) 金属原子半径 金刚石结构
r 3a 8
二 金属晶体的能带理论
能带都是直接由金属原子轨道线性组合而成。 并因电子由原子能级进入晶体能带而高度离域。
金属键的能带理论 分子轨道理论
N个Na原子形成 “大分子”
金属键本质
Na金属晶体
金属结构的能带模型
K空间