第章晶體結(jié)合

1、固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院1(1)離子晶體：離子晶體： 通過正、負(fù)離子之間的靜電庫侖力作用結(jié)合。通過正、負(fù)離子之間的靜電庫侖力作用結(jié)合。(2)共價(jià)晶體：通過相鄰原子間因共用電子對(duì)而形成的共價(jià)鍵共價(jià)晶體：通過相鄰原子間因共用電子對(duì)而形成的共價(jià)鍵結(jié)合而成的。結(jié)合而成的。(3)金屬晶體：組成金屬的原子失去最外層價(jià)電子被所有原子金屬晶體：組成金屬的原子失去最外層價(jià)電子被所有原子公有，這樣，失去最外層價(jià)電子的離子實(shí)公有，這樣，失去最外層價(jià)電子的離子實(shí)“沉浸沉浸”在由價(jià)電在由價(jià)電子組成的子組成的“電子海洋電子海洋”中，通過離子實(shí)與電子之間的靜電庫中，通過離子實(shí)與電子之間

2、的靜電庫侖力結(jié)合形成金屬晶體。侖力結(jié)合形成金屬晶體。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院2(4)分子晶體：通過分子間范德瓦爾斯力結(jié)合而成的。分子晶體：通過分子間范德瓦爾斯力結(jié)合而成的。 非非極性分子晶體是通過分子之間的瞬時(shí)偶極矩之間的相互極性分子晶體是通過分子之間的瞬時(shí)偶極矩之間的相互作用結(jié)合而成的。極性分子晶體是通過分子中的固有偶作用結(jié)合而成的。極性分子晶體是通過分子中的固有偶極矩之間的相互作用以及感應(yīng)偶極矩之間的相互作用結(jié)極矩之間的相互作用以及感應(yīng)偶極矩之間的相互作用結(jié)合而成的。合而成的。（5）氫鍵晶體：通過氫鍵結(jié)

3、合而成。）氫鍵晶體：通過氫鍵結(jié)合而成。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院32.1.1 結(jié)合力的普遍性質(zhì)結(jié)合力的普遍性質(zhì)（1）晶體的結(jié)合由于粒子間吸）晶體的結(jié)合由于粒子間吸引、排斥力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)引、排斥力達(dá)到平衡，形成穩(wěn)定的晶體。這種互作用力又稱定的晶體。這種互作用力又稱為鍵力。兩個(gè)原子間的相互作為鍵力。兩個(gè)原子間的相互作用勢(shì)能用勢(shì)能U(r)和相互作用力和相互作用力f(r)隨隨原子間距的變化規(guī)律如圖所示原子間距的變化規(guī)律如圖所示2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OO固體

4、物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院4（2）兩粒子間的互作用勢(shì)由吸）兩粒子間的互作用勢(shì)由吸引勢(shì)和排斥勢(shì)構(gòu)成引勢(shì)和排斥勢(shì)構(gòu)成:吸引勢(shì)主要是庫侖引力，表示吸引勢(shì)主要是庫侖引力，表示為：為： (a, m大于大于0常數(shù)常數(shù))2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OO)()()(rururuRTmTraru)(固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院5（3）排斥作用起源于）排斥作用起源于：（：（a）同性電荷之間的庫侖力；（同性電荷之間的庫侖力；（b）由于由于Pauli不相容原理的限制所不相容原理的限制所引起的排斥作用。

5、引起的排斥作用。排斥勢(shì)可表示為：排斥勢(shì)可表示為： b是晶格參量，是晶格參量，n是玻恩指數(shù)，是玻恩指數(shù)，都是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)都是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OOnRrbru)(固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院6（4）兩粒子間的互作用勢(shì)可寫）兩粒子間的互作用勢(shì)可寫為：為： 與之對(duì)應(yīng)，兩粒子間的互作用與之對(duì)應(yīng)，兩粒子間的互作用勢(shì)可表示為：勢(shì)可表示為：2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OOnmrbraru)(11)()(nmrbnramrrurf固體物理學(xué)固體物理

6、學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院7（5）當(dāng)兩個(gè)原子相距無限遠(yuǎn)時(shí)）當(dāng)兩個(gè)原子相距無限遠(yuǎn)時(shí),互作用勢(shì)趨於零。粒子從遠(yuǎn)處互作用勢(shì)趨於零。粒子從遠(yuǎn)處靠近靠近，互作用能降低，在互作用能降低，在r = r0處達(dá)極小值。隨著處達(dá)極小值。隨著r的進(jìn)一步降的進(jìn)一步降低，排斥作用加強(qiáng)，互作用勢(shì)低，排斥作用加強(qiáng)，互作用勢(shì)上升上升。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OO固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院8（6）當(dāng)當(dāng)r = r0時(shí)，時(shí)， f(r0) = 0，粒，粒子間的吸引力和排斥力大小相子間的吸引力和排斥力大小相等，系統(tǒng)處於勢(shì)能最低

7、的穩(wěn)定等，系統(tǒng)處於勢(shì)能最低的穩(wěn)定狀態(tài)。狀態(tài)。 r0被稱為平衡間距被稱為平衡間距。（7）當(dāng)當(dāng)r r0時(shí)，吸引力大於排時(shí)，吸引力大於排斥力，總作用是吸引；當(dāng)斥力，總作用是吸引；當(dāng)r 0。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征rrU(r)r0 rmf(r)OO固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院92.1.2 內(nèi)能函數(shù)內(nèi)能函數(shù)（1）內(nèi)內(nèi)能函數(shù)能函數(shù)：描述晶體互作用勢(shì)描述晶體互作用勢(shì)U(r)隨晶體體積隨晶體體積V變化的變化的函數(shù)。晶體互作用勢(shì)等于粒子間互作用勢(shì)之和，函數(shù)。晶體互作用勢(shì)等于粒子間互作用勢(shì)之和，N個(gè)粒子的個(gè)粒子的總互作用勢(shì)：總互作用勢(shì)：因子因子1/2是因

8、為是因?yàn)閡(rij)和和u(rji)是相同的，求和時(shí)計(jì)算了兩次。是相同的，求和時(shí)計(jì)算了兩次。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征i) (j )(21)(11ijNjNirurU固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院10（2）忽略表面粒子與體內(nèi)粒子）忽略表面粒子與體內(nèi)粒子的不同（因其的不同（因其數(shù)目數(shù)目遠(yuǎn)小于體內(nèi)遠(yuǎn)小于體內(nèi)粒子數(shù)）晶體的互作用勢(shì)可簡(jiǎn)粒子數(shù)）晶體的互作用勢(shì)可簡(jiǎn)化為：化為：晶體互作用力：晶體互作用力：當(dāng)當(dāng)V=V0時(shí)，時(shí)，F(xiàn)(V0) = 02.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征)(21)(1ijNjruNrUrrUVF)()(固體物理學(xué)

9、固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院112.1.3 內(nèi)能函數(shù)與晶體的物理性質(zhì)內(nèi)能函數(shù)與晶體的物理性質(zhì)1. 晶體的結(jié)合能（點(diǎn)陣能）晶體的結(jié)合能（點(diǎn)陣能）（1）組成晶體：放出能量；）組成晶體：放出能量； 自由粒子：吸收能量。自由粒子：吸收能量。（2）結(jié)合能：在絕對(duì)零度時(shí)，自由粒子系統(tǒng)的能量）結(jié)合能：在絕對(duì)零度時(shí)，自由粒子系統(tǒng)的能量EN與穩(wěn)與穩(wěn)定晶體的能量定晶體的能量E0之差。之差。EN -E0結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較結(jié)合能大，晶體粒子間結(jié)合較強(qiáng)。當(dāng)選擇強(qiáng)。當(dāng)選擇T=0時(shí)，時(shí)， EN =0，則結(jié)合能，則結(jié)合能U0等於平衡體積下的等於平衡體積下的內(nèi)能內(nèi)能：U0= -U(V0) 。2.

10、12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院122. 內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù)內(nèi)能函數(shù)與平衡體積、晶格常數(shù)（1） V=V0 時(shí)，時(shí)， U(V)最小，晶體互作用力為最小，晶體互作用力為0 。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征0)(0VVVUV V0 0a a固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院133. 體彈性模量體彈性模量（1）晶體受外力時(shí)體積的變化。即）晶體受外力時(shí)體積的變化。即P P與與- -V/VV/V之比。之比。T=0時(shí)，時(shí)， 彈性模量可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。彈性模量可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。2.12

11、.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征22)(VUVVUVVVPVK0220VVUVK固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院144. 電負(fù)性電負(fù)性電負(fù)性：衡量某種元素的原子對(duì)外層電子吸引能力，電負(fù)性電負(fù)性：衡量某種元素的原子對(duì)外層電子吸引能力，電負(fù)性愈大，表示其吸引電子的能力愈強(qiáng)。愈大，表示其吸引電子的能力愈強(qiáng)。電負(fù)性電負(fù)性=0.18（原子電離能（原子電離能+電子親和勢(shì)）。電子親和勢(shì)）。原子電離能：使一個(gè)原子失去一個(gè)最外層電子所需的能量，原子電離能：使一個(gè)原子失去一個(gè)最外層電子所需的能量，用來表征原子對(duì)價(jià)電子束縛的強(qiáng)弱程度。用來表征原子對(duì)價(jià)電子束縛的強(qiáng)弱程度。電子親

12、和勢(shì)：一個(gè)中性原子獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子所放出電子親和勢(shì)：一個(gè)中性原子獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子所放出的能量，是表征原子束縛電子能力大小的量。的能量，是表征原子束縛電子能力大小的量。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院15H2.1HeLi1.0Be1.5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0NeNa0.9Mg1.2Al1.5Si1.8P2.1S2.5Cl3.0ArK0.8Ca1.0Sc1.3Ti1.5V1.6Cr1.6Mn1.5Fe1.8Co1.8Ni1.8Cu1.9Zn1.6Ga1.6Ge1.8As2.0Se2.4Br

13、2.8KrRb0.8Sr1.0Y1.2Zr1.4Nb1.6Mo1.8Tc1.9Ru2.2Rh2.2Pd2.2Ag1.9Cd1.7In1.7Sn1.8Sb1.9Te2.1I2.5XeCs0.7Ba0.9La-Lu1.1-1.2Hf1.3Ta1.5W1.7Re1.9Os2.2Ir2.2Pt2.2Au2.4Hg1.9Tl1.8Pb1.8Bi1.9Po2.0At2.2RnFr0.7Ra0.9Ac-Lr1.12.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院16結(jié)論：同一周期元素自左至右電負(fù)性逐漸增大，同一族元素結(jié)論：同一周期元素自左至右電負(fù)

14、性逐漸增大，同一族元素自上而下電負(fù)性逐漸減小，過渡族元素的電負(fù)性比較接近。自上而下電負(fù)性逐漸減小，過渡族元素的電負(fù)性比較接近。電負(fù)性定性判斷晶體類型：電負(fù)性定性判斷晶體類型：（1）當(dāng)兩個(gè)成鍵原子的電負(fù)性差值較大時(shí)，晶體結(jié)合往往采）當(dāng)兩個(gè)成鍵原子的電負(fù)性差值較大時(shí)，晶體結(jié)合往往采取離子鍵；取離子鍵；（2）同種原子之間的成鍵，主要是共價(jià)鍵或金屬鍵；）同種原子之間的成鍵，主要是共價(jià)鍵或金屬鍵；（3）電負(fù)性差值小的原子之間成鍵主要是共價(jià)鍵。）電負(fù)性差值小的原子之間成鍵主要是共價(jià)鍵。2.12.1 晶體結(jié)合的普遍特征晶體結(jié)合的普遍特征固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院172.2

15、.1 離子鍵離子鍵（1）離子鍵：電負(fù)性相差很大的原子靠近）離子鍵：電負(fù)性相差很大的原子靠近時(shí)，電負(fù)性小的金屬原子失去電子成為正時(shí)，電負(fù)性小的金屬原子失去電子成為正離子，電負(fù)性大的非金屬原子得到電子成離子，電負(fù)性大的非金屬原子得到電子成為負(fù)離子，正負(fù)離子吸引相互靠近，電子為負(fù)離子，正負(fù)離子吸引相互靠近，電子云重疊產(chǎn)生泡利排斥，正負(fù)離子吸引、排云重疊產(chǎn)生泡利排斥，正負(fù)離子吸引、排斥力達(dá)到平衡時(shí)，形成穩(wěn)定離子鍵。斥力達(dá)到平衡時(shí)，形成穩(wěn)定離子鍵。（2）離子晶體：由離子鍵結(jié)合成的晶體。）離子晶體：由離子鍵結(jié)合成的晶體。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)

16、院微電子與固體電子學(xué)院18（2）一對(duì)離子之間的靜電庫侖吸引勢(shì)為：）一對(duì)離子之間的靜電庫侖吸引勢(shì)為：一對(duì)離子之間的排斥勢(shì)為：一對(duì)離子之間的排斥勢(shì)為： 一對(duì)正負(fù)離子的互作用勢(shì)：一對(duì)正負(fù)離子的互作用勢(shì)： 2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體r4qq021nrbnrbrqqru0214)(固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院192.2.2 離子晶體的結(jié)合能離子晶體的結(jié)合能1. 有有N個(gè)離子晶體的結(jié)合能個(gè)離子晶體的結(jié)合能 離子價(jià)為離子價(jià)為的的N個(gè)離子，第個(gè)離子，第 i 個(gè)離子和第個(gè)離子和第 j個(gè)離子間的互作個(gè)離子間的互作用勢(shì)為：用勢(shì)為： 第一項(xiàng)為庫侖能，同號(hào)取第一項(xiàng)為

17、庫侖能，同號(hào)取“+” ，異號(hào)取，異號(hào)取“-” ，第二項(xiàng)為，第二項(xiàng)為排斥能。排斥能。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體nijijijrbreru0224)(固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院20第第 i 個(gè)離子與其它個(gè)離子與其它N-1個(gè)個(gè)離子間的互作用勢(shì)：個(gè)個(gè)離子間的互作用勢(shì)： 忽略表面與體內(nèi)原子的差異忽略表面與體內(nèi)原子的差異N個(gè)離子晶體互作用勢(shì)：個(gè)離子晶體互作用勢(shì)：2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體)4(0221nijijNjirbreu)4(2210221nijijNjirbreNNuU固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體

18、電子學(xué)院21設(shè)設(shè) ，R是最近鄰間距：是最近鄰間距： 為馬德隆常數(shù)，當(dāng)參考距離為馬德隆常數(shù)，當(dāng)參考距離R R選定以后，可根據(jù)晶體的幾選定以后，可根據(jù)晶體的幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算出來。何結(jié)構(gòu)計(jì)算出來。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體Rrijij)(1)1(42)(022nijnijbRReNRUU)4(2)(022nRBReNRU)()1(nijijbB；固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院2221232221)(1)1(nnnij（1 1）馬德隆常數(shù)計(jì)算）馬德隆常數(shù)計(jì)算固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院23（2）B的確定的確定在平衡狀態(tài)在

19、平衡狀態(tài) R=R0（平衡間距），已知（平衡間距），已知 R0 ，由，由 得得出：出：已知已知 B常數(shù)，由常數(shù)，由 ，求出平衡體積。，求出平衡體積。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體0)(0RRU100224 nRneB0)(0RRU固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院24（3）n的確定的確定 NaCl 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 平衡時(shí)晶體體積：平衡時(shí)晶體體積：V0=NR03 體彈性模量：體彈性模量：2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體0020220019RVRURRNRVUVK）（0)RU(0R203002202200) 1(42291)(910nRRBnnRe

20、NNRRUNRK固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院252.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體203002202200) 1(42291)(910nRRBnnReNNRRUNRK172022400KeRn) 1(72400220nReK100224 nRneB固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院26 非非NaCl 型離子晶體結(jié)構(gòu)型離子晶體結(jié)構(gòu)平衡時(shí)晶體體積：平衡時(shí)晶體體積：V0=NR03。是修正因子，可以得出與是修正因子，可以得出與NaCl結(jié)構(gòu)完全類似的結(jié)果。結(jié)構(gòu)完全類似的結(jié)果。馬德隆常數(shù)馬德隆常數(shù)和修正系數(shù)和修正系數(shù)都是由晶體結(jié)構(gòu)決

21、定的常數(shù)，都是由晶體結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，是是離子價(jià)數(shù)，離子價(jià)數(shù)，R0可由可由X射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)出，射線衍射實(shí)驗(yàn)測(cè)出，K0體積彈性模量可體積彈性模量可由實(shí)驗(yàn)得到。由實(shí)驗(yàn)得到。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體172022400KeRn) 1(72400220nReK固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院272.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體3342320arN3384380arN固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院28得到波恩指數(shù)得到波恩指數(shù)n和晶格參數(shù)和晶格參數(shù)B后，可以確定晶格常數(shù)、結(jié)合能、后，可以確定晶格常數(shù)、結(jié)合能、體積

22、彈性模量等。體積彈性模量等。2.2.3 離子晶體的特點(diǎn)離子晶體的特點(diǎn)熔點(diǎn)高、硬度強(qiáng)、電解電導(dǎo)、配位數(shù)高熔點(diǎn)高、硬度強(qiáng)、電解電導(dǎo)、配位數(shù)高 。2.22.2 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體)11 (4200220nReNU固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院292.3.1 共價(jià)鍵共價(jià)鍵（1）共價(jià)鍵：電負(fù)性相等或相近原子共用一對(duì)自旋相反的）共價(jià)鍵：電負(fù)性相等或相近原子共用一對(duì)自旋相反的電子形成的化學(xué)鍵（強(qiáng)鍵）。注意：沒有價(jià)電子轉(zhuǎn)移。電子形成的化學(xué)鍵（強(qiáng)鍵）。注意：沒有價(jià)電子轉(zhuǎn)移。（2）共價(jià)晶體（原子晶體）：由共價(jià)鍵結(jié)合成的晶體。）共價(jià)晶體（原子晶體）：由共價(jià)鍵結(jié)合成的晶體

23、。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院30（3）根據(jù)量子理論，）根據(jù)量子理論，當(dāng)兩個(gè)處於基態(tài)的原子當(dāng)兩個(gè)處於基態(tài)的原子彼此接近到一定程度的彼此接近到一定程度的時(shí)候，電子云相互重迭，時(shí)候，電子云相互重迭，電子公有化。這時(shí)可以電子公有化。這時(shí)可以形成自旋反平行的成鍵形成自旋反平行的成鍵態(tài)，或者形成自旋平行態(tài)，或者形成自旋平行的反鍵態(tài)。的反鍵態(tài)。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院31（4）成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行，）成鍵態(tài)：兩電子自旋反平行，電子云在兩原子

24、之間，兩原子相互電子云在兩原子之間，兩原子相互吸引。吸引。 反鍵態(tài)：兩電子自旋平行，電子云反鍵態(tài)：兩電子自旋平行，電子云在原子兩邊，兩原子相互排斥。在原子兩邊，兩原子相互排斥。（5）當(dāng)兩個(gè)電子的自旋反平行時(shí)，）當(dāng)兩個(gè)電子的自旋反平行時(shí)，在原子間距為在原子間距為r0處，勢(shì)能有一個(gè)極處，勢(shì)能有一個(gè)極小值，這一原子距離小值，這一原子距離r0是分子形成是分子形成時(shí)的平衡距離。時(shí)的平衡距離。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體反鍵態(tài)反鍵態(tài)成鍵態(tài)成鍵態(tài)Ur0固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院32（6）共價(jià)鍵的特點(diǎn)是電子不停地在兩個(gè)相鄰的原子之）共價(jià)鍵的特點(diǎn)是電子不停地

25、在兩個(gè)相鄰的原子之間運(yùn)動(dòng)，為兩個(gè)原子所間運(yùn)動(dòng)，為兩個(gè)原子所“共有共有” 。共價(jià)鍵有兩個(gè)特點(diǎn)：。共價(jià)鍵有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是飽和性；一個(gè)是方向性。一個(gè)是飽和性；一個(gè)是方向性。飽和性：自旋相反的一對(duì)電子配對(duì)后，不再與第三個(gè)電飽和性：自旋相反的一對(duì)電子配對(duì)后，不再與第三個(gè)電子配對(duì)。子配對(duì)。方向性：未配對(duì)電子云分布的相對(duì)取向一定盡可能使電方向性：未配對(duì)電子云分布的相對(duì)取向一定盡可能使電子云重疊最大。鍵能最大，系統(tǒng)能量最低。子云重疊最大。鍵能最大，系統(tǒng)能量最低。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院331. 共價(jià)鍵的飽和性共價(jià)鍵的飽和性（

26、1）價(jià)電子殼層的填充不到半滿，共價(jià)鍵數(shù)目與價(jià)電）價(jià)電子殼層的填充不到半滿，共價(jià)鍵數(shù)目與價(jià)電子數(shù)目相等。子數(shù)目相等。價(jià)電子殼層的填充未滿但超過半滿時(shí)，根據(jù)泡利原理，價(jià)電子殼層的填充未滿但超過半滿時(shí)，根據(jù)泡利原理，部分電子必須自旋相反配對(duì)，因此遵循部分電子必須自旋相反配對(duì)，因此遵循8-N定則，其中定則，其中N是價(jià)電子數(shù)目。共價(jià)鍵數(shù)目與未被填充的量子態(tài)數(shù)目是價(jià)電子數(shù)目。共價(jià)鍵數(shù)目與未被填充的量子態(tài)數(shù)目相等。相等。IV族族VII族的元素依靠共價(jià)鍵結(jié)合，共價(jià)鍵數(shù)目符合族的元素依靠共價(jià)鍵結(jié)合，共價(jià)鍵數(shù)目符合8-N原則原則2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)

27、院微電子與固體電子學(xué)院34電子填充原則：電子填充原則：（1）能量最低原理）能量最低原理（2）泡利不相容原理）泡利不相容原理（3）洪特規(guī)則）洪特規(guī)則根據(jù)以上原則，電子在原子軌道中填充排布的順序?yàn)楦鶕?jù)以上原則，電子在原子軌道中填充排布的順序?yàn)?s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d。 C原子中：原子中：6個(gè)電子，個(gè)電子， 1s2，2s2，2p2。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院35（2）在這種情況下只有）在這種情況下只有2個(gè)未成個(gè)未成對(duì)的對(duì)的p電子，而在金剛

28、石中每個(gè)電子，而在金剛石中每個(gè)C原子和原子和4個(gè)近鄰的個(gè)近鄰的C原子形成共價(jià)原子形成共價(jià)鍵。鍵。對(duì)于金剛石中對(duì)于金剛石中C原子形成的共價(jià)原子形成的共價(jià)鍵，要用鍵，要用“軌道雜化軌道雜化”理論進(jìn)行理論進(jìn)行解釋。解釋。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院36（3）怎么能獲得）怎么能獲得4個(gè)未配對(duì)的電個(gè)未配對(duì)的電子呢？子呢？2s和和2p態(tài)能量差別甚小，一個(gè)態(tài)能量差別甚小，一個(gè)2s電子易于激發(fā)到電子易于激發(fā)到2p態(tài)。態(tài)?；鶓B(tài)（基態(tài)（1s2，2s2，2p2）：兩個(gè)未）：兩個(gè)未成對(duì)的電子；成對(duì)的電子；激發(fā)態(tài)（激發(fā)態(tài)（1s2，2s1，2

29、p3）：四個(gè)）：四個(gè)未成對(duì)的電子。（未成對(duì)的電子。（sp3雜化）雜化）2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院372.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體)(41)(41)(41)(414321pzpypxspzpypxspzpypxspzpypxs固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院382.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體109。28固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院39（4）雜化軌道的特點(diǎn)使它們的）雜化軌道的特點(diǎn)使它們的電子云分別集中在四面體的電子云分別

30、集中在四面體的4個(gè)個(gè)頂角上，頂角上，4個(gè)個(gè)2s和和2p電子都成為電子都成為未配對(duì)的，可以在四面體頂角方未配對(duì)的，可以在四面體頂角方向上形成向上形成4個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)鍵之個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)鍵之間的夾角為間的夾角為10928。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院40（5）由于成鍵數(shù)目增加，成鍵）由于成鍵數(shù)目增加，成鍵能力增強(qiáng)，成鍵時(shí)能力增強(qiáng)，成鍵時(shí)放放出能量大於出能量大於形成雜化軌道所需的激活能，體形成雜化軌道所需的激活能，體系總能量下降。系總能量下降。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體

31、電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院412. 共價(jià)鍵的方向性共價(jià)鍵的方向性通常在價(jià)電子電荷密度最大的方通常在價(jià)電子電荷密度最大的方向形成共價(jià)鍵。向形成共價(jià)鍵。如在如在p態(tài)的價(jià)電子云在對(duì)稱軸方態(tài)的價(jià)電子云在對(duì)稱軸方向上具有啞鈴般的形狀，因此是向上具有啞鈴般的形狀，因此是沿著對(duì)稱軸的方向。如碳的四個(gè)沿著對(duì)稱軸的方向。如碳的四個(gè)雜化軌道的電子云最大的方向指雜化軌道的電子云最大的方向指向正四面體的向正四面體的4個(gè)角。個(gè)角。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院422.3.2 原子（共價(jià)）晶體的特點(diǎn)原子（共價(jià)）晶體的特點(diǎn)共價(jià)鍵的方向性和飽和性

32、飽和性決定了原子晶體的是低配共價(jià)鍵的方向性和飽和性飽和性決定了原子晶體的是低配位數(shù)的位數(shù)的 （最大（最大4）。）。共價(jià)鍵結(jié)合是很強(qiáng)的結(jié)合，決定其熔點(diǎn)高、硬度大；由於共價(jià)鍵結(jié)合是很強(qiáng)的結(jié)合，決定其熔點(diǎn)高、硬度大；由於其電子定域在共價(jià)鍵上，決定其電導(dǎo)率低（其電子定域在共價(jià)鍵上，決定其電導(dǎo)率低（一般是絕緣體一般是絕緣體或半導(dǎo)體或半導(dǎo)體）。）。2.32.3 共價(jià)鍵與原子晶體共價(jià)鍵與原子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院431. 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體金屬鍵：電負(fù)性較小的金屬原子由于核對(duì)價(jià)金屬鍵：電負(fù)性較小的金屬原子由于核對(duì)價(jià)電子的束縛很弱，形成晶體時(shí)價(jià)電子脫離

33、核電子的束縛很弱，形成晶體時(shí)價(jià)電子脫離核的束縛充滿整個(gè)晶格。失去價(jià)電子的原子形的束縛充滿整個(gè)晶格。失去價(jià)電子的原子形成離子實(shí)，價(jià)電子均勻分布在離子實(shí)之間，成離子實(shí)，價(jià)電子均勻分布在離子實(shí)之間，為晶體共有。金屬鍵就是靠公有化的價(jià)電子為晶體共有。金屬鍵就是靠公有化的價(jià)電子和離子實(shí)之間的相互作用而形成的。和離子實(shí)之間的相互作用而形成的。金屬鍵無飽和性和方向性（強(qiáng)鍵）。電子云金屬鍵無飽和性和方向性（強(qiáng)鍵）。電子云球?qū)ΨQ。球?qū)ΨQ。2.42.4 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院44金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。金屬晶體：由金屬鍵結(jié)合成的晶體。

34、第第I族、第族、第II族元素及過度元素都是典族元素及過度元素都是典型的金屬晶體，它們的最外層電子一型的金屬晶體，它們的最外層電子一般為般為12個(gè)。個(gè)。組成晶體時(shí)每個(gè)原子的最外層電子為組成晶體時(shí)每個(gè)原子的最外層電子為所有原子所共有，因此在結(jié)合成金屬所有原子所共有，因此在結(jié)合成金屬晶體時(shí)，失去了最外層（價(jià)）電子的晶體時(shí)，失去了最外層（價(jià)）電子的原子實(shí)原子實(shí)“沉浸沉浸”在由價(jià)電子組成的在由價(jià)電子組成的“電子云電子云”中。中。2.42.4 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院45吸引力：主要是原子實(shí)和電子云之間吸引力：主要是原子實(shí)和電子云之間的

35、靜電庫侖力，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒有特殊的靜電庫侖力，對(duì)晶體結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，只要求排列最緊密，這樣勢(shì)能要求，只要求排列最緊密，這樣勢(shì)能最低，結(jié)合穩(wěn)定。最低，結(jié)合穩(wěn)定。排斥來自兩個(gè)方面：（排斥來自兩個(gè)方面：（1）體積減小，）體積減小，電子云的密度增大，電子的動(dòng)能將增電子云的密度增大，電子的動(dòng)能將增加；（加；（2）當(dāng)原子實(shí)相互接近到一定的）當(dāng)原子實(shí)相互接近到一定的距離時(shí)，它們的的電子云發(fā)生顯著的距離時(shí)，它們的的電子云發(fā)生顯著的重疊，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用。重疊，將產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用。2.42.4 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院462. 金屬晶體

36、的特點(diǎn)：金屬晶體的特點(diǎn)：由于金屬晶體要求組成晶體的帶正電的離子實(shí)有緊密的結(jié)構(gòu)，由于金屬晶體要求組成晶體的帶正電的離子實(shí)有緊密的結(jié)構(gòu)，通常多采用密堆積結(jié)構(gòu)，配位數(shù)高；通常多采用密堆積結(jié)構(gòu)，配位數(shù)高；由于金屬中共有化的自由電子存在，所以金屬有良好的導(dǎo)熱由于金屬中共有化的自由電子存在，所以金屬有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。性和導(dǎo)電性。由于金屬建是一種較強(qiáng)的鍵所以金屬有較高的熔點(diǎn)和較大的由于金屬建是一種較強(qiáng)的鍵所以金屬有較高的熔點(diǎn)和較大的結(jié)合能。結(jié)合能。2.42.4 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院472.52.5 分子晶體分子晶體固體物理學(xué)固體

37、物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院481. 范德瓦爾斯鍵范德瓦爾斯鍵（1）分子電矩互作用力形成。（弱鍵）無飽和性和方向性。）分子電矩互作用力形成。（弱鍵）無飽和性和方向性。（2）三種表現(xiàn)形式：）三種表現(xiàn)形式： 葛生（葛生（Kessom）互作用力；）互作用力； 德拜（德拜（Debey）互作用力；）互作用力； 倫敦（倫敦（London）互作用力。）互作用力。前兩種存在于極性前兩種存在于極性分子分子晶體，后一種在非極性分子。晶體，后一種在非極性分子。2.52.5 分子晶體分子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院492. 極性分子晶體的結(jié)合力極性分子晶體的結(jié)

38、合力 （1）極性分子晶體的結(jié)合力，是由于極性分子存在永久電偶）極性分子晶體的結(jié)合力，是由于極性分子存在永久電偶極矩而產(chǎn)生的，稱為范德瓦爾斯極矩而產(chǎn)生的，稱為范德瓦爾斯-葛生力。葛生力。（2）相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)極性分子之間的作用力有確定的方向，）相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)極性分子之間的作用力有確定的方向，并且兩極性分子同極相斥，異極相吸，從而使得所有極性分并且兩極性分子同極相斥，異極相吸，從而使得所有極性分子的電偶極矩沿著一個(gè)確定的方向取向。子的電偶極矩沿著一個(gè)確定的方向取向。2.52.5 分子晶體分子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院503. 極性分子與非極性分子晶體的結(jié)合力極

39、性分子與非極性分子晶體的結(jié)合力 在極性分子偶極矩電場(chǎng)的作用下，非極性分子的電子云發(fā)生在極性分子偶極矩電場(chǎng)的作用下，非極性分子的電子云發(fā)生畸變，其中心和原子核電荷中心不再重合，導(dǎo)致非極性分子畸變，其中心和原子核電荷中心不再重合，導(dǎo)致非極性分子發(fā)生極化產(chǎn)生偶極矩，這種偶極矩稱為誘導(dǎo)偶極矩。發(fā)生極化產(chǎn)生偶極矩，這種偶極矩稱為誘導(dǎo)偶極矩。誘導(dǎo)偶極矩與極性分子偶極矩之間的作用力是一種誘導(dǎo)力，誘導(dǎo)偶極矩與極性分子偶極矩之間的作用力是一種誘導(dǎo)力，稱為范德瓦耳斯稱為范德瓦耳斯-德拜力。德拜力。2.52.5 分子晶體分子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院514.非極性分子晶體的結(jié)

40、合力非極性分子晶體的結(jié)合力 非極性分子（惰性元素）的電子云分布呈球?qū)ΨQ，其平均偶非極性分子（惰性元素）的電子云分布呈球?qū)ΨQ，其平均偶極矩為零，因而在結(jié)合成晶體時(shí)，沒有上述兩種力存在。非極矩為零，因而在結(jié)合成晶體時(shí)，沒有上述兩種力存在。非極性分子之間存在著瞬間、周期變化的偶極矩，這種瞬時(shí)偶極性分子之間存在著瞬間、周期變化的偶極矩，這種瞬時(shí)偶極矩間的相互作用，產(chǎn)生了非極性分子晶體的結(jié)合力，即范極矩間的相互作用，產(chǎn)生了非極性分子晶體的結(jié)合力，即范德瓦斯德瓦斯-倫敦力。倫敦力。2.52.5 分子晶體分子晶體吸引態(tài)吸引態(tài)排斥態(tài)排斥態(tài)固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院525. 分子晶體特點(diǎn)分子晶體特點(diǎn)常采用密堆積結(jié)構(gòu)（多為惰性氣體），配位數(shù)較大，熔點(diǎn)低，常采用密堆積結(jié)構(gòu)（多為惰性氣體），配位數(shù)較大，熔點(diǎn)低，硬度小。僅存于低溫下。硬度小。僅存于低溫下。2.52.5 分子晶體分子晶體固體物理學(xué)固體物理學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院微電子與固體電子學(xué)院532.6.1 氫鍵晶體氫鍵晶體1. 氫鍵與氫鍵晶體氫鍵與氫鍵晶體