材料科學(xué)與技術(shù)第三課

第三節(jié)原子的鍵合四種基本的原子鍵：金屬鍵、共價鍵、離子鍵和范德瓦爾鍵一、金屬鍵二、共價鍵三、離子鍵三、離子鍵離子鍵材料由兩種以上的電負(fù)性相差很大的原子組成離子鍵：以正負(fù)離子間的相互作用力形成的結(jié)合離子晶體的特性：（1）離子晶體是最密堆積的面心立方或六方密填結(jié)構(gòu)；（離子鍵的各向同性）（2）對可見光透明、吸收紅外波長。結(jié)構(gòu)特征離子振動能級吸收（3）低溫下導(dǎo)電性差、高溫下離子導(dǎo)電；（結(jié)構(gòu)上致密性、離子對電子約束緊密）（4）高價離子的氧化物堅(jiān)硬、熔點(diǎn)高。原子電子結(jié)構(gòu)、電負(fù)性差異決定材料的結(jié)合機(jī)制Sp價電子金屬原子間：只存在金屬鍵過渡金屬：金屬鍵和共價鍵（d電子受原子核束縛強(qiáng)烈、只能與鄰近d電子形成不飽和共價鍵）電負(fù)性差異很大的原子：只存在離子鍵(氧化釔)電負(fù)性差異不大的原子：既存在離子鍵又存在共價鍵多元素化合物材料一般是離子鍵和共價鍵結(jié)合：................離子結(jié)合主要是共價結(jié)合四、范德瓦爾鍵分子或原子團(tuán)間的一種弱靜電鍵合存在于高分子材料的分子間及一些陶瓷材料的分子層間，這類分子必有顯正電的部分和顯負(fù)電的部分（2）處在一定距離范圍的任意分子間，存在微弱的吸引力產(chǎn)生的根源：（1）一個分子的正電部分和另一分子的負(fù)電部分間有微弱靜電吸引力；（核外電子運(yùn)動相當(dāng)波動電偶極子）分子間是范德瓦爾鍵，分子內(nèi)的原子間是強(qiáng)有力的共價鍵等水分子間：范德瓦爾鍵

水易成水蒸氣氫氧間不易斷裂共價鍵云母：層間:

范德瓦爾鍵層內(nèi)：離子鍵和共價鍵；層間易剝離范德瓦爾鍵易斷裂ClCH聚氯乙烯（PVC塑料）剪切力剪切力高分子鏈內(nèi)：共價鍵聚氯乙烯：性脆、可產(chǎn)生很大變形第四節(jié)結(jié)合能及原子間距四種化學(xué)鍵的共同特征：結(jié)合力包括吸引和排斥兩部分rOEP0Fmr0rmFEP排斥力和吸引力的合力兩原子間距離大于r0:吸引力大于排斥力、原子間呈現(xiàn)相吸引兩原子間距離小于r0:排斥力急劇增加、大于吸引力，原子間呈現(xiàn)排斥兩原子間作用力隨距離的變化：rArBAB原子兩原子間距離為r0:平衡位置吸引力等于排斥力、合力為零范德瓦爾鍵最小rOEP0Fmr0rmFEP勢能兩原子間勢能隨距離的變化：r1最小原子間或晶體的結(jié)合能結(jié)合鍵不同、結(jié)合能不同：離子鍵最大共價鍵金屬鍵第三章材料的物性第一節(jié)材料的電性質(zhì)物性：電性、磁性、熱性、光學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)材料按電性能分類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體導(dǎo)體：絕緣體：金屬：一、歐姆定律反映材料導(dǎo)電性的參數(shù)：電阻率或電導(dǎo)率兩者關(guān)系：半導(dǎo)體：試樣電阻：歐姆定律宏觀形式：電阻率：試樣長度，試樣截面積金屬的導(dǎo)電性：幾乎不隨電壓變化恒定半導(dǎo)體的導(dǎo)電性：隨電壓明顯變化伏安特性曲線為直線伏安特性曲線為曲線歐姆定律的微分形式：電流密度材料中的場強(qiáng)電流密度定義：電流密度矢量：歐姆定律的微分形式反映材料中電流與電場的逐點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系載流子在單位電場作用下的遷移速率遷移率：電子：空穴：Si

單晶電導(dǎo)率的微觀表達(dá)式：二、固體電子能帶結(jié)構(gòu)能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級能級孤立原子的能級考察N個相同原子組成的固體：原子距離很大（無相互作用、孤立原子）時：每個原子的能級構(gòu)造相同；系統(tǒng)的能級相當(dāng)于N度簡并的孤立原子能級。原子相互靠近結(jié)合成晶體（原子間有相互作用）：電子除受自身原子的作用外，還受周圍原子勢場的作用，系統(tǒng)的電子能態(tài)結(jié)構(gòu)：N度簡并的能級N個彼此相距很近的能級，展寬為能帶固體電子能帶的形成能級分裂的原因：電子波函數(shù)疊合、相互作用的結(jié)果能級分裂：從價電子到內(nèi)層電子。能量能帶能帶禁帶平衡間距原子間距能級能級孤立原子的能級內(nèi)層能級只有原子非常接近時才發(fā)生分裂，即使分成能帶、能帶也很窄固體電子能帶結(jié)構(gòu)：原子間處于平衡間距時的能帶結(jié)構(gòu)固體在0K時的能帶結(jié)構(gòu)電子填充能帶的原則：2、首先填充能量最小的狀態(tài)1、泡利不相容原理：不能有兩個電子處于完全相同的量子態(tài)孤立原子的能量較高的空能級，原子結(jié)合成晶體、形成的能帶后仍是空著的電子能帶結(jié)構(gòu)因材料不同而異（一）金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)Na金屬電子能帶3s3p鈉原子的電子結(jié)構(gòu)：滿電子能級鈉晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是半滿帶Mg金屬電子能帶3s3p鎂原子的電子結(jié)構(gòu)：滿電子能級鎂晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶與之相應(yīng)能帶是空帶Mg金屬電子能帶3s3p鎂晶體的3s與3p能帶存在交疊鋁原子的電子結(jié)構(gòu)：滿電子能級與之相應(yīng)能帶僅部分填充Al金屬電子能帶3p3s鋁晶體的與之相應(yīng)能帶也是全滿帶

能帶與能帶存在交疊金屬的能帶結(jié)構(gòu)特征：存在未滿的價帶或存在價帶和其上的空帶交疊被價電子占據(jù)的最高能級上存在許多空能級最高能級：費(fèi)米能級(Fermilevel),Ef極小的能量即可激發(fā)費(fèi)米能級附近的價電子成為自由電子金屬是良導(dǎo)體

并非說有價電子都能參與導(dǎo)電、只有被激發(fā)到費(fèi)米能級以上的電子（自由電子）才能導(dǎo)電金屬中自由電子的數(shù)密度：（二）半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)禁帶禁帶導(dǎo)帶價帶價帶導(dǎo)帶ECEVEg絕緣體半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)特征：被電子填滿的價帶與未被電子填充的空帶（導(dǎo)帶）間沒有交疊，價帶和導(dǎo)帶間被禁帶隔開禁帶寬度：絕緣體的禁帶寬度：常溫下價電子幾乎不能被激發(fā)到導(dǎo)帶價帶電子必須獲得，才能從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電激發(fā)前激發(fā)后絕緣體不導(dǎo)電半導(dǎo)體的禁帶寬度：常溫下具有一定的導(dǎo)帶性導(dǎo)帶中電子數(shù)密度晶體能帶與原子能級不一定有一一對應(yīng)關(guān)系Si

單晶：雜化分裂成兩個各包含2N個能級的能帶：價帶導(dǎo)帶4N個價電子恰好填滿價帶，導(dǎo)帶全空三、金屬的電阻電子在理想晶體運(yùn)動時不受晶格散射，電場的作用下自由電子作勻加速運(yùn)動、電流不斷增大量子理論：實(shí)際晶體：理想晶體：施加一定的電場于導(dǎo)體后，電流迅速達(dá)到平衡值。原因:

實(shí)際晶體中存在缺陷缺陷:

晶體中的雜質(zhì)原子、空位、間隙原子、位錯以及原子熱振動等所有與理想晶體的偏離。缺陷使電子運(yùn)動受到散射，電場作用下金屬中電子的運(yùn)動軌跡為復(fù)雜的曲折線電場遷移（如同容器中氣體分子的運(yùn)動）電阻率：反映載流子在導(dǎo)體中運(yùn)動時所受散射或阻力的大小金屬電阻率的構(gòu)成：熱振動雜質(zhì)(替位、間隙)形變分別起因于：熱振動越劇烈、電阻率溫度系數(shù)，除過渡族金屬外、所有純金屬：雜質(zhì)(替位、間隙)越多，越大；形變越大、位錯越多，越大遷移率：反映晶體缺陷對載流子運(yùn)動的散射程度載流子受晶體缺陷散射的頻率、強(qiáng)度越高，遷