Методичні вказівки до виконання самостійних робіт з навчальної дисципліни «Фізика твердого тіла у застосуванні до твердотільної мікроелектроніки»



Сторінка8/9
Дата конвертації23.03.2017
Розмір0.85 Mb.
ТипМетодичні вказівки
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Металевий зв'язок. Електропровідність і теплопровідність металів указує на те, що характер зв'язку між атомами металів різко відрізняється від таких в інших з'єднаннях. Друде запропонував теорію "вільних" електронів, згідно з якою будова металу представляється як сукупність позитивно заряджених іонів (атомних кістяків), між якими переміщаються електрони, що підкоряються газовим законам ("електронний
Рис .1.6. Схема будови металевого провідника (а) і утвору міжмолекулярного зв'язку Ван-Дер-Вальса (б)
газ", рис.1.6, а). Специфіка металевого зв'язку в тому, що в усуспільненні електронів беруть участь усі атоми кристала, і електрони не локалізовані, і, як наслідок, металеві кристали не руйнуються при зміні положення атомів, їм властива пластичність (ковкість). Іншою особливістю металів є те, що звичайні вистави про валентність не здатні пояснити хімсостав інтерметалевих (міжметалевих) з'єднань. Склад інтерметалів не підкоряється закону простих кратних відносин і варіюється в широких межах. Це говорить про те, що металевий зв'язок не обмежує співвідношення атомів ні чисельно, ні просторово.

Кожний атом у металі прагне оточити себе максимальною кількістю сусідів і це підтверджується тим, що структури металів звичайно задовольняють вимогам теорії щільніших упакувань, і характеризуються більшими координаційними числами - 8 і 12 (максимальне координаційне число).



Ковалентний зв'язок. Двох, восьми або вісімнадцяти - електронна

стійка оболонка може бути отримана не тільки за рахунок віддачі надлишкових ( понад 2-х, 8-мі, 18-ти) зовнішніх електронів або прийняття на зовнішню оболонку відсутніх, але також за рахунок спільного "користування" парою (парами) електронів. Щільність негативно зарядженого електронної хмари між позитивно зарядженими ядрами виходить найбільшої. Перекриття електронних хмар (рис.1.7, в), що приводить до усуспільнення електронів не зводиться до простого накладення орбіт, а супроводжується перерозподілом щільності заряду й зміною енергії системи. Це приводить до виникнення сил притягання, виникненню зв'язку, називаному гомеополярної (ковалентної). В основі такого зв'язку лежить обмінна взаємодія квантового характеру (обмінні сили, обмінна взаємодія). Зв'язок сильний тільки в тому випадку, якщо спини електронів, що здійснюють взаємодію, будуть антипаралельні. Характерні відмінності ковалентного зв'язку - її насиченість і спрямованість. Число електронів, необхідних для здійснення ковалентних зв'язків, у кожного атома обмежене. Наприклад, для утвору молекули водню необхідний один електрон. А при формуванні монокристала кремнію, що має на зовнішній оболонці чотири електрони, для утвору стійкого ковалентного зв'язку, необхідно спільне використання чотирьох електронів, тобто зв'язок є, що насичується. У той же час окремі зв'язки завжди орієнтовані друг щодо друга під певними кутами (валентні кути). Цією обставиною пояснюється те, що структури з ковалентними зв'язками характеризуються часто низьким координаційним числом і не підкоряються законам щільнішим упакування. Результатом спрямованості ковалентних зв'язків молекул може стати їхня полярність. У полярних молекулах (диполях) центр маси молекули не збігається із серединою відстані між центрами позитивних і негативних зарядів.



Крім взаємодії пари електронів з антипаралельними спинами, необхідно враховувати й інші квантові числа при формуванні зв'язку. За інших рівних умов р- електрони дають більш сильний ковалентний зв'язок, чим s - електрони.

Ковалентний зв'язок типовий для органічних речовин, а також зустрічається в неорганічних речовинах. Прикладом таких матеріалів є алмаз, (карбід кремнію). Структура такого кристала (алмазоподібного) показана на рис.1.8. Кожний атом утворює чотири найкоротші зв'язки з найближчими сусідами (координаційне число 4). Ковалентний зв'язок характеризується високою міцністю, а матеріал - високою твердістю (алмаз,

Рис. 1.7. Структура атома й молекули водню: а) найпростіша планетарна модель водневого атома (пунктиром показана дозволена, але не зайнята електроном у не збудженому стані атома, орбіта); б) квантово-механічна модель електронної структури двох відокремлених атомів водню; в) те ж, для молекули водню (крапками показана щільність заряду електрона)




Рис.1.8. Структура алмаза(германія, кремнію)


Зв'язок Ван-Дер-Вальсу проявляється в ряду речовин між молекулами з ковалентним характером внутрішньо молекулярної взаємодії. Наявність притягання між молекулами ілюструється на рис.1.6, б. У будь-який момент часу електрони повинні так узгоджено рухатися в сусідніх молекулах, щоб бути максимально вилученими друг від друга й максимально наближені до позитивних зарядів (ядрам). Тоді сили притягання цих електронів ядром сусідньої молекули виявляються сильніше сил взаємного відштовхування електронних оболонок цих молекул. Подібне притягання між рухливими електричними диполями назвали дисперсійною взаємодією. Цей зв'язок універсальний, виникає між будь-якими частками, але й найбільш слабка (приблизно на 2 порядку менше інших трьох, вона легко руйнується тепловим рухом). Тому молекулярні кристали мають низьку температуру плавлення (парафін Для прикладу металевий зв'язок заліза становить 400 кДж/моль, іонного кристала ковалентного алмаза - 700 кДж/моль. Як видне, кількісно виразити різницю між різними видами зв'язків важко, вони одного порядку. Значно більшою наочністю має інша ознака поділу на класи - просторовий розподіл електронів (спосіб, яким атоми ділять між собою електрони). Це важливо ще й тому, що пропонована ознака поділу припускає плавний перехід від діелектриків до металів через напівпровідників із проміжними зв'язками.

Справа в тому, що чисто іонна або чисто ковалентна зв'язки зустрічаються рідко. Ширше поширені "півтони": ковалентно-іонний зв'язок з перевагою ковалентного зв'язку, іонно-ковалентна з перевагою іонної, напівметалеві елементи й речовини і т.д. Сказане ілюструється на рис.1.9. Затемнені ділянки - області кристала, у яких можуть перебувати електрони. У моделі іонного кристала (рис.1.9, а) вісім валентних електронів від пари атомів зосереджені біля атомного кістяка локалізація валентних електронів виключає яку-небудь можливість їх переміщення в межах кристала - при звичайних умовах іонні кристали - діелектрики.



Для утвору іонного кристала необхідна більша різниця у властивостях елементів з'єднання. Оцінка цієї різниці проводиться через поняття електронегативності (див. вище), якісно цю оцінку можна зробити по таблиці Менделєєва (табл.1.1): чому далі відстоять елементи малих періодів по горизонталі друг від друга, тем різниця більше (з'єднання типу На рис.1.9, б наведений розподіл електронів сульфіду типу (елементи II і VI груп таблиці), що мають меншу різницю властивостей. У силу хвильової природи електрон не можна представити класичною часткою: він "розмазаний" в атомі (див. рис.1.7). Кристал не є чисто іонним, у ньому ознаки узагальнення електронів внаслідок наявності перемичок уздовж ліній, що зв'язують два найближчі іони. Зв'язок іонно-ковалентний. Значно

Рис.1.9. Просторовий розподіл електронів у кристалах різних типів, що ілюструють плавний перехід від діелектриків до напівпровідників і металам



Рис. 1.10. Форми гнізд просторових решіток:



а) кубічної сингонії; б) ромбічної; в) тетрагональної; г) моноклінної; д) триклинної; е) гексагональної; ж) тригональної
зростає частка ковалентного зв'язку в кристалі арсеніду з'єднання типу Як видне з рис.1.9, в, щільність електронних хмар навколо кістяків майже рівні й лише слабко проявляє ознаки аніона. Кристал ковалентно - іонний. Нарешті елементи IV групи дають приклади чисто ковалентного зв'язку: 4 валентних електрона однаково розподіляються навколо кожного атомного кістяка. Якісна картина: проявляється тенденція утворювати стійку 8-електронну оболонку за рахунок спарювання електронів сусідніх атомів, наслідком чого є часткова колективізація, делокалізація електронів, ознаки якої були в з'єднаннях типу і особливо Вище відзначалося, що чим нижче розташовуються елементи однієї й тієї ж групи в таблиці Менделєєва, тим більше виражені їхні металеві властивості. З порівняння схем (рис.1.9, гід) видне, що в металеві властивості виражені сильніше, чим у стоячого вище в таблиці (див. групу 4А, табл.1.2). Вартий нижче в таблиці напівметал у різних поліморфних станах (біле олово, сіре олово) проявляє себе або як метал, або як напівпровідник. Усі з'єднання рис.1.9 б, в, г, д - напівпровідники, але з різними властивостями; вище відзначався широкий діапазон електричних властивостей напівпровідників.

Відмінність металів у тому (рис.1.9,е), що колективізація валентних електронів у них є повної, і електрони під дією електричного поля стають носіями заряду. В атомів металів валентних електронів мало й тенденція утворювати стійку 8-електронну оболонку не може виявитися.



Каталог: sites -> bdpu.org -> elearning -> ifmto
ifmto -> Основи педагогічних вимірювань та моніторингу якості освіти
ifmto -> Програма навчальної дисципліни пп 15 «алгебра І теорія чисел»
ifmto -> Програма навчальної дисципліни пмп 08 лінійна алгебра напрям підготовки: 040201 Математика
ifmto -> «методологія та методи наукових досліджень» Лекційні заняття, їх тематика, зміст І обсяг
ifmto -> В. М. Сучасні інформаційні системи і технології. Навчальний посібник
ifmto -> Форма навчання – заочна Інститут фізико-математичної і технологічної освіти Кафедра дидактики природничо–наукових дисциплін та інформаційних технологій у навчанні Дисципліна – педагогіка. Графік консультацій – понеділок
ifmto -> Конспектування теоретичного матеріалу: числові множини; властивості операцій над множинами
ifmto -> Теорія подільності натуральні І цілі числа
ifmto -> Конспектування теоретичного матеріалу: числові множини; властивості операцій над множинами
ifmto -> Доцент Даннік Л. А. Дисципліна «Теорія і методика трудового навчання» Назва теми лекції та анотований зміст: Загальні питання трудової підготовки учнів


Поділіться з Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка