材料科学与技术第二部分

第三节原子的键合四种基本的原子键：金属键、共价键、离子键和范德瓦尔键一、金属键二、共价键三、离子键三、离子键离子键材料由两种以上的电负性相差很大的原子组成离子键：以正负离子间的相互作用力形成的结合622221pss13s622221pss5233ps622221pss622221pss6233ps:Na:Na:Cl:ClNaCl离子晶体的特性：（1）离子晶体是最密堆积的面心立方或六方密填结构；（离子键的各向同性）（2）对可见光透明、吸收红外波长。结构特征离子振动能级吸收（3）低温下导电性差、高温下离子导电；（结构上致密性、离子对电子约束紧密）（4）高价离子的氧化物坚硬、熔点高。,32OAl,2ZrO32OY原子电子结构、电负性差异决定材料的结合机制Sp价电子金属原子间：只存在金属键过渡金属：金属键和共价键（d电子受原子核束缚强烈、只能与邻近d电子形成不饱和共价键）电负性差异很大的原子：只存在离子键(氧化钇)电负性差异不大的原子：既存在离子键又存在共价键多元素化合物材料一般是离子键和共价键结合：242SOCa2Ca::O....::O....S::O....::O....2离子结合主要是共价结合四、范德瓦尔键分子或原子团间的一种弱静电键合存在于高分子材料的分子间及一些陶瓷材料的分子层间，这类分子必有显正电的部分和显负电的部分4CaSO（2）处在一定距离范围的任意分子间，存在微弱的吸引力产生的根源：（1）一个分子的正电部分和另一分子的负电部分间有微弱静电吸引力；（核外电子运动相当波动电偶极子）分子间是范德瓦尔键，分子内的原子间是强有力的共价键等水分子间：范德瓦尔键水易成水蒸气氢氧间不易断裂共价键云母：21032)(OHOAlSiKAl层间:范德瓦尔键)(K层内：离子键和共价键；层间易剥离范德瓦尔键易断裂ClCH聚氯乙烯（PVC塑料）剪切力剪切力高分子链内：共价键聚氯乙烯：性脆、可产生很大变形第四节结合能及原子间距四种化学键的共同特征：结合力包括吸引和排斥两部分rOEP0Fmr0rmFEP排斥力和吸引力的合力两原子间距离大于r0:吸引力大于排斥力、原子间呈现相吸引两原子间距离小于r0:排斥力急剧增加、大于吸引力，原子间呈现排斥两原子间作用力随距离的变化：rArBAB原子两原子间距离为r0:平衡位置吸引力等于排斥力、合力为零范德瓦尔键最小rOEP0Fmr0rmFEP势能两原子间势能随距离的变化：r1:1rr;0pE:1rr;0pE:0rr0ppEE最小0pE原子间或晶体的结合能结合键不同、结合能不同：离子键最大共价键金属键250~150)/(molkcal175~1580~2510第三章材料的物性第一节材料的电性质物性：电性、磁性、热性、光学性质和力学性质材料按电性能分类：导体、半导体、绝缘体导体：绝缘体：cm410金属：cm710cm610一、欧姆定律反映材料导电性的参数：电阻率或电导率两者关系：/1半导体：cm6410~10试样电阻：slR欧姆定律宏观形式：IVR电阻率：IlVs:l:s试样长度，试样截面积金属的导电性：几乎不随电压变化恒定半导体的导电性：随电压明显变化)(V伏安特性曲线为直线伏安特性曲线为曲线欧姆定律的微分形式：Ej:j:E电流密度材料中的场强电流密度定义：dsdtdQjEj电流密度矢量：欧姆定律的微分形式反映材料中电流与电场的逐点对应关系EjEdsdtnevdtdsEdsdtdQEj11neEvnevvdtdsEv/载流子在单位电场作用下的迁移速率迁移率：电子：)/(14.02Vsme空穴：)/(05.02VsmhSi单晶电导率的微观表达式：二、固体电子能带结构能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级考察N个相同原子组成的固体：原子距离很大（无相互作用、孤立原子）时：每个原子的能级构造相同；系统的能级相当于N度简并的孤立原子能级。原子相互靠近结合成晶体（原子间有相互作用）：电子除受自身原子的作用外，还受周围原子势场的作用，系统的电子能态结构：N度简并的能级N个彼此相距很近的能级，展宽为能带固体电子能带的形成能级分裂的原因：电子波函数叠合、相互作用的结果能级分裂：从价电子到内层电子。能量能带能带禁带平衡间距原子间距能级能级孤立原子的能级内层能级只有原子非常接近时才发生分裂，即使分成能带、能带也很窄固体电子能带结构：原子间处于平衡间距时的能带结构固体在0K时的能带结构电子填充能带的原则：2、首先填充能量最小的状态1、泡利不相容原理：不能有两个电子处于完全相同的量子态孤立原子的能量较高的空能级，原子结合成晶体、形成的能带后仍是空着的电子能带结构因材料不同而异（一）金属的电子能带结构Na金属电子能带3s3p622221pss13s钠原子的电子结构：:221622pss满电子能级钠晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是半满带:31sMg金属电子能带3s3p622221pss23s镁原子的电子结构：622221pss满电子能级镁晶体的与之相应能带也是全满带与之相应能带是空带:3p23sMg金属电子能带3s3p镁晶体的3s与3p能带存在交叠622221pss1233ps铝原子的电子结构：622221pss满电子能级与之相应能带仅部分填充:31p23sAl金属电子能带3p3s铝晶体的与之相应能带也是全满带s3p3能带与能带存在交叠金属的能带结构特征：存在未满的价带或存在价带和其上的空带交叠被价电子占据的最高能级上存在许多空能级最高能级：费米能级(Fermilevel),Ef极小的能量即可激发费米能级附近的价电子成为自由电子金属是良导体并非说有价电子都能参与导电、只有被激发到费米能级以上的电子（自由电子）才能导电金属中自由电子的数密度：322/10~m（二）半导体和绝缘体的能带结构禁带禁带导带价带价带导带ECEVEg绝缘体半导体能带结构特征：被电子填满的价带与未被电子填充的空带（导带）间没有交叠，价带和导带间被禁带隔开禁带宽度：VCgEEE绝缘体的禁带宽度：eVEg10~5常温下价电子几乎不能被激发到导带价带电子必须获得，才能从价带被激发到导带、参与导电gEE激发前激发后绝缘体不导电半导体的禁带宽度：eVEg3~2.0常温下具有一定的导带性31916/10~10mn导带中电子数密度晶体能带与原子能级不一定有一一对应关系Si单晶：3sps3p3杂化分裂成两个各包含2N个能级的能带：价带导带4N个价电子恰好填满价带，导带全空三、金属的电阻电子在理想晶体运动时不受晶格散射，电场的作用下自由电子作匀加速运动、电流不断增大量子理论：实际晶体：理想晶体：施加一定的电场于导体后，电流迅速达到平衡值。原因:实际晶体中存在缺陷缺陷:晶体中的杂质原子、空位、间隙原子、位错以及原子热振动等所有与理想晶体的偏离。缺陷使电子运动受到散射，电场作用下金属中电子的运动轨迹为复杂的曲折线电场迁移（如同容器中气体分子的运动）电阻率：反映载流子在导体中运动时所受散射或阻力的大小金属电阻率的构成：diT热振动杂质(替位、间隙)形变分别起因于：Tid,T热振动越剧烈、)1(20TT:电阻率温度系数，20tT除过渡族金属外、所有纯金属：Co/104~3杂质(替位、间隙)越多，越大；形变越大、位错越多，越大迁移率：反映晶体缺陷对载流子运动的散射程度neEv//载流子受晶体缺陷散射的频率、强度越高，迁移率越低、电阻率越高导电材料：应有良好的导电性、力学及热学性能Ag：导电性最好，但力学性能差、价格贵Cu：导电性好，应用最广泛Al：导电性较好、价格低廉，常用的导电材料固溶体合金：导电性较差、机械强度高加热元件材料：应有较高的电阻率、高熔点及耐高温氧化特性多采用合金材料，如Ni-Cr