当前课程知识点:材料学概论 > 第3讲 材料就在元素周期表中(二) > 3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体 > 3.2.1 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
我们这一节讲的是什么
就是从轨道能级到能带
讲固体的另外一个问题
就是说讲绝缘体 导体和半导体
它到底是产生
绝缘体导体和半导体的
原因是什么
这里边涉及到能带图
我们原来讲材料的时候
讲的是壳层
讲的是轨道
有壳层有轨道
没有能带的概念
能带的概念是怎么来的
怎么产生的能带
你只有研究了能带
才能区分绝缘体导体和半导体
能带怎么来的
就关键是讲这个问题
这个问题涉及到功能材料
那么好 一个原子的时候
注意一个原子的时候
1s 2s 2p 3s
3p 3d是这么排列的
大家很清楚
它是什么
按壳层 按轨道
它都是这样分级的排列
这里边没有能带的概念
没有带的概念
变到两个原子
组合在一起以后
注意两个原子组合到一块以后
电子的排布同样遵循
单原子电子的排布的规律
也就是说
没有任何两个电子
它的四个量子数是完成相同的
那么既然两个电子
碰到一块去了
1S电子跟1s电子要相互组合
2s电子跟2s电子要排在一块
2p电子要跟2p电子排在一块
3s电子要跟3s电子
排在一块去了
注意 你2p电子
比方它有6个
现在有12个了
2s电子原来有两个
两个原子碰在
排在一块就四个了
1s电子也是这样
注意
由两个电子变到四个电子
这四个电子的排列状况
同样要遵循前边讲的三项原则
没有两个电子 怎么样
它四个量子数是相同的
那也就是说
你这四个电子
得彼此排开
你原来它要是
一个上边两个电子
你现在也就是说
它得排开
排成什么
排成两个能级了
就排成两个能级了
然后这样排排
注意原来是轨道
壳层轨道
现在
在轨道的基础之上增加了
如果想像的是N个电子
注意
在1s上就有2N个电子
在2s上也有N个电子
在2p上有6N个电子
在3s上有2N个电子
注意
它是电子排的很密了
就不是一个轨道的概念
已经变成了一个带了
这就是能带产生的原因
显然 能带之所以产生
它是由于形成固体以后带来的
如果这些原子彼此分割的
或者是两个原子成对
两个原子成对 两个原子成对
三个原子成对 三个原子成对
这不可能形成能带
它之所以形成能带的原因
在于什么
形成固体了
注意 形成固体了
比如说拿金属来讲
它的最近邻电子是多少
fcc是12个
bcc是8个
hcp也是12个
这12个最近邻电子
这些电子要彼此耦合相互作用
这些相互作用什么
它们的电子的能级
它都不一样的
表现为四个量子数
都不会完全相同
你依然不会相同
它就会分别错开一点距离
能级上错开一点距离
距离尽管很小很小
但是它是有差别的
依然很小很小
当你N很大的时候
那当然就成了能带了
这就是能带产生根本原因
所以能带产生的根本原因
是由于原子形成固体所带来的
那这不就
我们就是材料
我们是搞材料的
我们搞材料搞的是固体
因为它原子组成了固体以后
才产生的能带
它的能带是这么来的
你看 这不是
你注意 注意看图
禁带的形成
注意看图
图是什么
这是原子的距离
孤立的原子它的距离比较大的
孤立的原子是距离比较大的
它1s 2s 注意
当你距离靠近的时候
靠到什么
靠到那个平衡位置
就是组成固体的那个平衡位置
组成固体了
它就会距离有一定
平衡了
组成固体以后 你看
原来是一个分离的能级
组成固体以后
就变成带了
有N条 那个也有N条
这不是变成带了
如果变成带以后
因为能级
它每个跟每个都不一样
尽管它差别很小
它排成一带一带一带
那这样
就有允许带
中间出来禁带了
就产生禁带了
这不禁带是这么产生的
那么我们就可以看到了
各种金属的能带的情况
注意 各个金属的能带的情况
这个是碱金属钠的能带的情况
这个是铜银金的能带的情况
这是碱金属
碱土金属镁的情况
这是过渡组金属
铁的情况
那么它这里边
形成禁带
导带跟价带
如果是重叠
它就是导体
导带跟价带也重叠
就是导体
我们看图
这都是导体
金属它都是导体
都是导带跟价带重合了
它都是导体的情况
但是在导体的情况
我们看图的目的
在于什么
就是为什么铜银金
它的导电性是最好的
铜银金导电是最好的
我们在一般的人们印象当中
好像应该碱金属导电性最好
为什么说
它外边就有一个电子
这一个电子运动比较活泼
它要自由电子
按说它是最好 不然
实际上谁的导电性最好
铜银金导电性是最好的
它到底在什么地方
也跟原子的排布有关系
所以原子的排布什么有关系
就是形成能带以后
原子排布有关系
你们看图
铜银金它的3d电子都是10个
3d电子都是10个
别的3d电子可不是
3d电子你看铁
它是6个
只有铜银金的3d电子是10个
3d电子是10个
3d电子形成B翘层
它形成闭翘层以后
对原子核的束缚作用非常大
或者说把原子核就包起来了
闭翘层
这一包起来
剩一个4s电子
它受原子核的束缚就比较弱
因此4s电子它就是个自由电子
这个自由电子
自由度非常大
因此它的导电性非常好
那么从意义上讲
对金属来讲
凡是导电性好的金属
导热性也是好的
铜银金也是最好的
因为导电性最好的是
第一是银 第二是铜
第三是金
导热性也是这样
因为金属的导热性的机制
它是自由电子
电子碰撞
因此
铜银金导热性能也是好的
那么你从外部电子排布 从能带
我就可以解释什么
导电性 导热性
导热性 导电性
所以我们搞材料的人
对电子的排布
也应该有所了解
你了解你才能知道它的本质
你才能不仅知道是什么
还应该了解为什么
这是我们给出来了
各种金属 电导率的情况
这里边你看铜银金
那得比别的要大的多
铜是5.98乘以10的5次方
别的都比较差一点
这个图讲的是
绝缘体和导体的能带图
那么右边图是讲讲
金刚石 硅和锗的
能带结构
那么A图是绝缘体
B图是导体
我们看绝缘体的情况是什么
是满带上边
它有一个满带
满带上边是禁带
禁带上边是满带或者价带
它的价带
是填满的
再往上走它是空的
这样
它就是一个绝缘体
绝缘体的特点是什么
它的禁带宽度很宽
那么导体的情况
它有满带
满带上边是价带 是禁带
禁带上边是导带
导带跟价带重合
那么这样
它就是一个导体
我们再看看
金刚石 硅和锗
三者都是什么
都是金刚石结构
它的s电子和p电子
它构成能带
构成能带以后
它就会形成禁带
形成禁带
碳的禁带是宽的
硅的禁带比较窄了
到锗的禁带宽度
就更窄了
我们说碳也是一种半导体
不过它半导体
为什么它是个半导体
它有禁带
禁带比较宽
那么硅也是个半导体
它的禁带宽度就窄一些了
锗也是个半导体
注意我们看到
碳的或者金刚石的禁带宽度
是多少
大概是5个电子伏左右
硅的禁带宽度
是1.2个电子伏左右
锗的禁带宽度
是0.7个电子伏左右
我们平常用的大部分是硅的
1.2个电子伏左右
禁带宽度
对我们了解半导体的性能
特别是太阳能电池的
这种性能是极为有用的
碳 金刚石
我们一般认为它是个绝缘体
实际上
它在某种意义上讲
也是个半导体
我们现在有一个新名词
叫做硬半导体
金刚石
典型的硬半导体材料
为什么叫硬半导体材料
由金刚石做成
比方三极管
需要工作在1500度左右
在1500度左右
硅和锗都不能用了
那么金刚石
它还是可以用的
如果有特殊用途非要在高温上
做晶体管
除了金刚石以外
碳化硅这些可以做
所以
你也用新的角度来研究什么
来研究这些传统材料
这是半导体经过掺杂以后
A型半导体是怎么掺杂的
B型半导体是怎么掺杂的
等等这些
是半导体的能带结构
我就不太详细讲事情了
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准
-1.1 材料的定义和分类,选择材料的标准--作业
-1.2 材料的作用
--1.2.7 “制造材料者制造技术”,材料可以“以不变应万变”
-1.2 材料的作用--作业
-1.3 材料科学与工程四面体
-1.3 材料科学与工程四面体--作业
-1.4 材料与创新
--1.4.2 “9.11事件”世贸大厦垮塌和“3.11大地震”福岛核事故都涉 及材料
-1.4 材料与创新--作业
-本讲作业--作业
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布
--2.1.3 原子的核外电子排布(1)——量子数和电子轨道
--2.1.4 原子的核外电子排布(2)——电子排布的三个准则
-2.1 元素在周期表中的位置决定于其核外电子排布--作业
-2.2 元素周期表反映元素的规律性
--2.2.1 核外电子排布的应用(1)——碳的sp3、sp2、sp杂化
--2.2.2 核外电子排布的应用(2)——四面体键的奇妙之处
--2.2.3 核外电子排布的应用(3)——电子授受及元素氧化数变化
--2.2.4 核外电子排布的应用(4)——过渡族元素和难熔金属
-2.2 元素周期表反映元素的规律性--作业
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素
-2.3 过渡族元素、稀土元素和镧系元素--作业
-本讲作业--作业
-3.1 材料性能与组织结构的关系
-3.1 材料性能与组织结构的关系--作业
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体
-3.2 从轨道能级到能带——绝缘体、导体和半导体--作业
-本讲作业--作业
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢
-4.1 高炉炼铁和转炉炼钢--作业
-4.2 金属材料的组织结构
-4.2 金属材料的组织结构--作业
-4.3 铸锭及其组织
-4.3 铸锭及其组织--作业
-本讲作业--作业
-5.1 金属材料的加工
-5.1 金属材料的加工--作业
-5.2 钢材的热处理
--5.2.4 钢的淬火(quenching)(1)——加热和急冷的选择
--5.2.5 钢的淬火(quenching)(2)——增加淬透性和防止淬火开裂
-5.2 钢材的热处理--作业
-5.3 钢的强化机制
--5.3.6 合金钢(2)——高速钢、不锈钢、弹簧钢和轴承钢
-5.3 钢的强化机制--作业
-本讲作业--作业
-6.1 粉体材料的性能
--6.1.1 粉体及其特殊性能(1)——小粒径和高比表面积
--6.1.2 粉体及其特殊性能(2)——易流动性和高分散性
--6.1.3 粉体及其特殊性能(3)——低熔点和高化学活性
--6.1.4 粉体的特性及测定(1)——粒径和粒径分布的测定
--6.1.5 粉体的特性及测定(2)——密度及比表面积的测定
--6.1.6 粉体的特性及测定(3)——折射率和附着力的测定
-6.1 粉体材料的性能--作业
-6.2 粉体的加工与处理
-6.2 粉体的加工与处理--作业
-6.3 粉体的应用
--6.3.3 粉体精细化技术——粒度精细化及粒子形状的改善
-6.3 粉体的应用--作业
-6.4 纳米材料
-6.4 纳米材料--作业
-本讲作业--作业
-7.1 陶瓷材料的定义和分类
-7.1 陶瓷材料的定义和分类--作业
-7.2 坯体成型
--7.2.2 陶瓷成型工艺(1)——旋转制坯成型和注浆成型
--7.2.3 陶瓷成型工艺(2)——干压成型、热压注成型和等静压成型
--7.2.4 陶瓷成型工艺(3)——挤压成型、注射成型和流延成型
-7.2 坯体成型--作业
-7.3 陶瓷烧结
-7.3 陶瓷烧结--作业
-7.4 陶瓷材料的结构
-7.4 陶瓷材料的结构--作业
-7.5 结构陶瓷
--7.5.1 结构陶瓷及应用(1)——Al2O3和Zr02
--7.5.2 结构陶瓷及应用(2)——TiO2、BeO和AlN
-7.5 结构陶瓷--作业
-7.6 功能陶瓷
--7.6.4 功能陶瓷及应用(3)——微波器件、传感器和超声波马达
-7.6 功能陶瓷--作业
-本讲练习--作业
-8.1 玻璃的发展简史
-8.2 玻璃的定义和特征
-8.3 玻璃的加工
-8.1-8.3 小节练习--作业
-8.4 建筑及高铁用玻璃
--8.4 建筑及高铁用玻璃--作业
-8.5 高技术玻璃
-8.5 高技术玻璃--作业
-本讲练习--作业
-9.1 何谓高分子和聚合物
-9.1 何谓高分子和聚合物--作业
-9.2 聚合物的合成
-9.2 聚合物的合成--作业
-9.3 从结构层次看聚合物
-9.3 从结构层次看聚合物--作业
-本讲练习--作业
-10.1 高分子材料性能与加工
--10.1.8 聚合物的成形加工及设备(1)——压缩模塑和传递模塑
--10.1.9 聚合物的成形加工及设备(2)——挤出成型和射出成型
--10.1.10 聚合物的成形加工及设备(3)——塑料薄膜和纤维丝制造
-10.1 高分子材料性能与加工--作业
-10.2 胶粘剂和涂料
-10.2 胶粘剂和涂料--作业
-本讲练习--作业
-11.1 复合材料的定义和分类
-11.1 复合材料的定义和分类--作业
-11.2 增强材料和基体材料
-11.2 增强材料和基体材料--作业
-11.3 复合材料的应用
-11.4 天然复合材料
-11.5 生物材料
-11.3-11.5 节练习--作业
-本讲练习--作业
-12.1 磁性的来源
--12.1.2 过渡金属元素3d壳层的电子结构与其磁性的关系
-12.1 磁性的来源--作业
-12.2 磁性材料的分类
-12.2 磁性材料的分类--作业
-12.3 磁畴和磁滞回线
-12.3 磁畴和磁滞回线--作业
-12.4 软磁材料与硬磁材料
-12.4 软磁材料与硬磁材料--作业
-本讲练习--作业
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件
-13.1 薄膜的定义和薄膜形成的必要条件--作业
-13.2 薄膜制备——PVD法
-13.2 薄膜制备——PVD法--作业
-13.3 薄膜制备——CVD法
-13.3 薄膜制备——CVD法--作业
-13.4 薄膜的加工
--13.4.2 反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)
-13.4 薄膜的加工--作业
-13.5 薄膜材料的应用
-13.5 薄膜材料的应用--作业
-本讲作业--作业



