固体材料结构电子结构共15页文档
固体材料的结构
八面体间隙
四面体间隙
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密排六方晶格原子堆垛顺序
堆垛方式: ABABAB…顺序堆垛 hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等
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密排六方晶格（特征）
• 原子排列: 正六棱柱体 12 个顶角和上下底中心各有一 个 原子，正六棱柱体中心有三个原子
• 点阵参数: a1=a2=a3≠c，α=β=90º ，γ =120º • 晶胞中原子数：n=12×1/6＋2×1/2＋3=6个 • 原子半径:2R=a R=a/2 • 配位数和致密度
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5）固溶体的微观不均匀性
固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。一般认 为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在宏观上 是均匀的,在微观上是不均匀的。 在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定 的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体中溶质原 子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分子式来表示,因 此把有序固溶体结构称为超点阵。 例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1时 从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用CuAl或Cu 3Al来表示。
面心立方点阵 A1 或 fcc 立方晶系 体心立方点阵 A2 或 bcc 立方晶系 密排六方点阵 A3 或 hcp 六方晶系
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描述晶胞从以下几个方面： • 晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) • 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) • 晶胞中原子数 • 原子半径 R(原子的半径和点阵常数关系) • 配位数和致密度 • 密排方向和密排面 • 晶体结构中间隙 (大小和数量) • 原子的堆垛方式
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• 2.1.2 能级图和原子的电子结构 • 2.1.3 周期表与周期性 • 2.1.4 晶体中的原子结合
化学键：化学上把原子间强烈的相互作用 金属键 共价键 离子键 分子键和氢键
固体的电子结构与相变
VLS 是一个比较古老的一种生长机理。1964年，Wagner 和Ellis在研究单晶Si生长时，发现了被称之为VLS的晶须 生长方法，其原理可用Au为生长剂,Si晶须的生长来说明 生长过程。
VLS原理生长示意图
在晶体取向(111)的硅单晶片上放一金的小颗粒，加热到高于Au-Si 体系的共熔点温度，便生成平衡组成Au-Si熔融合金；接着通入H2 ＋SiCl4混合气体，还原生成的Si便持续地溶解于Au-Si熔融合金中， 使得熔融合金中的Si达到过饱和状态；当此过饱和状态达到一定程 度，Si开始从Au-Si熔融合金中析出并在基片上沉积。
Amparo Fuertes Institut de Ci`encia de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), Campus UAB, 08193 Bellaterra, Spain
1、研究内容
因范德瓦尔斯力而分离的[X-M-N-N-M-X](X = Cl，Br或I； M=Ti、Zr或Hf)组成的双层的Ti、Zr和Hf的氮卤化物显示 层状结构。双层间的供电子体诱发超导电性临界温度达 25.5K。讨论了此组材料的主体和插入的化合物的合成和 化学结构，以及插入的化合物的结构和化学特性对超导特 性的影响。 Juzal和Fowles等人最初研究了化合物MNX(X = Cl，Br或I； M=Ti、Zr或Hf)，他们也曾经研究过氨与与钛、锆等过渡 金属的卤化物反应。
纳米粒子的小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、
德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特 征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏， 非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致 声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变 化。
固体物理中的电子结构与能带理论
固体物理中的电子结构与能带理论在固体物理学中，电子结构与能带理论是研究固体材料中电子的行为和性质的重要理论。
通过理解电子结构和能带理论，我们可以深入了解固体材料的导电性、磁性、光学性质等，并为材料设计和应用提供基础。
一、电子结构电子结构是指描述固体材料中电子分布和能级的方式。
根据波尔模型，原子中的电子分布在不同的能级上，而在固体中，原子之间的相互作用会导致电子能级的改变。
在经典物理学中，电子的行为可用经典力学描述，但是在固体中，电子的波动性变得显著，因此需要引入量子力学的概念。
量子力学中的薛定谔方程描述了电子在固体中的行为。
根据波粒二象性，电子既可以被视为粒子，也可以被视为波动。
薛定谔方程描述了电子波函数的演化，并通过解方程得到电子的能级和波函数。
电子结构的计算方法有多种，如密度泛函理论（DFT）、紧束缚模型等。
二、能带理论能带理论是解释固体材料中电子能级分布的重要理论。
它基于电子在固体中的周期性势场中运动的性质。
根据布洛赫定理，电子波函数可以表示为平面波和周期函数的乘积形式。
在周期势场中，电子波函数满足布洛赫定理的条件。
根据能带理论，固体中的电子能级可以分为禁带和能带。
禁带是指电子不能占据的能级范围，而能带是指电子可以占据的能级范围。
能带又可以分为价带和导带。
价带是指电子占据的能级范围，而导带是指电子可以自由运动的能级范围。
固体材料的导电性质与其能带结构密切相关。
对于导体，导带中存在自由电子，电子可以在导带中自由移动，导致材料具有良好的导电性。
对于绝缘体，导带与价带之间存在较大的能隙，电子不能跃迁到导带中，导致材料具有较差的导电性。
对于半导体，导带与价带之间的能隙较小，可以通过施加外界电场或提高温度来激发电子跃迁，从而改变导电性。
能带理论还可以解释固体材料的光学性质。
在能带中，电子跃迁可以吸收或发射光子。
固体材料的能带结构决定了其能量吸收和发射的范围，从而影响其光学性质。
例如，带隙较小的材料通常对可见光具有较好的吸收和发射能力，因此在太阳能电池等领域有广泛应用。
材料科学基础 第二章 固体材料的结构
第二章固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于它的晶体结构。
原子之间的作用结合键与晶体结构密切相关。
通过研究固体材料的结构可以最直接、最有效地确定结合键的类型和特征。
固体材料主要包括：金属、合金、非金属、离子晶体、陶瓷研究方法：X光、电子、中子衍射——最重要、应用最多§2-1 结合键结合键——原子结合成分子或固体的结合键决定了物质的物理、化学、力学性质。
一切原子之间的结合力都起源于原子核与电子间的静电交互作用（库仑力）。
不同的结合键代表了实现结构）的不同方式。
一、离子键典型的金属与典型的非金属元素就是通过离子键而化合的。
从而形成离子化合物或离子晶体由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构极性共价键非极性共价键五、氢键含有氢的分子都是通过极性共价键结合，极性分子之间结合成晶体时，通过氢键结合。
例如：H 2O ，HF ，NH 3等固态冰液态水§2-2 金属原子间的结合能一、原子作用模型固态金属相邻二个原子之间存在两种相互作用：a) 相互吸引——自由电子吸引金属正离子，长程力；b) 相互排斥——金属正离子之间的相互排斥，短程力。
平衡时这二个力相互抵消，原子受力为0，原子处于能量最低状态。
此时原子间的距离为r0。
§2-3 合金相结构基本概念♦合金——由两种或两种以上的金属或金属非金属元素通过化学键结合而组成的具有金属特性的材料。
♦组元、元——组成合金的元素。
♦相——具有相同的成分或连续变化、结构和性能的区域。
♦组织——合金发生转变（反应）的结果，可以包含若干个不同的相，一般只有一到二个相。
♦合金成分表示法：(1) 重量（质量）百分数A-B二元合金为例m B——元素B的重量(质量m A——元素A的重量(质量合金中的相分为：固溶体，化合物两大类。
固溶体金属晶体(溶剂)中溶入了其它元素(溶质)后，就称为固溶体。
一、固溶体的分类：♦按溶质原子在溶剂中的位置分为：置换固溶体，间隙固溶体♦按溶解度分为：有限固溶体，无限固溶体♦按溶质原子在溶剂中的分布规律分为：有序固溶体，无序固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。
第9章 材料的电子结构与物(三)
材料科学基础
之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
当价带和导带间有能隙为Eg，有外界激发源使价带中的电子跃迁到导带， 电子在高能态不稳定，只停留很短的时间（10－8s左右）就自发地返回低 能级的价带中，并相应地发出光子，其波长为：λ＝hc/ Eg，一旦外界激发 源去除，发光现象很快消失——之称为荧光 另一类材料，含有杂质或缺陷，如ZnS中含有少量的铜、银、金，或ZnO 中含有极微过量的Zn，微量杂质在能隙中引入施主能级，被激发到导带 中的电子在返回价带之前先落入了施主能级并被俘获住停留一段较长时间， 电子在逃脱这个陷阱之后才返回价带的低能级，并相应地放出光子，其 λ ＝hc/ (Eg－Ed) 由于这种发光能持续一段较长时间，故称之为磷光 磷光和荧光的分界是激发源去除后，发光时间短于10－8s的为荧光，时间 长于此的为磷光
材料科学基础
之
第 9 章 固体材料的电子结构与物理性能
关于激光（即受激发射光） 关于激光（即受激发射光） 材料在外界光子的作用下，电子从低能级E1跃迁到E2，此为光的吸收过程 而原处于高能态的电子在外界光的作用下又返回低能级（图9－24）， 图中A电子从 2返回E1并放出一个光子 图中 电子从E 返回 电子从 hν＝E2－E1， 此即为受激辐射 此即为受激辐射 如果没有外界光子的作用， 外界光子的作用 如果没有外界光子的作用， 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 电子也可自发从高能级跃迁到低能级并产生辐射，此之为自发辐射 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 只有能量为 hν＝E2－E1 的光子才能引起受激辐射，其特点是： 如果一个能量为h 的光子引发了受激辐射， 如果一个能量为 ν 的光子引发了受激辐射，其产生的光子也是 hν ，这样与原 的光子，让这两个光子继续去引发， 来的一个光子一起就有了两个能量都是 hν 的光子，让这两个光子继续去引发， 就可得到更多相同能量的光子 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生， 与普通光源不同，受激辐射光由入射光引发而产生，位相偏振等都与入射光相 因此能有较好的相干性。 同，因此能有较好的相干性。 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程， 但在外界光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程，且在通常情况下外界光子 光子引发受激辐射的同时也发生吸收过程 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小， 被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性则很小，此因处于低能态原子很多
固体理论第二部分固体电子论第四章固体电子结构计算方法与模型
固体理论第二部分固体电子论第四章固体电子结构计算方法与模型固体电子结构计算方法与模型包括晶体势场模型、离子近似、密度泛函理论、以及紧束缚模型等。
这些方法和模型可以用于计算固体材料的电子能级、电子波函数、电子密度等物理性质。
在本章中，我们将介绍这些方法和模型的基本原理和应用，并对它们进行比较和评价。
晶体势场模型是最早也是最简单的计算固体电子结构的方法之一、在晶体势场模型中，将固体中的离子看作是点电荷，其间的相互作用由电场势场描述。
晶体势场模型通常假设离子核与其周围的电子云之间存在着库仑相互作用，而电子与电子之间的相互作用则忽略不计。
该模型可以求解薛定谔方程的定态解，从而得到固体材料的能带结构和电子波函数。
然而，晶体势场模型忽略了电子与电子之间的相互作用，因此不能描述许多重要的物理现象，如金属的导电性和超导性等。
离子近似模型是对晶体势场模型的一种改进。
在离子近似模型中，考虑到固体中电子与离子间的相互作用，但仍忽略了电子与电子之间的相互作用。
离子近似模型可以通过求解薛定谔方程来计算能带结构和电子波函数，相对于晶体势场模型，离子近似模型更加准确地描述了固体的物理性质。
密度泛函理论(DFT)是计算固体电子结构的一种重要方法。
DFT基于电子密度函数的概念，通过建立电子密度与势能的关系来求解薛定谔方程。
在DFT中，电子间的相互作用由交换关联能描述，而电子间的库仑相互作用由哈特里-福克方程进行计算。
DFT在计算固体电子结构方面具有广泛的应用，包括能带结构、晶格振动和磁性性质等。
然而，DFT也有其局限性，如基于局部密度近似或广义梯度近似的DFT无法准确描述电子关联效应。
紧束缚模型(TB)是一种基于单个原子轨道的方法，用于计算固体的能带结构。
在TB模型中，固体中的电子波函数可以表示为单个原子的轨道的线性组合。
这种方法可以通过调整模型参数来拟合实验结果，从而计算出固体的能带结构和电子波函数。
紧束缚模型可以用于计算有限体系和周期性系统，是计算固体电子结构的一种简单和有效的方法。
电子结构分析
电子结构分析电子结构分析是研究原子、分子或固体材料中电子行为的重要方法。
通过分析电子的能级、轨道分布和电子的运动规律，可以揭示物质的性质和变化规律。
本文将从电子能级理论、电子轨道和电子运动等方面进行分析，并对电子结构分析在材料科学和化学领域的应用进行探讨。
一、电子能级理论电子能级理论是描述电子在原子核周围排布的一种理论模型。
根据量子力学原理，电子处于不同的能级，其能量和轨道性质有所区别。
一般来说，电子能级越高，能量越大，轨道离原子核越远。
电子能级理论为我们理解原子的稳定性和化学反应提供了重要的依据。
通过电子能级理论，可以分析电子在原子或分子中的分布情况，以及电子的激发和跃迁过程。
二、电子轨道分析电子轨道是描述电子运动约束的三维空间，通常用波函数来表示。
常见的电子轨道有s轨道、p轨道、d轨道和f轨道等。
不同的轨道具有不同的形状和能量。
s轨道是球形对称的，p轨道是沿轴线方向的双胞形等。
通过分析电子轨道，可以了解电子在原子或分子中的空间分布情况，以及电子的运动状态。
三、电子运动规律分析电子运动规律的分析是揭示电子行为的重要途径。
根据量子力学的观点，电子存在波粒二象性，既表现为粒子，又表现为波动。
在原子核以外的区域，电子呈现波函数形式，且受到势场的限制。
通过求解薛定谔方程，可以得到电子的概率分布、波函数和能级等信息。
这些信息可以用于分析电子的运动轨迹、运动速度和电子态密度等特性。
四、电子结构分析的应用电子结构分析在材料科学和化学领域应用广泛。
在材料科学中，通过对材料的电子结构进行分析，可以预测材料的力学性质、光学性质和导电性能等。
例如，通过计算材料的能带结构，可以预测材料的导电性能和光吸收等性质。
在化学领域中，电子结构分析可用于预测分子的反应性质、化学键强度和电子云分布等。
例如，通过分析反应物和产物的电子结构，可以预测化学反应的可能性和性质。
综上所述，电子结构分析是一种重要的方法，可用于研究原子、分子或固体材料中电子行为的规律。
固体材料的晶体结构与电导性
固体材料的晶体结构与电导性固体材料是由原子、分子或离子通过一定的结构排列形成的，其晶体结构对其电导性具有重要影响。
固体材料的晶体结构包括晶格结构、晶体缺陷和结晶界。
这些结构特征决定了固体材料中的电子运动方式和电导性质。
晶格结构是指固体材料中原子或离子的排列方式。
最简单的晶体结构是简单立方晶格，它是由等间距排列的原子或离子组成的。
此外，还有复式晶格、体心立方晶格和面心立方晶格等结构。
不同晶格结构对电导性产生影响的原因主要有两个：一是晶格结构会影响电子的能带结构，从而影响电子在能级间的跃迁；二是晶格结构中存在的缺陷会导致电子散射，从而影响电导性能。
在固体材料的晶体结构中，存在着各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶格中原子或离子的缺失或替代。
例如，离子晶体中的Frenkel和Schottky缺陷分别是离子的位置发生变化和组分发生变化。
线缺陷是指晶格中存在较长的缺陷线，如位错和螺旋位错。
位错是晶格中原子排列的偏差，它会引起晶体的塑性变形。
螺旋位错是线缺陷的一种特殊情况，其呈螺旋状。
面缺陷是指晶格中存在的平面缺陷，如晶体表面和晶界。
这些晶体缺陷会对电子的运动和传导产生影响，从而影响固体材料的电导性。
晶体界面是两个晶体或晶粒的交界面，其结构对固体材料的电导性能有很大影响。
晶界可以分为晶内界和晶间界。
晶内界是同一晶体中不同晶向之间的交界面，而晶间界是不同晶体或晶粒之间的交界面。
晶界的存在会导致晶体中电子的散射，从而影响电导性。
此外，晶界还会影响晶体中的局域化态密度和能级分布，从而对电子输运产生重要影响。
除了晶体结构和晶体缺陷外，固体材料的电导性还与外界条件和温度等因素有关。
外界条件包括温度、压力和化学环境等。
温度对固体材料的电导性具有重要影响，一般来说，温度升高会导致电导性增加。
但在某些固体材料中，随着温度的升高，电导性反而会减小。
这种情况可以通过固体材料的带隙结构来解释。
带隙是指固体材料中电子能级的分布情况，带隙结构直接影响着电子在能级间的跃迁，从而决定了电导性能。