Практические занятия по ЭТМ
Тема 1: Связи между частицами вещества и
Основы зонной теории валентных электронов в твердых телах.
Доклад 1 - Электроотрицательность атомов, критерий образования химических связей различного типа
Доклад 2 – Природа сил Ван дер Ваальса, Дисперсионная связь, ориентационная связь, индукционная связь
Доклад 3- Природа возникновения разрешенных и запрещенных зон для валентных электронов в твердых телах. Зоннае схемы для металлов, диэлектриков и полупроводников.
Доклад 4 – Идеология оценки ширины запрещенной зоны в диэлектриках и полупроводниках
Теоретический материал к докладам
Определение типа связи между атомами и молекулами в веществах.
Связи делятся на химические (более сильные) и межмолекулярные (слабые).Тип химической связи определяется по величине разности электроотрицательностей взаимодействующих атомов.
Δχ=χ1- χ2, где χ1-электоотртцательность первого атома, χ2 – электроотрицательность второго атома. Различают 4 типа химической связи.
1. Ионная связь характеризуется большим значением Δχ>>0
2. Чисто ковалентная или гомополярная связь имеет Δχ равное нулю. Как правило, этот вариант выполняется для диэлектриков и полупроводников, состоящих из однотипных атомов. К ним относятся элментарные полупроводники (германий, кремний, селен, сера, фосфор, углерод, бор, олово, мышьяк,), а так же полимеры с углеродными и кремниевыми каркасами (олефины и кремнеорганика.)
3. Ионно-ковалентная связь имеет Δχ>0
4. Для металлической химической связи характерно соотношение: Δχ=0
Более слабая связь между частицами вещества, по сравнению с химическими, называется межмолекулярной, ее формируют силы Ван дер Ваальса, которые делятся на дисперсионные, индукционные и ориентационные. Межмолекулярная связь определяется диполь-дипольным взаимодействием, поэтому их величина значительно меньше химических связей.
По первой теме студенты, прежде всего, должны научиться определять тип взаимодействия между частицами различных веществ по их электроотрицательности, в соответствии с вариантом индивидуального задания.
Определение ширины запрещенной зоны
полупроводников и диэлектриков
Вторая часть первого индивидуального задания состоит в оценке ширины запрещенной зоны полупроводников и диэлектриков по значениям электроотрицательностей атомов, составляющих вещество.
Существует четкая взаимосвязь между электроотрицательностями атомов вещества (χ или Δχ) и шириной запрещенной зоны: рост электроотрицательностей приводит, как правило, к росту ширины запрещенной зоны полупроводников и диэлектриков.
Анализ литературных данных свидетельствует о следующих закономерностях.
Для веществ с преимущественно ионным типом химической связи характерно следующее соотношение:
ΔЕgи = КИ Δχ, (1)
где ΔЕgи – ширина запрещенных зон для диэлектриков и полупроводников с преимущественно ионными и ионно-ковалентными связями, КИ=4,0 – коэффициент пропорциональности, Δχ=χ1- χ2 есть разница электроотрицательностей взаимодействующих атомов, где χ1 и χ2 электоотрицательности взаимодействующих атомов.
Для одноатомных веществ с преимущественно ковалентным типом химической связи характерно следующее соотношение:
ΔЕgк = КК χК, (2)
где ΔЕgК – ширина запрещенных зон для диэлектриков и полупроводников с преимущественно ковалентными связями, КК=0,6 – коэффициент пропорциональности. По формуле (2) оценивается ширина запрещенной зоны так же для олигомерных и кремнеорганических полимерв. Здесь в качестве χК выбирается электроотрицательность скелетных атомов, либо рассчитывается χК как средняя величина для атомов мономерного звена.
Таким образом, по соотношениям 1 и 2 рассчитываются ширина запрещенных зон для заданных материалов.
Вариант 7
Кристаллы –арсенид индия, RbBr, K2O,полимеры - полипропилен, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы,
Индивидуальные задания по первой теме
1. Определить и обосновать типы связей в указанных веществах.
2. Оценить ширину запрещенной зоны в в указанных веществах.
Вариант 1
Кристаллы - германий, КCl, SrO, ZrO2, InAs, полимеры - полипропилен, тефлон-4, стекла и ситаллы -щелочное стекло, муллитовый ситалл.
Вариант 2
Кристаллы – кремний, NaCl, MgO, SiO2, GaAs, полимеры - полиэтилен, поливинилхлорид, ситаллы и стекла - литиевые ситаллы (Li2O SiO2-силикат лития ), кварцевое стекло.
Вариант 3
Кристаллы – кремний, КBr, ZrO2, C, AgCl, полимеры фторопласт-3, полистирол, полиимид, стекла и ситаллы - фосфатное стекло, кордиеритовый ситтал.
Вариант 4
Кристаллы – германий, NaJ, P2O5, SiO2, селен, полимеры - полиуретан, поливинилхлорид, натуральный каучук, ситаллы и стекла - клиноэнстатитовые ситаллы, бесщелочное стекло.
Вариант 5
Кристаллы – теллур, арсенид галлия, КJ, P2O5, СaO, селен, полимеры - синтетический каучук, политетрафторэтилен, ситаллы и стекла -кордиеритовые ситаллы, силикатное стекло.
Вариант 6
Кристаллы – оксид меди, арсенид индия, RbCl, Rb2O, MgO, селен, полимеры -нейлон, полиамид, ситаллы и керамика - клиноэнстатитовые ситаллы, периклазовая керамика (MgO).
Вариант 7
Кристаллы – оксид меди, арсенид индия, RbBr, K2O, оксид циркония, кремний, полимеры - полипропилен, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, кварцевая керамика.
Вариант 8
Кристаллы – оксид меди, арсенид индия, RbCl, Rb2O, MgO, теллур, полимеры - паралон, ситаллы и керамика - корундовые ситаллы, цельзиановая керамика.
Вариант 9
Кристаллы – селен, арсенид галлия, NaCl, Rb2O, CaO, теллур, полимеры - резина, диен-стирольные термоэластопласты, ситаллы и керамика - корундовые ситаллы, форстеритовая керамика,
Вариант 10
Кристаллы – кремний, InSb, KCl, K2O, MgO, теллур,полимеры - полиимид, олефиновые ТЭП, ситаллы и керамика муллитовые ситаллы, корундо-циркониевая керамика,
Вариант 11
Кристаллы - германий, InAs, NaCl, Na2O, SrO, бор, полимеры - полиимид, уретановые термоэластопласты ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, шпинелевая керамика.
Вариант 12
Кристаллы - медь, оксид меди, поваренная соль, сильвин, оксид кальция, теллур, полимеры - капрон, олиэфирные термоэластопласты, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, корундовая керамика,.
Вариант 13
Кристаллы - алюминий, оксид алюминия, поваренная соль, титанат бария, хлористое серебро, оксид иттрия, бор, полимеры - полиуретан, бутадиен стирольные термоэластопласты, ситаллы и керамика - литиевые ситаллы, цельзиановая керамика,.
Вариант 14
Кристаллы - вольфрам, оксид вольфрама, каменная соль, сегнетова соль, бромистое серебро, диоксид циркония, углерод, полимеры – стирол, олефиновые термоэластопласты, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, клиноэнстатитовая керамика,
Вариант 15
Кристаллы - серебро, оксид серебра, NaBr, бромистое серебро, диоксид кремния, бор, полимеры - полипропилен, полиуретановые термоэластопласты, ситаллы и керамика - литиевые ситаллы, корундовая керамика,.
Вариант 16
Кристаллы - кремний, оксид кремния, NaJ, иодистое серебро, диоксид циркония, селен, полимеры - полиэтилен, полиимид, ситаллы и керамика - периклазовые ситаллы, форстеритовая керамика,.
Вариант 17
Кристаллы - германий, NaJ, P2O5, SiO2, селен, полимеры - полиуретан, поливинилхлорид, натуральный каучук, ситаллы и стекла - клиноэнстатитовые ситаллы, бесщелочное стекло.
Вариант 18
Кристаллы – селен, арсенид галлия, NaCl, Rb2O, CaO, теллур, полимеры - резина, диен-стирольные термоэластопласты, ситаллы и керамика - корундовые ситаллы, форстеритовая керамика,
Вариант 19
Кристаллы – кремний, InSb, KCl, K2O, MgO, теллур, полимеры - полиимид, олефиновые ТЭП, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, корундо-циркониевая керамика,
Вариант 20
Кристаллы - германий, InAs, NaCl, Na2O, SrO, бор, полимеры - полиимид, уретановые термоэластопласты, ситаллы и керамика - муллитовые ситаллы, шпинелевая керамика.
Вариант 21
Кристаллы - серебро, оксид серебра, NaBr, бромистое серебро, диоксид кремния, бор, полимеры - полипропилен, полиуретановые термоэластопласты, ситаллы и керамика - литиевые ситаллы, корундовая керамика,.
Вариант 22
Кристаллы - кремний, оксид кремния, NaJ, иодистое серебро, диоксид циркония, селен, полимеры - полиэтилен, полиимид, ситаллы и керамика - периклазовые ситаллы, форстеритовая керамика,