Elektronová struktura

Podobné dokumenty
Nauka o materiálu. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

MŘÍŽKY A VADY. Vnitřní stavba materiálu

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Kvantová fyzika pevných látek

Rozdělení materiálů Vztah struktury a vlastností materiálů

LOGO. Struktura a vlastnosti pevných látek

Základní pojmy teorie struktury ideálního krystalu

Struktura a vlastnosti kovů I.

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

Vazby v pevných látkách

Vnitřní stavba pevných látek přednáška č.1

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

ZÁKLADY KRYSTALOGRAFIE KOVŮ A SLITIN

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Značení krystalografických rovin a směrů

2. Molekulová stavba pevných látek

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

STEJNOSMĚRNÝ PROUD Polovodiče TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Krystalografie a strukturní analýza

2. VNITŘNÍ STAVBA MATERIÁLŮ

8. Úvod do fyziky pevných látek

2. Elektrotechnické materiály

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Příloha formuláře C OKRUHY

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

2.6. Koncentrace elektronů a děr

- zabývá se pozorováním a zkoumáním vnitřní stavby neboli struktury (slohu) kovů a slitin

Poruchy krystalové struktury

Pevné skupenství. Vliv teploty a tlaku

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

7. Elektrický proud v polovodičích

Fyzika, maturitní okruhy (profilová část), školní rok 2014/2015 Gymnázium INTEGRA BRNO

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

Teorie chemické vazby a molekulární geometrie Molekulární geometrie VSEPR


TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Minule vazebné síly v látkách

Elektřina a magnetizmus polovodiče

stavební kostičky, z těch vše sestaví TESELACE chybí měřítko na velikosti kostiček nezáleží Pyrit krychle pentagonalní dodekaedr granát trapezoedr

Mol. fyz. a termodynamika

Skupenské stavy látek. Mezimolekulární síly

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.1 Konstrukční materiály

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Metodický návod: 5. Zvyšování vnějšího napětí na 3 V. Dochází k dalšímu zakřivování hladin a rozšiřování hradlové vrstvy.

Téma: Číslo: Anotace: Prosinec Střední průmyslová škola a Vyšší odborná škola technická Brno, Sokolská 1

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Elektrický proud v polovodičích

III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Pracovní list č.3 k prezentaci Křivky chladnutí a ohřevu kovů

Metalografie ocelí a litin

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

ATOMOVÉ JÁDRO. Nucleus Složení: Proton. Neutron 1 0 n částice bez náboje Proton + neutron = NUKLEON PROTONOVÉ číslo: celkový počet nukleonů v jádře

Přednáška č. 2 Morfologická krystalografie. Krystalové osy a osní kříže, Millerovy symboly, stereografická projekce, Hermann-Mauguinovy symboly

Elektřina a magnetizmus - elektrické napětí a elektrický proud

Orbitaly, VSEPR 1 / 18

7. Elektrický proud v polovodičích

Orbitaly, VSEPR. Zdeněk Moravec, 16. listopadu / 21

Polymorfismus kovů Při změně podmínek (zejména teploty), nebo např.mechanickým působením změna krystalické struktury.

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Výstupní práce Materiály a technologie přípravy M. Čada

Polovodiče, dioda. Richard Růžička

Jádro se skládá z kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů -> nukleony

ATOMOVÁ SPEKTROMETRIE

Struktura elektronového obalu

Přednáška č. 3. Strukturní krystalografie, krystalové mřížky, rentgenografické metody určování minerálů.

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

elektrony v pevné látce verze 1. prosince 2016

Chemická vazba. Příčinou nestability atomů a jejich ochoty tvořit vazbu je jejich elektronový obal.

4. Napjatost v bodě tělesa

Cvičení F2070 Elektřina a magnetismus

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Fyzika je přírodní věda, která zkoumá a popisuje zákonitosti přírodních jevů.

Opakování

Křehké materiály. Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek, 2008

Tenzorový popis fyzikálních vlastností

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

Překryv orbitalů. Vznik vazby překryvem orbitalů na dvou různých atomech A, B Obsazeno dvojicí elektronů Ψ = Ψ A Ψ Β

VY_32_INOVACE_ELT-1.EI-18-VODIVOST POLOVODICU. Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno

Zvyšování kvality výuky technických oborů

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

Valenční elektrony a chemická vazba

Ideální krystalová mřížka periodický potenciál v krystalu. pásová struktura polovodiče

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Chemické repetitorium. Václav Pelouch

Elektrické vlastnosti pevných látek

Fyzika pro chemiky II

Transkript:

Elektronová struktura Přiblížení pohybu elektronů v periodickém potenciálu dokonalého krystalu. Blochůvteorémpak říká, že řešení Schrödingerovy rovnice pro elektron v periodickém potenciálu je ve tvaru rovinné vlny násobené periodickou funkcí (= perioda krystalu). Konkrétní řešení Schrödingerovy rovnice pro periodický potenciál ukazují, že energetické spektrum elektronu je periodické. Dále pak, že energie elektronu je spojitá jen v určitém intervalu energií a v jiném energetickém intervalu je výskyt elektronu zakázaný. Vzniká tzv. pásová struktura elektrony v každém atomu se mohou vyskytovat jen na určitých energetických hladinách. 1

Elektronová struktura Elektrony na vnitřních orbitalech tvoří jen nepatrné pásy šířky řádu 10 19 ev, tyto elektrony jsou i v pevné látce silně lokalizované. Tedy energetické pásy tvoří prakticky jen valenční elektrony. Šířka dovolených a zakázaných pásů závisí na obsazenosti valenčních orbitalů. 2

Elektronová struktura Pásová struktura krystalu Na: 3

Elektronová struktura Zakázané a dovolené pásy mají různou strukturu závisející na typu atomu a jejich vazbě. 4

Elektronová struktura Kovy, polovodiče a izolanty se liší elektrickou vodivostí. σ kov = 10 6 10 7 Ω 1 m 1 σ pol = 10 6 10 5 Ω 1 m 1 σ izo = 10 13 10 7 Ω 1 m 1 Proč je tak velký rozdíl ve vodivosti 20 řádů? Nejvýše obsazený dovolený pás valenční. Nejnižší neobsazený pás vodivostní. Mezi nimi je zakázaný pás. 5

Elektronová struktura Kov valenční pás zaplněn částečně > za pokojové teploty máme volné elektrony; E g = 0 ev. Polokov valenční a vodivostní pás se překrývají (kovy alkalických zemin). E g < 0,1 ev a vodivostní pás je pod Fermiho mezí. Izolant šířka zakázaného pásu velmi velká; typicky 5 ev 10 ev. Polovodič šířka zakázaného pásu je typicky mezi 0,2 ev až 2 ev. Zcela zaplněn valenční pás a Fermiho mez je v blízkosti valenčního nebo vodivostního pásu. Při 0 K je vodivostní pás prázdný. 6

Elektronová struktura Vodivost polovodičů se zvyšuje: Teplotou, tlakem, radioaktivním zářením Elektromagnetickým polem, elektrickým napětím Poruchami krystalové mříže, příměsemi Vodivost typu n díky vnějším vlivům se elektrony nacházejí ve vodivostním pásu > teče proud. Vodivost typu p elektrony z valenčního pásu přejdou do vodivostního > zbydou zde kladné náboje díry. Ty obsadí elektrony sousedních atomů > efektivně pohyb kladných nábojů. Vlastní polovodič na vodivosti se podílí stejný počet elektronů nebo děr. Nevlastní polovodič dopováním příměsi do vlastního pol. 7

Elektronová struktura Příměsový polovodič typu n Si (4 val. elektrony) dopované As (5 val. elektronů). Elektrony leží na donorové hladině v blízkosti vodivostního pásu. Při excitaci přeskočí do vodivostního pásu a vzniká elektronová vodivost. Příměsový polovodič typu p Si dopované In (3 val. elektrony). Nedostatek elektronů pro vazbu > chybí valenční elektron > vznik díry. Elektrony při excitaci skočí na akceptorovou hladinu a vznikne nová díra. 8

Co jsou stavební prvky pevné látky? Kovy a jejich slitiny mají atomovou strukturu skládají se z izolovaných atomů. Organické a některé anorganické látky se skládají z molekul jsou to izolované jednotky látky, které jsou spolu spojeny chemickou vazbou. Např.: H 2 O, Cl 2, NH 3, CH 4. Speciálním případem jsou iontové sloučeniny, kde mluvit o molekule je spíše zavádějící, protože v krystalu neexistují izolované. Např.: NaCl, CaF 2. V pevné látce jsou částice spolu svázány chemickou vazbou rovnováha mezi přitažlivými a odpudivými silami. Mřížková energie práce potřebná na rozložení pevné látky na jednotlivé částice (nekonečně daleko od sebe). 9

Chemická vazba určuje vlastnosti pevné látky typický příklad: diamant < > grafit. 10

Krystal periodické uspořádání atomů na velkou vzdálenost. Krystalová struktura prostorová mřížka + hmotná báze. Elementární buňka jejím opakováním vznikne krystalová struktura. Je tvořena elementárními translačními vektory (z každého mřížkového uzlu mohu vést nekonečně mnoho translačních vektorů a dosáhnout všech uzlů krystalové struktury. Na jednoznačný popis stačí 3 nekomplanární základní vektory). Primitivní buňka elementární buňka s nejmenším objemem. Př. krystal soli CsCl. Bázi tvoří atom chloru a cesia. Mřížkové uzly tvoří atomy Cl. Opakováním translace hmotné báze získáme ideální krystalovou strukturu. 11

Mřížkové parametry velikost translačních vektorů a úhlů, které svírají. Krystalová struktura je symetrická opakovatelná shoda jednotlivých elementů (elementárních buněk). Prvky symetrie: bod, osa, rovina (příp. jejich kombinace) Operace symetrie: promítání přes střed symetrie, otáčení kolem osy, zrcadlení v rovině, translace o konstantní vzdálenost (příp. jejich kombinace). Aplikováním operace symetrie generujeme nové postavení krystalové struktury, které je nerozlišitelné od výchozího postavení. Přítomnost operací symetrie umožňuje zařadit krystaly do 7 krystalografických soustav a 14 Bravaisových mřížek. Kompletní popis symetrie krystal. struktury popisuje prostorová grupa. V přírodě jich existuje 230 (možných symetrických vzorů). 12

Zobrazení operace symetrie: 2, 3, 4, 6 tičetná osa a zrcadlení. 13

Krystalografické soustavy 14

Bravaisovy mřížky 15

Symetrie krystalové struktury má vliv na vlastnosti materiálu. Neumannův princip fyzikální vlastnosti krystalu mají stejnou nebo vyšší symetrii, než je symetrie jeho grupy. Příkladem je piezoelektrický jev vznik elektrického napětí při mechanickém namáhání krystalu. Dojde k oddělení kladného a záporného náboje v krystalu > není zde střed symetrie. Tedy tento fyzikální jev se vyskytuje jen u krystalů bez středu symetrie (tzv. inverze). Curieho princip působením vnějšího prostředí vykrystalizuje látka v takové grupě symetrie, která zachová symetrii totožnou se symetrií vnějšího prostředí. Například ve válci vykrystalizuje kubické NaCl do hranolů. 16

Polymorfie zjednodušeně je to krystalová mnohotvárnost jedné sloučeniny. Správně tvar krystalu je odrazem symetrie vnitřní struktury molekuly nebo vzorcové jednotky. Ty pak mohou krystalizovat ve více krystalových strukturách, tzv. polymorfech. Polymorfy se mohou zásadně lišit ve fyzikálních, chemických a biologických vlastnostech!!! Přibližně 80% dnes známých materiálů je polymorfních. 17

Příklady polymorfů. 18

Každým uzlem krystalové mřížky lze proložit přímku > definuji směr > translační vektor T. T = ua + vb + wc,kde a, b, c jsou základní translační vektory. Směr v mřížce vyjádřím čísly [uvw]. 19

Uzly lze díky periodičnosti prokládat i roviny (soubory rovnoběžných rovin). Všechny roviny v souboru jsou stejnocenné a lze je popsat třemi indexy (hkl) Millerovy indexy. Co čísla znamenají? jsou to počty úseku, které soubor rovin vytíná na hranách elementární buňky. Tedy hrana a je dělena na h úseků o délce a/h atp. Mezirovinná vzdálenost kolmá vzdálenost mezi sousedními rovinami v souboru d hkl. [322] 1 1 1 3 2 2 1 6 233 Pokud je rovina rovnoběžná s jednou nebo dvěma hranami elementární buňky, pak je odpovídající index 0. 20

Příklady krystalových rovin v krychli. 21

Reálný krystal ideální krystal v kterém existují poruchy (defekty). Defekty jsou zodpovědné za odlišné fyzikální vlastnosti reálného krystalu. Téměř dokonalé krystaly pro polovodičový průmysl mají míru defektů do 1%. Velmi defektní reálné krystaly mají kolem 10% defektů. Defekty jsou zodpovědné za: barvu, vodivost, plasticitu, lomovou pevnost, tepelnou vodivost atp. Poruchy: Bodové Čárové Plošné Objemové Bodové poruchy: vakance, intersticiál, substituce a adice. Existence vakanci a intersticiálů umožňuje difúzi (za zvýšené teploty) v pevné látce a může to vést k tvorbě slitin. 22

Nejdůležitější čárová porucha je dislokace: hranová a šroubová. Mají vliv na plasticitu kovů. Princip válcování kovů: tlak na hranovou dislokaci. Ta se pak vysune ven. 23

Růst krystalu se šroubovou dislokací znamená, že tento typ dislokace roste ve všech směrech stejně rychle a proto vzniká šroubovitý schod. Podél šroubové dislokace rostou vláknité monokrystaly (whiskery) mající ohromnou pevnost v tahu (až 134 kn/mm 2 ). 24

Plošná porucha: povrch reálného krystalu, hranice zrn. Na povrchu nejsou valence atomů nasycené. Probíhají zde adhezní a katalytické reakce. Povrch je fázovým rozhraním: PL PL, PL Kap., PL Plyn. Povrch se snaží získat tvar s minimem povrchové energie ovlivňuje to tvar krystalu. Tenká vrstva objem je zanedbatelný k velikosti povrchu. Hranice zrn se vyskytuje v polykrystalickém materiálu typicky keramika. Zde jsou monokrystalky (krystality, zrna) srostlé. Liší se velikostí, orientací nebo tvarem. 25

Objemové poruchy: jsou to 3D útvary a jde v podstatě o jinou fázi látky. Řadíme sem: mikrodutinky, mikrotrhlinky, póry, vměstky. Vznikají shlukováním vakancí nebo dislokací (vznik mirodutinek a mikrotrhlinek) nebo substitucí a adicí (dochází k segregaci cizích fází). Objemové poruchy mají vliv na mechanické vlastnosti pevných látek. Vhodně orientovaná mikrotrhlinka může způsobit při působení lomového napětí makroskopický lom, který se šíří podél hranic zrn, kam difundují substituční atomy a tím hranici oslabují. 26

Nekrystalické látky jsou neuspořádané a tedy i neperiodické (příp. periodické do vzdálenosti 50 Å). U krystalických látek pozorujeme anizotropii fyzikálních vlastností. Amorfní látky jsou fyzikálně izotropické. Amorfní látky nemají jednoznačný bod tání dochází k postupnému měknutí materiálu. Díky neuspořádanosti je pevnost vazeb mezi jednotlivými stavebními částicemi látky různá. Neuspořádanost je ve všech směrech stejná. Amorfní látka existuje vždy v nestabilním nebo metastabilním stavu. Při zvýšení teploty může dojít k přechodu do krystalického stavu, ale zpět už to samovolně nejde (viz 3. termodynamický zákon). 27