wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

1

WIĄZANIA MIĘDZY

ATOMAMI

Najczęściej spotykane rodzaje wiązań:

•

jonowe

•

kowalencyjne

•

metaliczne

•

molekularne

•

mieszane

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

2

WIĄZANIE JONOWE

• przeniesienie elektronów z jednego atomu na drugi (jonizacja);

• powstają jony o zamkniętych powłokach;

• jony mając przeciwne znaki przyciągają się.

• wiązanie powstanie jeśli zysk energetyczny z przyciągania

Coulomba przewyższy energię potrzebną do jonizacji atomów

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

3

WIĄZANIE JONOWE

J.Hennel

1 – przyciąganie elektrostatyczne jonów
2 – odpychanie powłok elektronowych
3 – energia wypadkowa

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

4

KRYSZTAŁY JONOWE

NaCl CsCl

J.Hennel

J.Ginter

promienie: jonu Na 98 pm , jonu Cl –183 pm, jonu Cs – 169 pm

O tym, która struktura powstanie decyduje energia (a energia zależy od promieni
jonowych)

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

5

WŁAŚCIWOŚCI WIĄZANIA JONOWEGO

1. Związki jonowe tworzą się pomiędzy atomami o małej energii jonizacji

(grupa I) a atomami o dużym powinowactwie elektronowym (grupa VII);

2. Duża energia spójności (→ wysoka temperatura topnienia);

3. Ładunek skupiony jest w centrum jonów, nie ma ładunku między jonami;

4. Wiązanie bezkierunkowe;

5. Nie wszystkie struktury krystaliczne są możliwe.

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

6

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

Dwa atomy wodoru

Cząsteczka wodoru

Funkcje falowe H Orbitale molekularne H

2

J.Hennel

orbital
wiążący

orbital
antywiążący

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

7

Właściwości wiązania kowalencyjnego:

1. Kryształy są twarde i kruche;
2. Wiązanie jest silne;
3. Wysoka temperatura topnienia;
4. Wiązanie jest kierunkowe;
5. Najczęściej spotykane struktury krystaliczne: struktura diamentu;
6. Mała gęstość upakowania i liczba koordynacyjna;
7. W obszarze pomiędzy atomami jest duża koncentracja ładunku.

Ładunek jest związany (Izolatory lub półprzewodniki).

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

8

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

Atom węgla

Stan podstawowy
konfiguracja elektronowa

1s

2

2s

2

2p

2

2

niesparowane elektrony

węgiel jest dwuwartościowy (np. CO)

1s

2

2s

2

2p

2

Promocja elektronu
konfiguracja elektronowa

1s

2

2s

1

2p

3

4

niesparowane elektrony o równolegle skierowanych spinach

węgiel jest czterowartościowy (np. CH

4

)

Hybrydyzacja
orbital hybrydyzowany

sp

3

http://www.mif.pg.gda.pl/home
pages/maria/pdf/Krys_06_9.pdf

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

9

CZĄSTECZKA METANU

CH

4

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

10

KRYSZTAŁY „KOWALENCYJNE”

W przypadku jednakowych, czterowartościowych atomów (jak węgiel, krzem,
czy german) wiązanie kowalencyjne tworzy kryształy o strukturze diamentu

energia wiązania krzemu 4,8 eV / atom symetria tetraedryczna

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

11

WIĄZANIA SPOLARYZOWANE

Dla dwóch różnych rodzajów
atomów

,

na przykład

•

jeden z grupy III a drugi z V

lub

•

jeden z grupy II a drugi z VI,

chmury elektronowe są
przesunięte w kierunku atomów o
większej ilości elektronów
walencyjnych.

Wiązanie takie nazywa się
spolaryzowanym.

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

12

KRYSZTAŁY „SPOLARYZOWANE”

Struktura blendy cynkowej

kryształy typu III-V, II-VI lub I-VII

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

13

WIĄZANIA METALICZNE

1 2 3 4 5 6 7 8

Metale w układzie okresowym pierwiastków

Hennel 5/12

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

14

WIĄZANIE METALICZNE

Elektrony walencyjne poruszają się prawie swobodnie pomiędzy dodatnimi jonami,
ekranując w ten sposób ładunek dodatnich rdzeni jonowych.
Wypadkowe przyciąganie między elektronami i jonami stanowi wiązanie metaliczne.
Im lepsze ekranowanie, im więcej elektronów, tym silniejsze wiązanie.

http://www.mif.pg.gda.pl/home
pages/maria/pdf/Krys_06_9.pdf

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

15

WIĄZANIE METALICZNE

1

. Wi

ą

zanie jest bezkierunkowe.

2. Metale krystalizuj

ą

najcz

ęś

ciej w nast

ę

puj

ą

cych strukturach

krystalicznych o du

ż

ej g

ę

sto

ś

ci upakowania:

3. niezbyt silne wi

ą

zanie

5. du

ż

e przewodnictwo elektryczne i cieplne;

6. łatwo mo

ż

na wytworzy

ć

dyslokacje, co ma wpływ na wła

ś

ciwo

ś

ci

mechaniczne.

Złoto mo

ż

na na przykład rozwalcowywa

ć

na arkusze o grubo

ś

ci nie wi

ę

kszej ni

ż

0,003 milimetra, które stosuje si

ę

do pozłacania ró

ż

nych przedmiotów

7. Ró

ż

norodne s

ą

tak

ż

e temperatury topnienia metali. Cez i gal topi

ą

si

ę

w r

ę

ku, temperatura topnienia wolframu wynosi 3410°C.

wiązania atomów w kryształach,
J. Hennel, „Podstawy elektroniki półprzewodnikowej”, rozdział 5

16

WIĄZANIA MOLEKULARNE (*)

występują w kryształach składających się nie z pojedynczych
atomów, ale z cząsteczek związanych słabymi siłami

gazy szlachetne,
gazy molekularne: H

2

, O

2

, Cl

2

cukier,
siarka S

8

, fosfor P

4

, jod