金刚石的结构模型,金刚石的结构模型图片

据最近报导,B***s作为半导体材料,与Si晶体相比具有更高的电子空穴迁移率和更良好的导热性,当前在应用领域得到广泛重视。

首先看元素周期表这一区域截屏。

金刚石的结构模型,金刚石的结构模型图片

图(1),Si局域元素周期表

在以Si为领军的元素周期表这个“群体”中,第lV***族元素C、Si、Ge、Sn(α-Sn)都是金刚石型结构,分别属于第2、3、4、5周期。B***s虽然不是金刚石型结构,但在晶体学上与其密切相关。

金刚石型结构,立方晶系,面心立方晶格,Fd3m(227)空间群,晶体结构如图(2)所示。为了减少篇幅,原子的分数坐标就不写了,原子都占据特殊等效点系,即没有可变参数。在结构中,每个原子与近邻原子都形成正四面体配位。

金刚石的结构模型,金刚石的结构模型图片

图(2),金刚石型结构图

对不同元素,该图分别可以代表金刚石型C、Si、Ge、α-Sn晶体结构。但由于是不同原子,原子结构和性质不同,原子半径不同,化学键不同,晶格常数a必将不同,依次按元素标出:

C:0.3566nm,

Si:0.5430nm,

Ge:0.5657nm,

α-Sn:0.6489nm。它们分别是绝缘体、半导体、灰锡。在元素周期表中,lV***族3周期的Si(化合价为ll,IV价)如同一个“挑担者”,挑着ⅠII***族2周期的B和V***族4周期的***s。B的化学价为Ⅲ价,***s的化学价为Ⅲ,Ⅴ价,这样特定位置的两种元素结晶成B***s,晶体结构似金刚石型占位,但又不是金刚石型结构,而是闪锌矿型结构。可以这样想象该结构:B和***s形成两个具有相同晶格常数,完全重合的面心立方结构,B“结构”沿面心立方结构晶胞的体对角线方向矢量平移了1/4(a+b+c)(实际是相互的),形成闪锌矿型的B***s结构。其实金刚石型结构的C、Si、Ge、α-Sn也都可以这样理解,但由于它们各自是同种原子,结果晶体结构的空间群是Fd3m。而B***s是两种不同原子,结果就成了闪锌矿型结构,见图(3),面心立方晶格不变,在金刚石结构中微观对称性的d滑移面消失,转变为4次旋转反演轴,空间群转变为F(-4)3m(216)。

金刚石的结构模型,金刚石的结构模型图片

图(3),闪锌矿型B***s晶体结构图

在图(3)B***s晶体结构图中,红色大球代表***s,绿色小球代表B(没小那么多)。如果把***s看成面心立方结构,一个晶胞形成8个四面体间隙,B占一半(4个)四面体间隙。就在沿面对角线上下层成十字交叉分布的4个四面体间隙中,分数坐标也不写了。如将两种原子占位互换,亦然如此。原子之间互为正四面体配位。

为了尝试用晶体学数据计算原子半径,和“同型”结构Si相比较,研究B***s形成的化学键。还用以前文章中用过的老办法:把B***s立方晶胞看成2×2×2堆垛的8个小立方体,边长为(1/2)a,B原子在其体心,体对角线方向***s与B是“球”碰“球”,相当于***s和B原子的直径之和。B***s晶体的晶格常数为0.4777nm。计算出***s和B原子的直径和2R(***s)+2R(B)=(1/2)a×√3=0.5×0.4777×√3=0.23885×√3=0.41370nm。

查得***s原子的共价半经为0.119nm。B原子的共价半径为0.082nm。***s和B直径之和为2×(0.119+0.082)=0.402。比用晶格常数算出的两直径之和小2.8%。

为了与共价键Si晶体相比较,以同样两种办法计算Si的两个原子直径和。发现用查得共价半径算出的比用晶格常数算出的结果小5.6%,小的更多。二者数据几乎相等的是Ge,用晶格常数算出0.4899nm,用共价半径算出0.4880nm。还有α-Sn,用晶格常数算出0.5612nm,用共价半径算出0.5640nm。计算数据在《附录》中列出。从列出的计算数据看到,(金刚石的算出数据与查表得到数据也是相同的。作者也没搞清楚,共价键的C,原子有很好的球对称性原因。)可以判断,这类结构中,化学键金属性,晶格常数计算与共价半径计算会接近相等。说明B***s虽然是共价键,与Si相比有较大的金属性。初步认为,这是B***s晶体比Si晶体有较高的电子空穴迁移率和较好的导热性主要原因。

查表得到金属键和共价键原子半径,发现Ge和α-Sn的金属半径和共价半径是相同的。Ge的金属半径为0.123nm,共价半径为0.122nm。Sn的金属半径为0.140nm,共价半径为0.140nm。

为了证明结果可信,选择单质金属晶体Cu,***g,***l,用晶格常数计算出金属半径与查表得到的数据相同,证明上述B***s和Si以及Ge和α-Sn晶体的计算结果是可信的。

用晶格常数计算与查表计算得到B***s两原子直径与Si的两原子直径相比较,差值越小说明B***s晶体中原子形状越接近球对称性,含金属键“成分”越多。有利于提高电子空穴迁移率,提高载流子量。

金属键部分增多,也就解释了导热率更好。还可以从闪锌矿型结构的B***s与Si晶体结构晶格振动不同解释B***s良好的导热性。前者是B和***s,原子结构性质不同,一大一小,含部分金属键。后者是Si和Si,大小相同,原子结构性质完全相同,典型的共价键。晶格振动不同,这种振动的相互作用不同,影响热传导性能。更深入解释作者还不会。

这种分析有点粗糙,实际上晶体结构,原子性质及状态,化学键综合因素会是更复杂,影响晶格振动,提高电子空穴迁移率和导热性能。以上分析仅供参考。

附录

用晶格常数计算0.5a×√3;

两原子直径2×(R1+R2)。

B***s:

0.5×0.477×√3=0.414nm

2×(0.119+0.082)=0.402。

Si:

0.5×0.5430×√3=0.470nm

4×0.111=0.444nm。

C:0.5×0.3566×√3=0.309nm

4×0.077=0.308nm。

Ge:

0.5×0.5657×√3=0.490nm

4×0.122=0.488nm。

Sn:

0.5×0.648×√3=0.561nm

4×0.141=0.564nm。

............试读结束............

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