29774

Способы представления сложных структур. Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике

Контрольная

Химия и фармакология

Структура типа алмаз. Элементарные полупроводники кремний и германий кристаллизуются в структуру типа алмаз. В структуре типа алмаз атомы образуют плотнейшую ГЦК решётку в которой половина 4 из 8ми тетраэдрических пустот заняты атомами того же сорта. Структура типа алмаз может быть представлена как две взаимно проникающие подрешётки типа ГЦК которые смещены относительно друг друга по пространственным диагоналям на её длины.

Русский

2013-08-21

87.11 KB

5 чел.

Способы представления сложных структур. Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике.

Способы представления сложных структур

Для описания сложных кристаллических структур применяют 4 наиболее наглядных способа: 1 элементарной ячейкой или графически; 2 решёткой Бравэ и базисом; 3 взаимно проникающими подрешётками; 4 в терминах плотнейших упаковок.

  1. Описание элементарной ячейки или графически

Изображение элементарной ячейки делают в той системе координат, которая соответствует её симметрии. Начало координат помещают в один из узлов ячейки, а оси направляют по рёбрам. Элементарную ячейку характеризуют числом атомов, принадлежащих ячейки, координационным числом, т.е. числом атомов одного сорта, находящихся на одинаковом расстоянии от атома, принятого за центральный, коэффициентом заполнения пространства и указанием наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений. Простейшим примером сложной структуры является структура ионного кристалла хлористого цезия .

  1.  

Описание решёткой Бравэ и базисом.

Под базисом понимают минимальное число атомов или ионов, связанных с каждым узлом решётки Бравэ, транслируя которую, можно воспроизвести всю кристаллическую структуру. Базис задаёт координатами входящих в него атомов при условии, что начало координат совпадает с узлом решётки. Указывается тип решётки Бравэ, тип атомов, входящих в базис, с указанием координат.

  1.  С помощью взаимопроникающих решёток

Кристаллические структуры можно представить как взаимно проникающие подрешётки, которые как бы вставлены друг в друга и смещены в некотором направлении на определённое расстояние.

  1. Описание с помощью терминов плотнейших упаковок

Кристаллическим структурам свойственна тенденция к образованию плотнейших упаковок. Поскольку такие структуры обладают минимальной свободной энергией. В кристаллографии очень часто используют плотнейшие упаковки и имеющиеся в них пустоты для описания сложных кристаллических структур. При рассмотрении простейших упаковок принимают, что частицы представляют собой жёсткие шары. Касаясь, шары заполняют большую часть объёма, однако между ними образуются незаполненные пространства, которые и называются пустотами. В плоскости самым простым способом упаковки атомов является упаковка, в которой каждый атом окружён 6-ю такими же по размеру атомов. Вид сверху:

Второй такой же точно атомный слой плотно ляжет на первый, если его атомы попадут в лунки между атомами первого слоя. Третий слой атомов может быть уложен на второй двумя способами.

В первом варианте центры атомов оказываются над центрами атомов первого слоя, тогда чередование атомных слоёв в пространстве можно описать в виде алгоритма АВАВАВ…, т.е. каждый третий слой атомов повторяет положение атомов первого слоя. Такая упаковка соответствует гексагональной плотнейшей упаковки (ГПУ).

Во втором варианте упаковки третий слой атомов займёт положение в пространстве отличное от положения первого слоя А и второго слоя В. Центры атомов окажутся над центрами лунок первого слоя, не занятыми атомами второго слоя. В этом случае алгоритм чередования атомных слоёв следующий: АВСАВС…, т.е. положение атомов первого слоя повторяется атомами четвёртого слоя. Такая упаковка называется гранецентрированной кубической (ГЦК).

В обеих плотнейших упаковках коэффициент заполнения пространства максимальный и равен . Координационное число также максимально и равно 12.

Различают два вида пустот: тетраэдрические и октаэдрические, которые называются по форме многогранников, вершины которых находятся в центрах окружающих их атомов. Тетраэдрические пустоты заключены между 4-мя атомами, октаэдрические – между 6-ю атомами.

В элементарной ГЦК ячейке тетраэдрические пустоты расположены по две на каждой из пространственных диагоналей. В ГЦК 8 тетраэдрических пустот.

Октаэдрические пустоты расположены в центре куба одна и в середине каждого ребра. В последнем случае внутри элементарной ячейки оказываются часть объёма от такой тетраэдрической пустоты. Тогда всего с учётом принадлежностей в ГЦК решётке имеется +12 октаэдрических пустот.

Элементарная ячейка ГПУ (гексагональная плотнейшая упаковка) может быть представлена в виде ромбической призмы, у которой атомы лежат в узлах, а один атом расположен над центром одного из правильных треугольников основания на  высоты призмы.

Число октаэдрических пустот равно 2. Они целиком лежат внутри элементарной ячейки. Суммарное количество тетраэдрических пустот равно 4-м.

В большинстве случаев более крупные атомы или ионы укладываются в плотнейшей упаковке, а более мелкие заполняют все или часть тетраэдрических или октаэдрических пустот. При описании структуры в терминах плотнейших упаковок указывают тип плотнейшей упаковки, сорт атомов, наименование и количество заселённых пустот.

Однако не все структуры описываются таким образом. Структура хлористого цезия  не имеет плотнейшей упаковки, поэтому данным способом не описывается.

Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике.

Многие кристаллы имеют сходное расположение частиц в пространстве и отличаются друг от друга только видом частиц и расстоянием между ними. Такие кристаллические структуры относятся к одному структурному типу, который обычно имеет название по одному из названий кристалла.

Первое. Структура типа алмаз. Элементарные полупроводники кремний и германий кристаллизуются в структуру типа алмаз. В структуре типа алмаз атомы образуют плотнейшую ГЦК решётку, в которой половина 4 из 8-ми тетраэдрических пустот заняты атомами того же сорта.

Структура типа алмаз может быть представлена как две взаимно проникающие подрешётки типа ГЦК, которые смещены относительно друг друга по пространственным диагоналям на  её длины.

Структура типа сфалерит

Сульфит цинка  является полупроводниковым соединением типа  и существуют в двух кристаллографических модификаций: кубической и гексагональной. Кубическая модификация называется сфалеритом и кристаллизуется в структуру, которая называется алмазоподобной.

Элементарная ячейка образована ГЦК ячейкой из более крупных атомов серы, в половине тетраэдрических пустот которой аналогично структуре типа алмаз помещаются более мелкие атомы цинка.

Структура типа сфалерит характерна для большинства соединений типа  и ряда соединений типа .

Структура типа Вюрцит

Вторая модификация , гексагональная, и называется Вюрцит. Структуру Вюрцита удобно рассматривать как плотнейшую упаковку типа ГПУ, образованную атомами серы, в половине тетраэдрических пустот которой находятся атомы цинка.

Структура типа Вюрцит характерна для нитридов III группы и для многих соединений типа . При этом многие соединения типа  являются полиморфными, т.е. при низких температурах имеют решётку типа сфалерит, а при высоких – типа Вюрцит.