第7章金属键和金属和半导体、绝缘体颜色.ppt

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1、第7章金属键与金属及半导体、绝缘体的颜色7.1金属键与金属的颜色7.1.1金属键和能带理论简介1.金属键:使金属原子结合成金属晶体的化学键.无方向性,无饱和性,其强度由金属的原子化热衡量.自由电子的胶合作用,使球形的金属原子做紧密堆积,形成能量较低的稳定体系.2.能带理论满带:被电子充满的能带;空带:没有电子填充的能带;导带:被电子部分填充的能带;不同金属元素和不同的原子轨道构成的能带宽度不同.能带间隙的大小决定该物质是导体、半导体、绝缘体。7.1.2金属的颜色极强的吸收得到了很高的反射率(表面光滑),因而产生了金属的光泽.金属的态密度图与金属的颜色决定了金属的光谱在不同区

2、域有不同的吸收状态,产生不同的颜色金属锂的态密度图近似抛物线形状.不同金属与合金颜色变化的原因是由于吸收系数k随波长而变化.(1)铁和铜的颜色Fe3d64s2,4s已满，光照无明显变化，3d未满，会发生符合选择定则的跃迁。3d的态密度随能量增加只在小范围内往复变化，高于Fermi面部分随能量增加变化不大。铁对所有波长的光吸收都不完全，即吸收系数随波长变化不大，呈现灰色。Cu3d104s1，3d满而4s不满。4s轨道在高于Fermi能级出现态密度随能量增加而变小的状态，意味着在较高能级中发生跃迁的电子数没有低能级多，即对光的吸收减少，反射率也降低。光谱的蓝端能量高于红端，铜对

3、蓝紫光的吸收和反射弱于对红黄光的吸收和反射，即吸收系数k对不同波长的光变化较大。对蓝紫光的部分吸收给出其补色，故金属铜是浅红带黄的颜色(2)银的颜色与光泽对所有波长的光都有很高的反射率——银白色；只是光谱紫端反射率稍小，很少的吸收产生淡黄的暖光泽。(3)黄金的反射色与透射色Au5d106s1,s轨道不满,与铜类似,光谱紫端有比铜更小的反射率,比铜在更小波长范围内较弱的吸收给出其补色—黄色。金在光谱红端反射最强(吸收也最强),在紫端应有较强的透射.若打成厚度小于100nm(比可见光380~700nm的波长还小)的薄片,能观察到因光的透射而呈现的稍带淡蓝的绿色.观察到的透射色从

4、另一个角度说明了吸收和反射的存在.7.1.5合金的颜色合金一般具有一定的金属性能，根据组成合金的金属的结构和性质，可分为：金属固熔体金属化合物金属间隙化合物或金属间隙固熔体根据共熔比例，金属固熔体可产生居间颜色；大多数合金系统出现新的晶体结构，其态密度图及颜色发生特殊变化。黄金：黄色，质软加入不同金属，产生多种颜色加入银与铜的混合物，不改变颜色，却可增加硬度，降低成本，即K金；加入25%的银产生绿色；加入25%的铜，产生红色；加入适量钯或铜、锌混合物，白金；（是白色K金，千万别当作铂金！）加入少量铁，产生蓝色；加入铝产生绛紫色。7.1.6具有类金属外观的物质的颜色物质具有类

5、似金属中电子的行为,会产生类似金属外观的颜色.黄铁矿:铁的4s和3d轨道与硫的sp3杂化轨道叠加的分子轨道形成类似金属的能带,在光谱的紫端因减少了吸收形成了黄色.石墨:离域电子产生强的类金属反射,可导电.聚二乙炔:可观察到金属金与铜的颜色,导电性差(不能形成长的离域键)7.2绝缘体与半导体的颜色7.2.1能带间隙与绝缘体、半导体的颜色绝缘体只有满带和空带，带隙Eg5eV，半导体也只有满带和空带，带隙Eg<3eV例禁带宽度硅(Si):1.1eV,锗(Ge):0.72eV,砷化铗GaAs:1.4eV金刚石:5.4eV,无色硫化镉(CdS):2.6eV,镉橙(Cd4SSe3):

6、2.3eV7.2.2杂质对带隙的影响及相关颜色金刚石中含有少量杂质,会产生奇妙的颜色变化1.“氮施主”的影响每引入一个氮原子,增加了一个多余的电子.这些电子在带隙里形成分立的能级,由于热运动,表现为一个增宽的带,大于2.2eV的能量可激发电子到空带,产生蓝与紫光的吸收含十万分之一的氮的金刚石呈黄色.2.“硼受主”的影响每引入一个硼原子,因缺少一个电子而产生一个空穴.空穴可接受从满带中激发来的电子,能级仅为0.4eV,也形成一个增宽的带,能吸收任何能量的光(很低的能量都可使电子进入空穴).每百万分之一的硼,可使金刚石呈现诱人的蓝色,十分稀有.室温下的热激发使电子从满带进入硼受

7、主的能级,在满带中留下空穴,使含硼的金刚石有一定的电导率.