闪锌矿结构学习.pptx

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1、 构成单晶硅的硅原子，其空间排列是有序的：第1页/共42页 按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：单晶有周期性非晶无周期性多晶每个小区域有周期性第2页/共42页 固体最终所取的结构是使得系统能量最小化：保持电中性（静电能最小）使离子间的强烈排斥最小 使原子尽可能地靠近 满足键的方向性 由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格（晶体结构）。第3页/共42页一、晶格及其周期性 1.常见的晶体结构 简单立方 Simple Cubic，SC 第4页/共42页 体心立方 Body-Center

2、ed Cubic，BCC第5页/共42页 CsCl结构 第6页/共42页 面心立方Face-Centered Cubic，FCC（立方密排Cubic Close-Packed）第7页/共42页 面心立方(立方密排)（续）ABC ABC ABC ABC 第8页/共42页 六角密排 Hexagonal Close-Packed，HCP ABAB 第9页/共42页 氯化钠结构第10页/共42页 金刚石结构(C,Si,Ge)第11页/共42页 闪锌矿结构(ZnS、GaAs、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe)第12页/共42页 2.晶体结构=点阵+基元 点阵：空间结构，又称为布拉伐格子，1

3、4种 基元：全同的结构单元，包含所有的不等价原子 SC-简立方点阵，bcc-体心立方点阵，fcc-面心立方点阵 hcp-六角点阵，金刚石结构-面心立方点阵，NaCl结构-面心立方点阵 CsCl体心立方点阵，ZnS结构-面心立方点阵原胞：一个晶格最小的周期性单元（固体物理学元胞）3.晶格周期性的描述方法（原胞、基矢、单胞）第13页/共42页原胞的选取不是唯一的；但实际上各种晶格结构已有习惯的原胞选取的方式；三维晶格的原胞通常是一个平行六面体。基矢：是指原胞的边矢量 如：简立方晶格的立方单元就是最小的周期性单元，通常就选取它为原胞，晶格基矢沿三个立方边，长短相等：三个基矢可以写成：sc第14页/共

4、42页单胞（晶体学元胞，晶胞）能够最大限度地反映晶格对称性 的最小单元，体积不一定最小，可能含有结点bccfcc 4.简单晶格-一个原胞含有1个原子 复式晶格-一个原胞含有2个以上原子，它可能是由两种元素引起，也可能是同种原子含有两种不等价的位置引起，如金刚石 第15页/共42页二、晶列、晶向及晶面 晶向指数 晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方向晶体的性质不同。晶格的格点，可以看成分列在一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。同一个格子可以形成方向不同的晶列每一个晶列定义了一个方向，该方向称为晶向晶向用晶向指数标记第16页/共42页晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子

5、到最近的原子的位移矢量为：，则该晶向就用l1、l2、l3来标志，写成l1l2l3。标志晶向的这组数称为晶向指数。以简立方晶格为例，OACB第17页/共42页 立方边，面对角线，体对角线都不止一个，它们的晶向指数确定方法和以上一样，涉及到负值的指数，按惯例，负值的指数用头顶上加一横来表示：第18页/共42页 面对角线共有12个，统称这些面对角等效晶向时，写成；体对角线共有 8个，统称这些体对角等效晶向时，写成；立方边共有6个不同的晶向，由于晶格的对称性，晶体在这些方向上的性质完全相同，统称这些等效晶向时，写成100；等效晶向第19页/共42页晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上，这

6、样的平面称为晶面，第20页/共42页晶面指数 具体讨论晶体时，常常要谈及某些具体晶面，因此需要有一定的办标志不同的晶面，常用的是所谓密勒指数。密勒指数可以这样确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢（截距）分别为 ra1、sa2、ta3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。rst第21页/共42页图中示出了简立方中某3个晶面的密勒指数：侧面：（100）对角面：（110）顶对角面：（111）可以证明，简立方晶格中一个晶面的密勒指数是和沿此晶

7、面法向的晶向的晶向指数完全相同的第22页/共42页等效晶面 立方晶体中的立方体共有6个不同的侧面，由于晶格的对称性，晶体在这些晶面的性质完全相同，统称这些等效晶面时，写成100;100对角面共有12个，统称这些对角面时，写成 110;110顶对角面共有8个，统称这些顶对角面时，写成111；111第23页/共42页三、常见半导体的结构类型与共价四面体1.六种常见结构类型 金刚石结构金刚石结构 Si、Ge 闪闪 锌锌 矿矿 结结 构构 GaAs、InAs、InSb、AlP、AlSb、CdTe 纤锌矿结构纤锌矿结构 GaP、InP、GaN、AlN 氯化钠结构 PbS、PbSe 硫化汞结构 HgS 石

8、墨结构第24页/共42页纤锌矿结构纤锌矿结构第25页/共42页石墨结构第26页/共42页共价四面体 Si,Ge元素的最外层有4个价电子，两两分别位于最外层的S轨道和P轨道：Si第27页/共42页Ge第28页/共42页 当Si、Ge的原子形成晶体时，原来在 s 轨道上的二个价电子，有一个被击发到了 p 轨道，形成 s、px、py、pz四个轨道各有一个电子，然后它们再“混合”起来重新组成四个等价轨道，这种轨道称为SP3杂化轨道，这样这四个电子，在四个新的等价轨道上，都成为未配对电子，而且它们的电子云分布基本上是单侧地伸向四面体的四个顶角。当原子结合成晶体时，就依照电子云重叠最多的角度，也就是四面体

9、顶心这种角度进行(10928)。在族(AB)和族(AB)化合物半导体中，每对A,B原子，亦完成SP3杂化，然后，每个A原子与四周4个B原子形成正四面体，每个B原子同样同四周4个A原子形成正四面体,如 GaAs。第29页/共42页 2、金刚石结构、闪锌矿结构和纤锌矿结构的比较从正四面体搭接方式看 正四面体搭接时可以有两种形式，称为重合组态和交错组态。第30页/共42页 闪锌矿结构是以交错组态的搭接方式构成的，如果搭接成晶体的正四面体，顶、心原子相同时，即元素半导体，搭接方式一定为闪锌矿结构，此时称之为金刚石结构；第31页/共42页 沿一个原子的4个键方向，其中1个方向（沿c轴的方向）的架构是重合

10、组态，在其余3个方向是交错组态，以此种搭接方式构成的晶体结构为纤锌矿结构。第32页/共42页从堆积方式看闪锌矿与纤锌矿结构 ABC层说法来源于原子的密排面。原子球在一个平面内最紧密的排列方式称为密排面。把密排面叠起来，可以形成原子球最紧密堆积的晶格。为了堆积最紧密，在堆积时，把一层球心对准另一层的球隙，仔细分析就会发现，可以形成两种不同的晶格排列。这两种密堆积方式可以表示为：ABABAB 称为六角密排晶格ABCABCABC称为立方密排晶格第33页/共42页 闪锌矿结构，沿111方向，发现A层平移重复一遍A然后是B层，B层重复一遍B然后是C层，C层重复一遍C又回到了A层，是AABBCCAA 的堆

11、积方式，可以将其视为两个立方密堆积ABCABC ABCABC 错开后套构而成；第34页/共42页 纤锌矿结构，沿C轴方向，最底层若是A则往上为 BBAA 可将其视为两个六角密堆积 ABAB和 ABAB.在C轴方向套构而成。第35页/共42页3、金刚石结构与闪锌矿结构的物理化学性质 解理面金刚石结构的解理面为111面 因为111 面双原子层与双原子层之间(A-A间，B-B间，C-C间)键的面密度最低，面间距最长，相比最容易断开；如Si、Ge等元素半导体材料。第36页/共42页第37页/共42页闪锌矿的解理为110面 因为组成闪锌矿的双原子层为不同的原子层，由于原子的电负性不同，电子云会偏向电负性

12、大的那一层原子，这样分别由两种不同原子构成的面所形成的双原子层就成为了一个电偶极层，偶极层之间的库仑作用使得双原子层间的结合加强。相比之下，每个110面都是由等量的A、B原子组成，面与面间没有附加的库仑作用，而且面间的键面密度较小，所以相比之下，比111面更容易打开，因而成为解理面；如GaAs、InP等化合物半导体材料。第38页/共42页 化学腐蚀速度对于金刚石结构，其化学腐蚀速度沿111、100、110依次变快，因为由111面双原子层与双原子层面间，100面间，110面间共价键密度由大变小，面间距由小变大；如Si、Ge。第39页/共42页对于闪锌矿结构,111面的两端由不同原子构成，导致两端面性质不同，导致在此方向的两端面腐蚀速度不同。如GaAs，As面比Ga面更容易腐蚀；一般将电负性强的一面(As 面)称为()面，电负性弱的一面(Ga面)称为(111)面。四、倒点阵 1.定义 正点阵 基矢 ,=倒格矢倒点阵第40页/共42页2.倒点阵的性质 a.正交关系 b.c.正倒点阵互为正倒 d.正点阵的晶面（h1,h2,h3)与倒格矢 垂直 面间距 e.倒点阵有正点阵的一切宏观对称性第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页