Кристаллы, типы кристаллов

КРИСТАЛЛЫ. ТОКИ В КРИСТАЛЛАХ. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

1. Твердые тела принято разделять на три группы – аморфные тела, композиты и кристаллы. Аморфные тела не имеют упорядоченной внутренней структуры, их структура аналогична жидкостям; примеры аморфных тел: стекло, эбонит, однородные пластмассы. Композиты имеют упорядоченную макроскопическую структуру; примеры композитов: древесина, гетенакс, стеклотекстолит. Кристаллы обладают упорядоченной микроскопической структурой, структурные элементы кристаллов (ионы, атомы или молекулы) образуют правильную кристаллическую решетку. Кристаллические тела в настоящее время являются основным материалом для современных электронных приборов.

2. Кристаллы разделяют по типу химической связи на следующие виды:

а) ионные кристаллы; б) ковалентные кристаллы; в) кристаллы со смешанной (ковалентная + ионная) связью; г) металлические кристаллы; д) атомные (молекулярные) кристаллы.

Ионные кристаллы состоят из положительных и отрицательных ионов, связанных ионной (гетерополярной) связью. Примером ионных кристаллов являются соединения элементов I и VII групп периодической таблицы (A^IB^VII): NaCl, KF, LiJ и так далее.

Ковалентные кристаллы состоят из атомов одного сорта, связанных между собой ковалентной (гомеополярной) связью. Примером ковалентных кристаллов являются тела, состоящие из атомов IV группы (С – алмаз, Si – кремний, Ge – германий), V групп (Р – фосфор, As – мышьяк, Sb – сурьма) и VI группы (S – сера, Se – селен, Te – теллур).

Кристаллами со смешанной связью являются, например, бинарные соединения типа (A^II B^VI – ZnS, ZnSe, CdS) и (A^III B^V – AlN, GaP, GaAs, InSb). В кристаллах A^II B^VI преобладает гетерополярная связь, в кристаллах A^III B^V – гомеополярная связь.

Металлические кристаллы состоят из решетки, образованной положительными ионами металла, и электронного газа из валентных электронов. Наличие электронного газа обуславливает высокую электропроводность и теплопроводность металлов.

В атомных и молекулярных кристаллах кристаллическая решетка состоит из атомов или молекул, связанных между собой разными видами ван-дер-ваальсовского взаимодействия. Примерами атомных кристаллов являются кристаллы благородных газов (Ne, Ar, Kr); молекулярными являются кристаллы льда (H₂O), твердой углекислоты (CO₂) и другие.

3. Классификация кристаллов по типу кристаллической решетки. Кристаллическую решетку можно получить трансляцией элементарной ячейки кристалла, которая представляет собой параллелепипед с определенным для данного кристалла расположением структурных элементов (обозначены темными кружками на рис. 1.1). Тип кристаллической решетки находится по кристаллографическим углам a, b, g, определяющими кристаллографические оси, и кристаллографическим расстояниям a, b, c. Всего существует 7 систем (сингоний) кристаллов: триклинная (a ¹ b ¹ c; a ¹ b ¹ g); моноклинная (a ¹ b ¹ c; a = g, b > 90°); ромбическая (a ¹ b ¹ c; a = b =g = 90°); гексагональная (a = b ¹ c; a = b = 90°, g = 120°); ромбоэдрическая (a = b ¹ c; a = b = g ¹ 90°); тетрагональная (a = b ¹ c; a = b = g = 90°); кубическая (a = b = c; a = b =g = 90°).

На рис. 1.1 изображена наиболее простая ячейка. Существуют также и более сложные ячейки: объемноцентрированная (рис. 1.2а), базоцентрированная (рис. 1.2б) и гранецентрированная (рис. 1.2в). Всего наблюдается 14 типов кристаллических решеток, описных впервые французским ученым Браве.

Удобно представлять структурные элементы решетки в виде модели твердых шаров, соприкасающихся друг с другом. В рамках этой модели наиболее “рыхлой” является простая кубическая решетка, а наиболее плотно упакованными являются кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки.

а б в

Рис. 1.2. Типы элементарных кубических ячеек:

а – объемноцентрированая; б – базоцентрированная; в – гранецентрированная

Периодичность кристаллической структуры в больших монокристаллах может наблюдаться на протяжении миллиардов (10⁹) межатомных расстояний.

Физические свойства кристаллов (электропроводность, диэлектрическая проницаемость и другие) зависят от направления в кристалле. Направления в кристаллах обозначаются с помощью индексов Миллера: ось х имеет индексы [100], у – [010], z – [001]. Направление диагонали элементарной ячейки в плоскости ху обозначается символами [110]; пространственная диагональ элементарной ячейки имеет индексы [111] и т. д. Кристаллографические плоскости также обозначаются с помощью индексов Миллера. В кристаллах кубической сингонии плоскости, перпендикулярные направлениям, обозначаются теми же индексами. Например, плоскость ху имеет индексы (001), так как она перпендикулярна направлению [001] (ось z); плоскость (111) перпендикулярна направлению [111] и так далее.