Электронные зоны углеродов

Ковалентные кристаллы. Заполнение энергетических зон ковалентного кристалла рассмотрим на примере алмаза, у которого ширина запрещенной зоны E 5,7 эВ. Электроны атомов углерода полностью заполняют валентную зону. Поскольку переход электронов из валентной зоны в зону проводимости требует большой энергии возбуждения, которая в обычных условиях не реализуется, алмаз являете диэлектриком. [c.117]

У алмаза электроны атомов углерода заполняют валентную зону. Перевод электронов в зону проводимости требует высоких энергий — ширина запрещенной зоны составляет А = 5,7 эВ, поэтому алмаз —диэлектрик (хотя по ряду других свойств его относят к полупроводникам). Кремний имеет структуру алмаза, и у него также заполнена валентная зона, но вследствие энергетической близости зоны проводимости и валентной зоны (Д =1,1 эВ) кремний проявляет свойства полупроводника. У графита валентная зона, содержащая 2р-негибридные электроны, и зона проводимости перекрываются, и эта модификация углерода, не являясь металлом, хорошо проводит электрический ток. [c.183]

Из условий минимума энергии все валентные электроны атомов углерода заполняют нижнюю зону, а так как их число составляет 4, то эта зона (ее называют валентной) оказывается заполненной полностью. Зона же проводимости кристалла пуста. Для перехода в эту зону электронам необходимо сообщить энергию порядка 7 эВ (680 кДж/моль). Требуемая энергия превышает энергию связи в кристалле алмаза и не может быть реализована. Поэтому подобные вещества не проводят электрический ток и являются диэлектриками. [c.76]

При графитации под действием тепловых колебаний происходит разрыв связей между атомами углерода и примесными атомами. В момент разрыва связей валентные электроны атомов углерода могут иметь нескомпенсированные спины. Компенсация спинов возможна путем перехода пи-электронов на свободные энергетические уровни. Вследствие этого пи-зо-на оказывается заполненной лишь частично. С повышением температуры обработки в результате роста сеток концентрация ловушек пи-электронов уменьшается и степень заполнения зоны увеличивается [1]. [c.50]

Хотя частичное заполнение электронных зон должно соответствовать металлическому характеру проводимости этих типов углеродных материалов, для них наблюдается положительный температурный коэффициент электропроводности. Это объясняется дырочным характером проводимости (или рассеиванием) на границе между сетками. По мере увеличения концентрации дырок нижняя зона постепенно истощается. При температурах выше 1400° С (рис. 8, в) процесс образования дырок вследствие выделения водорода, по-видимому, в основном завершается. Связывание разорванных сеток, происходящее во время роста кристаллов, приводит к уменьшению количества дырочных дефектов, играющих роль электронных ловушек. я-Зона начинает снова заполняться. Одновременно при росте размеров сеток углерода происходит уменьшение ширины АО запрещенной зоны. При температуре 2000° С (рис, 8, г) эту зону можно считать достаточно узкой для перехода электронов в зону проводимости под действием теплового возбуждения. Тя- [c.31]

Р м с. 155. Электронная фотография углерода, осаждающегося на решетке из нержавеющей стали в светящейся зоне пламени смеси пропан — воздух [64] (Х20 000). [c.285]

Среди корреляций наиболее популярны корреляция с концент-)ацией валентных электронов (квэ), связанная с именем Бильца 52], и теория электронного перехода [3, 25, 49—51]. Обычно квэ рассчитывается на формульную единицу МеС или МеЫ ка-к сумма числа валентных электронов переходного металла (совпадающего с номером группы) и умноженного на х числа валентных электронов атомов углерода (4) или азота (5). Использование корреляции с квэ предполагает жесткую и одинаковую для карбидов и нитридов зонную структуру. Изменение свойств с составом определяется положением уровня Ферми в полосе в соответствии с квэ. [c.201]

Таким образом, две связи между атомами углерода в молекуле этилена неодинаковы одна из них ст-связь, другая — я-связь. Это объясняет особенности двойной связи в органических соединениях. Перекрывание орбиталей при образовании я-связи между атомами углерода меньше, и зоны с повышенной электронной плотностью лежат дальше, от ядер, чем при образовании сг-связн. Поэтому я-связь м 1ее прочна, чем а-связь. Ввиду меньшей прочности я-связей между атомами углерода по сравнению с а-связями энергия двойной связи С=С меньше удвоенной энергии одинарной связи С—С (см. табл. 1.6), поэтому образование йз двойной связи двух одинарных о-связей приводит к выигрышу энергии, что и объясняет ненасыщенный характер органических соединений с двойной связью. [c.91]

Основные характеристики некоторых, наиболее широко употребляемых полупроводниковых материалов приведены в табл. 34. Общим свойством всех указанных материалов является ковалентный или близкий к ковалентному характер связей, реализуемых в их кристаллах. Ширина запрещенной зоны зависит от энергии этих связей и структурных особенностей кристаллической решетки полупроводника. У полупроводников с узкой запрещенной зоной, таких, например, как серое олово, черный фосфор, теллур, заметный перенос электронов в зону проводимости возникает уже за счет лучистой энергии, в то время как для полупроводниковых модификаций бора и кремния требуется довольно мощный тепловой или электрический импульс, а для алмаза II — даже облучение потоками микрочастиц большой энергии или у-облучение. Лишь некоторые из полиморфных форм кристаллов обладают полупроводниковыми свойствами. Так, полупроводниковый эффект наблюдается лишь у одной из трех возможных полиморфных форм кристаллических фосфора и мышьяка и лишь у двух из четырех кристаллических модификаций углерода. [c.311]

Важное значение имеет химическое соединение кремния и углерода — Si (карборунд). Ширина запрещенной зоны 2,86 эв. Поэтому этот полупроводник может быть использован в условиях высоких температур при 500—700° свойства его улучшаются. Отличается уникальным сочетанием механических, термических и химических свойств. При введении примесей элементов V группы (Р, As, Sb, Bi) проявляет электронную проводимость, а примеси элементов II и III групп (Mg, Са, -В, А1, Ga, Jn) сообщают карборунду дырочную проводимость. Донорные примеси сообщают полупроводнику зеленоватый цвет, а акцепторные — сине-черный. [c.458]

Графит по сравнению с алмазом более химически активен он относительно легко окисляется и образует ряд своеобразных соединений. Атомы щелочных металлов, галогены, анионы серной кислоты и другие способны внедряться между плоскостями решетки Графита, давая ионные соединения неопределенного состава. Число электронов в зоне проводимости при этом может измениться некоторые вещества обогащают ее электронами и повышают проводимость (например, щелочные металлы) графита, другие, наоборот, снижают число электронов, и проводимость уменьшается. При образовании прочных ковалентных соединений между внедрившимися атомами и атомами углерода, лежащими в разных слоях, электрическая проводимость резко падает и параллельность слоев, по-видимому, нарушается. Такие соединения образует графит с кислородом (между слоями возникают мостики —С—О—С—) и фтором (вероятно, мостики имеют строение —С—Р—Р—С—). Нельзя не обратить внимание на сходство строения плоских систем атомов углерода в графите со строением бензола и углеводородов, содержащих конденсированные циклы. Огромный материал, накопленный в органической химии, свидетельствует об исключительной роли таких циклов в химии углерода и в биохимии. [c.163]

Схема образования энергетических зон при сближении атомов углерода с образованием кристалла алмаза показана на рис. 7.5. При сближении N атомов уровни 2з и 2р сначала расщепляются каждый в отдельную зону молекулярных орбиталей (М МО в 25-зоне и ЗМ в 2р-зоне), причем первая из них заполнена полностью, а вторая частично. Затем происходит их слияние в одну 5 э -зону (при г">г >г ) с 4Л -уровнями эта смешанная зона оказывается заполненной наполовину. При г<г единая энергетическая зона снова расщепляется на две, в каждой из которых теперь имеется по 2К МО. Все электронов кристалла находятся в нижней [c.135]

Кремний. Особенности химии кремния. Второй типический элемент IV группы — кремний — является типовым аналогом углерода. Как и у углерода, у атома кремния в невозбужденном состоянии на 5-орбита/[и находят ся два спаренных электрона, а р-орбитали имеют два неспаренных электрона. Разница в том, что атом углерода располагает валентными электронами при главном квантовом числе 2, а атом кремния характеризуется тем же числом валентных электронов (4) при я = 3. В связи с увеличением числа электронных слоев по сравнению с углеродом у кремния наблюдаются рост атомного радиуса, понижение потенциала ионизации, уменьшение сродства к электрону и ОЭО. Возрастание радиуса ведет к увеличению длины и уменьшению прочности межатомных связей, особенно в гомоатомных соединениях, вследствие чего растет электрическая проводимость и сужается ширина запрещенной зоны. Поэтому углерод в виде алмаза представляет собой изолятор, а кремний — полупроводник. В целом переход от первого типического элемента ко второму свидетельствует о нарастании металличности и ослаблении неметаллических свойств. Однако вследствие наличия большого числа валентных электронов этот переход более плавный, чем в III группе от бора к алюминию. [c.369]

В общем, поверхностные соединения разнообразных форм углеродных материалов качественно аналогичны. Количественные различия между ними обусловлены как разной долей неароматических атомов углерода, так и размером зон полисопряжения, образующих источники -электронов. Следует учитывать также структуру места образования поверхностного соединения. [c.17]

Влияние координационного числа на свойства электронных зон кристалла можно проиллюстрировать на примере углерода. Расчеты показывают, что электронные зоны углерода должны делокализовываться, если углерод кристаллизуется в структуры с высокими координационными числами, характерными для металлов (рис. 14-28,а). Следовательно, при таких условиях углерод должен быть проводником электронов. Эксперименталь- [c.630]

Валентная зона в углеродных материалах образована я-электронами сеток организованного углерода, имеющих мак-роароматическую природу [4]. В случае идеального графита (рис. 8, д) зона проводимости, в которой при О К отсутствуют электроны, отделена от л-электронной зоны пренебрежимо малой запрещенной зоной. В результате перекрытия зон или теплового возбуждения в зоне проводимости идеального графита Оказывается достаточное количество электронов, вследствие чего графит ведет себя как металлический проводник. [c.30]

Метод сильной связи неоднократно успешно применялся при изучении электронной структуры как металлов, так и неорганических соединений (см., например, [22—25] ). Целесообразность его использования для анализа свойств тугоплавких соединений и, в частности, карбидов, обусловлена также и тем, что в последних, как показали на примере Ti Эрн и Свитендик [6], Зс(-электроны атомов металла и 25-электроны атомов углерода в значительной мере (а 2р-электроны в несколько меньшей мере) локализованы около своих атомов. Наконец, метод ЛКАО, будучи в расчетном плане значительно менее трудоемким, чем методы ППВ и ОПВ, позволяет при последовательном его использовании доступными средствами проследить за влиянием природы атомов-компонентов на полосную структуру кристалла. Однако на этом пути возникают большие трудности, связанные с необходимостью нахождения при расчетах матричных элементов двух- и трехцентровых интегралов. Сложность вычисления последних привела к приближению двухцентровому ), согласно которому вклад многоцентровых интегралов предполагается пренебрежимо малым. Однако, как показали, например, еще Коста и Конте [26], подобное допущение в ряде случаев (в частности, для Ti , TiN) может существенно сказаться на результатах расчетов. В связи с этим при осуществлении расчетов по методу сильной связи обычно используется интерполяционная схема Слэтера и Костера [27] с подгоночными параметрами (роль которых выполняют двухцентровые интегралы перекрывания), оцениваемыми по результатам более точных расчетов (полученным, например, методами ППВ и ОПВ) в симметричных точках зоны Бриллюэна. [c.269]

СЛОЯМИ графита. Наиболее известный пример — внедрение калия предельный состав отвечает формуле K g. Промежуточно образуются фазы состава K i2n с /г = 4, 3, 2 (рис. 14.4). Образование фазы КСа отвечает максимальному заполнению атомами калия пространства между каждым слоем. Дальнейшее внедрение не может происходить из-за электростатического отталкивания. При внедрении слои несколько раздвигаются (502 пм), хотя в меньшей степени, чем можно было бы ожидать, исходя из расчетного значения диаметра иона К+ (минимум 304 пм). Это указывает на то, что ион К+ входит в гексагональную ячейку графита (рис. 14.5), и можно даже предположить, что имеется слабое взаимодействие с л-электронным облаком углерода. Из-за близости энергий валентной зоны и зон проводимости графит может быть и донором, и акцептором электронов. Включение атомов калия в графит приводит к образованию ионов К+ и присутствию свободных электронов в зоне проводимости. [c.472]

Этим методом были рассчитаны структуры электронных зон сравнительно небольшого числа элементов — металлическога натрия, лития, железа, меди, некоторых сплавов типа латуни, а также зависимость энергии от импульса для некоторых, наиболее интересных направлений движения электронов в решетках кальция и углерода. Тем не менее, некоторые из этих результатов имеют общее значение и позволяют проанализировать характер движения электронов в металлах большого числа элементов. [c.24]

Для УНТ установлена однозначная связь между структурой и проводящими свойствами. Это зависимость электронной структуры нанотрубки от ее хиральности, которая представляет собой структуру заполненных электронных состояний. Подобные состояния формируются в результате делокализации 2з- и 2р-электронов атома углерода, причем 25-электроны при гибридизации заполняют области энергии ниже и выше уровня Ферми, а 2р-электроны — области вблизи уровня Ферми. Изменение хиральности, а также радиуса УНТ приводит к изменению ширины запрещенной зоны, которая, как это следует из расчетов, представляет собой монотонно спадающую функцию радиуса. В качестве характеристики хиральности для проводящих свойств иногда удобно ввести индекс к = т — 2п (тп > 2п), тогда fe = О дает металлическую проводимость, к = 3 д+ 1) характеризует ускозонный полупроводник, к = Зд+1,п к — Зд+ 2 — полупроводники с со средним значение запрещенной зоны. Результаты расчетов показаны на рис. 12.14а [16] для различных значений индекса к. [c.382]

По фотоэлектронному спектру Is линии углерода с участком спектра, соответствующего спектру характеристических потерь энергии электронов (потери в области энергий до 40eV) можно определить энергии возбуждения коллективных (плазменных) колебаний и одночастичных (межзонных и экситонных) переходов. Используя преобразование Крамерса-Кронига можно выделить из функции потерь спектр одночастичных возбуждений, который является комбинированной плотностью состояний (свертка валентной зоны с зоной проводимости). Спектр одночастичных возбуждений в линейно-цепочечном углероде имеет узкий пик экситонного поглощения, интенсивность которого напрямую связана с качеством кристалла (с отсутствием межцепочечных сшивок). [c.202]

С увеличением давления фтора в зоне реакции в смеси фторидов повышается содержание (С2Г) [6-155]. При 550 С повышение дисперсности частичек приводит к увеличению в смеси количества (СГ) . Наличие в спектрах электронного парамагнитного резонанса (С2Г)п сигнала с 5г=2,004 свидетельствует о присутствии в нем непрореагировавшего углерода [6-154]. С повышением температуры термообработки этот углерод реагирует с фтором, находящимся вблизи дефектов образующейся фтору глеродной решетки. [c.380]

Электронное строение молекулы N2 рассмотрено в разд. 2.5. Л-Связи между атомами азота (в отличие от связей атомов углерода) прочнее (Г-связей. На рис. 3.37 линия зависимости энергучи связи от кратности связи для связей углерод - углерод загибается вниз, а для связей азот-азот - вверх, что обусловлено большим, чем у углерода, зарядом ядра атома N. При образовании только одной (Г-связи ядра атомов азота отталкиваются друг от друга сильнее, чем ядра атомов углерода, и связь N-N менее прочна. Когда же образуются одновременно <Г- и П-связи, то электронные облака экранируют ядра азота и ядра сильно притягиваются к зонам повышенной электронной плотности - образуется более прочная тройная связь N=N, чем С=С. Цепи —N-N- неустойчивы, стремятся превратиться в N2. [c.397]

В полипептидной цепи эта группа, как предполагалось в модели Лаки и Коулсона, отцает четыре электрона для образования общей я-орбитали. Согласно этой модели белок является полупроводником, причем л-электронные орбитали располагаются перпендикулярно оси полипептидной цепи. Позже Эванс и Герей, рассматривая пептидную группу как элементарную ячейку, пришли к выводу о наличии в молекуле белка трех энергетических зон, из которых одна свободна. Более точные расчеты показали, что ширина запрещенной зоны в белках довольно велика и равна 5 эВ. Бриллюэн предложил модель, в которой зоны проводимости белка получаются за счет перекрытия ст-связей. В этой модели ширина запрещенных зон еще больше (8—10 эВ). Проблема полупроводи-мости белковых систем пока ждет решения. Эксперимент показывает, что энергия фотовозбуждения отдельных групп, связанных с белковой цепью, может мигрировать на значительные расстояния и вызывать флуоресценцию других групп. Комплекс миоглобина с оксидом углерода (II) отщепляет СО при действии излучения, которое не поглощается гемином (т. е. группой, непосредственно связанной с СО), но поглощается триптофаном и тирозином — аминокислотами, остатки которых входят в состав белка миоглобина. Здесь энергия мигрирует от белка к геминовой группе. Эти важные свойства белков показывают, что белки в некоторых случаях способны передавать энергию возбуждения, т. е., в общем случае, сигналы . В ходе эволюции функции передачи сигналов в форме серии дискретных импульсов, частота которых зависит от силы раздражения, перешли к более совершенной системе — нейронам нервной сети. [c.348]

Такой подход был использован в работах [110—113] для оценок числа связывающих -и разрыхляющих молекулярных орбиталей в полициклических сопряженных углеводородах. В работах [110— 112] описанная выше методика использовалась для анализа границ применимости правила Хюккеля 4тг + 2, справедливого, вообще говоря, только для моноциклических систем. В работах [112, ИЗ] приведено несколько примеров, показывающих, что наличие 4га + 2 атомов углерода в сопряженной углеводородной системе не является достаточным условием замкнутости л-электронной оболочки. В этих работах указаны системы, в которых нарушение правила Хюккеля связано с появлением избыточного числа связывающих орбиталей. Представлены (рис. 11.4) МГ ненасыщенных систем двух типов, состоящих из конденсированных пятичленных циклов системы Б1 и Ва, которые являются изомерами при одинаковом числе пятичленных колец, их образующих. Тем не менее с точки зрения выполнения правила Хюккеля эти системы ведут -себя по-раз-наму. Системы типа Бг при количестве пятичленных колец, равном 4/, где / — целое (в этом случае число л-электронов равно 12/+ 2), имеют замкнутую л-электронную оболочку. Напротив, системы типа Б1 с 4/г + 2 углеродными центрами таким свойством не обладают. Они имеют вакантные связывающие орбитали, число которых увеличивается с ростом количества пятичленных колец. В пределе при стремлении числа пятичленных циклов к бесконечности в спектре соответствующей полимерной молекулы получается вакантная связывающая область, ширина запрещенной зоны равна нулю. Системы типа Б1 с числом циклов 3/ + 1 и числом атомов углерода. [c.53]

Предполагается, что атомы щелочного металла находятся над центрами шестиугольников углеродных сеток. При этом углеродные сетки по обеим сторонам слоя атомов металла оказываются расположенными так, что атомы углерода находятся один над другим, т.е. при образовании соединений внедрения происходит сдвиг углеродных сеток. Внедрение щелочных металлов приводит к росту электропроводности, что объясняется переходом электронов в незаполненную зону. Одновременно исчезает диамагнетизм, характерный для углероднь Х материалов. Некоторые слоистые соединения графит а имеют удельное электросопротивление, близкое к электросопротивлению меди. [c.138]

Э. используют в полупром. масштабах для глубокой очистки металлов (Ga, In, РЗЭ) в жидкой фазе. Для РЗЭ Э. в твердом состоянии - осн. метод очистки, т. к. РЗЭ реагируют со всеми газами, кроме благородных, и здесь недоступны традиц. методы очистки, особенно от примесей кислорода, азота и углерода. Э. применяют для выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев полупроводниковых соед., напр. GaAs (элжтроэпитаксия). Э. в тв дой фазе - одна из причин отказов полупроводниковых приборов и электронных устройств, работающих при высоких плотностях тока. Изучение закономерностей Э. позволяет сильно увеличить срок службы этих приборов. В области Э. можно ожидать новых открытий, особенно в случаях Э. на фанице твердых и жидких фаз, при фазовых переходах. Об этом свидетельствует факт аномально высокой подвижности примесей при зонной плавке и резании металлов (эффект Бобровского). [c.453]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология