Механизм формирования диэлектрической проницаемости и ее влияние на свойства вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

НПП «Квант»

МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕКСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Р.С. Ерофеев

Диэлектрическая проницаемость («постоянная») е вещества входит в зависимость взаимодействия электрических зарядов, закон Кулона, и свидетельствует об ослаблении сил их взаимодействия. Её величина обычно определяется экспериментально, в частности на основании результатов исследования оптических свойств вещества. Однако она влияет и на многие другие электрофизические свойства. В [1,2] установлено влияние е на энергию межатомной связи ряда веществ. Наблюдается общая тенденция, свидетельствующая, что чем больше е, тем меньше величины энергии связи, что соответствует представлению о механизме образования межатомной связи за счёт спаривания валентных электронов взаимодействующих атомов. Связывающие пары электронов находятся между взаимодействующими атомами и вращаются по определённой траектории в их электрическом поле. Следовательно, зная их электрические потенциалы, Р [3], и расстояния между ними, d, можно оценить величину диэлектрической проницаемости. Из общих представлений и результатов работы [1] следует: е = c h (УР d)-1, где c скорость света, h постоянная Планка, d сумма ординарных атомных радиусов У r [4] умноженная на коэффициент отражающий кратность связи и структуру кристаллической решётки вещества. В таблице 1 представлены расчётные значения е в сопоставлении с экспериментальными значениями для кремния Si , германия Ge и алмазоподобных полупроводников АІІІВV.

Таблица 1

Расчёты проводились в предположении наличия в веществах «ковалентной» связи с кратностью связи равной 1 без учёта изменения расстояний между связывающими электронами за счёт перекрытия энергетических состояний (образования зон). Атомы четвёртой группы отдают на связи по 4 электрона (ионизованы до состояния + 4), элементы третьей группы отдают на связи по 3 электрона (ионизованы до состояния + 3), атомы пятой группы по 5 электронов (ионизованы до состояния + 5). Сопоставление расчётных величин е с эксперимен-тальными данными ео и е? определяемыми по коэффициентам отражения излучения разной длины волны свидетельствуют о их совпадении в пределах разброса литературных данных. Для Si расчётные данные оказались завышены (возможно, из-за не учёта перекрытия энергетических состояний и взаимодействия атомов во второй координационной сфере), для InSb заниженными. Из сопоставления потенциалов ионизации атомов этого соединения: 5,79, 18,87, 28,03, 58,4 эВ у In c потенциалами ионизации Sb: 8,64, 16,53, 24,8, 44,3, 56 эВ может быть сделан вывод об ионизации части атомов сурьмы лишь до состояния Sb+4, что свидетельствует о снижении кратности связи в InSb до усреднённой величины 7/8. В этом случае расчётная величина е равна 18,4, т.е. становится практически равной экспериментальной.

Влияние изменения кратности связи на величину диэлектрической проницаемости особенно заметно в соединениях типа АІІВVІ. Согласно первоначаль-ным представлениям о характере химической связи в этих соединениях кратность связи в них была принята равной 1 (величины экспериментально определяемых расстояний в этом случае превышают расчётные). Однако в работе [5] показано, что в этих соединениях кратность связи близка к 0,75 (в этом случае экспериментально определяемые межатомные расстоянии хорошо совпадают с расчётными). Из рассмотрения величин потенциалов ионизации атомов, принимающих участие во взаимодействии, упомянутые кратности связи могут быть получены при различных степенях их ионизации. Согласие расчётных величин е с экспериментальными при кратности связи 0,75 достигается при условии ионизации атомов А и В, соответственно, до состояния = 2 и + 4 и наличии взаимодействия между этими атомами находящимися во второй и третье координационных сферах за счёт освободившегося (в этом случае расстояние между ними становится равным d2 см. таблицу 2)

Таблица 2 Атомы А и В ионизованы соответственно до + 2 и +4, кратность связи 0,75 (6/8)

Проведённые анализы межатомной связи и механизма формирования диэлектрической проницаемости е в алмазоподобных соединениях применимы и к халькогенидам элементов четвёртой группы. В этих соединениях в отличии от первых кратность связи равна 0,5 [6], о чём свидетельствует сопоставление расчётных и экспериментальных межатомных расстояний. Рассмотрение потенциалов ионизации атомов, входящих в состав соединений, позволяет сделать вывод о возможности передачи на связь как по равному количеству электронов (по три) атомами металлов и халькогенов, так и при ионизации атомов металлов до состояния + 2, а атомов халькогенов до состояния + 4. Результаты расчётов в обоих случаях близки. диэлектрический энергия ионизация атом

Таблица 3 Атомы металлов ионизованы до состояния +2, томы халькогенов до состояния +4.

На основании полученных расчётов можно сделать вывод о возможности взаимного замещения в сплавах атомов металла на атомы халькогенов в связи с их близкой электроактивностью. Особенно велика такая вероятность должна быть в теллуридах, так как третий потенциал ионизации Te на несколько электроновольт меньше, чем у атомов металлов. Увеличению возможности такого замещения способствует близость размеров атомов (ионов). Действительно, результаты исследований [8] свидетельствуют, что теллуриды Ge и Sn формируются с весьма заметным избытком теллура и наличием антиструктурных дефектов. Следует отметить, что этому способствует возможность взаимодействия атомов теллура друг с другом . Особенно сильно это проявилось в GeTe, что привело к возникновению полиморфных превращений..

Выводы

Диэлектрическая проницаемость е вещества может быть оценена на основе энергий и степени ионизации атомов входящих в его состав. Имеющее место достаточно хорошее совпадение расчётных и экспериментально определяемых величин е свидетельствует о целесообразности проведения такого рода расчётов. Они позволяют более объективно оценивать характер межатомной связи в веществах и предопределять их некоторые физико-химические свойства.

Литература

1. Ерофеев Р.С. Механизм образования межатомной связи в веществе (Si, Ge и соединениях АІІІ ВV)/Сб. докладов Термоэлектрики и их свойства. С.-П. 2010 г.

2. Ерофеев Р.С. Механизм образования межатомной связи в веществе (соединения АІІІВVІ и АІV ВVІ)/Сб. докладов Термоэлектрики и их свойства. С-П. 2010.

3. Протодьяконов М.Н., Герловин И.Л. Электронное строение физические и свойства кристаллов. М.: Наука, 1975 г.

4. Ерофеев Р.С. Система одинарных атомных радиусов. Журнал НПП «Квант» Автономная энергетика. № 10 - 11, 1999 - 2000 гг., стр. 51-55.

5. Ерофеев Р.С. Химическая связь и тепловое расширение веществ. Неорган. Материалы. Том 24, № 3, 1991, стр. 501- 505.

6. Ерофеев Р.С. Некоторые особенности химической связи в халькогенидах элементов ІVВ группы с решёткой NaCl. В сб. Химическая связь в кристаллах и их физические свойства. Том 1. Минск.: Наук и техника 1976, стр. 53-59.

8. Абрикосов Н.Х., Банкина В.Ф., Порецкая Л.Ф., Скуднова Е.В., Шелимова Л.Е. Полупроводниковые соединения, их получение и свойства. М.: Наука, 1967.

Размещено на Allbest.ru