Металеві зв'язки. Емісія електронів з металу. Фулерени

Размещено на http://www.allbest.ru/

Робота

з дисципліни «Матеріали сучасної електроніки»

План

1. Яка координація іонів характерна для кристалічних решіток металів і чому?

2. Що розуміють під істинною і термодинамічною роботами виходу електронів з металу?

3. Яку будову мають ендоедральні фулерени? Вкажіть можливі області їх застосування

метал електрон фулерен

1. Яка координація іонів характерна для кристалічних решіток металів і чому?

Тяжіння між позитивними атомними кістяками і електронами обумовлює цілісність металу. Металевий зв'язок можна розглядати певною мірою як ковалентний зв'язок, оскільки в основі цих зв'язків лежить усуспільнення зовнішніх валентних електронів. Специфіка металевої зв'язку полягає в тому, що в усуспільнення електронів беруть участь всі атоми кристала і усуспільнені електрони не локалізуються поблизу своїх атомів, а вільно переміщаються всередині всієї решітки, утворюючи електронну хмару. Останнє надає «цементуючу» дію на кристал, об'єднуючи в єдину систему всю сукупність однойменно заряджених іонів.

Під впливом двох протилежних сил: «стягуючої» дії колективізованих електронів і сил відштовхування між іонами - останні фіксуються на деякій рівноважній відстані один від одного, відповідній мінімуму потенційної енергії системи. Металеві зв'язки є ненасиченими і ненаправленими. Відсутність спрямованості зв'язків експериментально підтверджується рівномірним розподілом заряду валентних електронів за обсягом металевих кристалів. Про відсутність насичення зв'язків в металі свідчить той факт, що число зв'язків у кожного атома істотно перевищує число валентних електронів. Крім того, атоми металів мають здатність утворювати тверді розчини великої концентрації з елементами самої різної валентності.

2. Що розуміють під істинною і термодинамічною роботами виходу електронів з металу?

Емісія електронів з металу може спостерігатися при певних умовах. Залишити метал можуть вільні електрони, якщо їм надати енергію, достатню для подолання електричних сил, що перешкоджають виходу. Виникнення цих сил пов'язано з наступними причинами. Над поверхнею металу постійно існує хмарка негативного заряду, яка утворюється за рахунок електронів, що перетнули поверхню металу та віддаляються на відстань порядку постійної гратки і повертаються назад. Цей негативний заряд над поверхнею металу та позитивний заряд поверхневих іонів створюють подвійний електричний шар, який своїм полем затримує рух електронів від металу. Електрон, який вийшов за межі металу, викликає появу на поверхні зразку додатного індукованого заряду, звідки між електроном та зразком виникає сила притягання, що перешкоджає віддаленню електронів. Величину цієї сили можна розрахувати за методом дзеркальних зображень. Тому цю силу називають силою дзеркального зображення. Сили дзеркального зображення та поле подвійного електричного шару утримують вільний електрон у металі, і робота проти цих сил являє висоту потенціального бар'єра W, який потрібно подолати, щоб електрон мав можливість залишити метал.

Таким чином, вільний електрон у металі з енергетичної точки зору знаходиться у потенціальній ямі глибиною W відносно вакууму. Знаходячись всередині потенціальної ями, вільні електрони беруть участь у тепловому русі і мають кінетичну енергію. Розподіл електронів за кінетичною енергією визначається на основі квантової статистики вільних електронів у металі. При температурі Т=0 максимальна кінетична енергія, яку можуть мати електрони,- енергія Фермі е_F - менше глибини потенціальної ями W, тому електрони не можуть залишити метал. Для подолання потенціального бар'єра W метал-вакуум високоенергетичним електронам, які знаходяться на рівні енергії Фермі, потрібно надати додаткову енергію W - е_F. Ця різниця між висотою потенціального бар'єра W та енергією Фермі е_F називається роботою виходу електрона:

A = W - е_F = е

Робота виходу записується тут як е, де - потенціал електричного поля, що заважає виходу електрона з металу; походження його розглядалось вище. Величина роботи виходу різна для різних матеріалів. Для здійснення емісії електронів додаткова енергія може бути надана різними способами:

- при зовнішньому фотоефекті за рахунок енергії світлових квантів, що поглинаються електронами;

- при вторинній електронній емісії - за рахунок електронів та іонів, що вдаряються об поверхню матеріалу та потрапляють всередину його.

Термодинамічна робота виходу електрона з напівпровідника залежить від температури, виду і концентрації домішки. Pобота виходу електронів з діркового напівпровідника перевершує роботу виходу з електронного напівпровідника майже на ширину забороненої зони. При термоелектронній емісії ця енергія передається електронами за рахунок теплової енергії тіла. Зі збільшення температури змінюється характер розподілу електронів за енергією. При достатньо високій температурі з'являється певна кількість електронів в енергетичних станах, енергія яких перевищує висоту бар'єра. Ці електрони можуть взяти участь в емісії.

3. Яку будову мають ендоедральні фулерени? Вкажіть можливі області їх застосування

Центральне місце серед фулеренів займає С60, який характеризується найбільш високою симетрією і, як наслідок, найбільшою стабільністю. У цій молекулі, що нагадує покришку футбольного м'яча, і що має структуру правильного усіченого ікосаедра атоми вуглецю розташовуються на сферичної поверхні у вершинах 20 правильних шестикутників і 12 правильних п'ятикутників. Так що кожен шестикутник межує з трьома шестикутниками і трьома п'ятикутниками, а кожен п'ятикутник - з п'ятьма шестикутниками. Ця фігура високосимметрічная: у неї існує шість осей п'ятого порядку, що проходять через дванадцять протилежно що лежать попарно п'ятикутників, десять осей третього порядку, що проходять через двадцять протилежно що лежать шестикутників, 30 осей другого порядку, що проходять через протилежно що лежать шістдесят ребер шестикутник-шестикутник, 30 осей другого порядку, що проходять через всі протилежні шістдесят вершин фігури. Існує також кілька типів площин симетрії п'ятого, третього і другого порядків.

Структура фулерита дає можливість синтезувати молекули, усередині яких укладено один або декілька атомів або молекул. Це ґрунтується на тому, що розмір внутрішньої порожнини в молекулах фуллеренів (близько 0,7 нм) значно перевищує характерний ефективний діаметр атомів і найпростіших молекул (0,1...0,4 нм). Молекули фуллеренів, всередину яких укладено один або декілька атомних частинок (атомів або молекул), отримали назву ендоедральних сполук (або ендоедралів). Якщо в молекулу фуллерена вводяться атоми металу, то такі ендоедральні комплекси називають металофулеренами. Щоб тримати макроскопічну кількість ендоедральних сполук проводять синтез фулеренів методом електродуги в поєднанні з їх подальшим очищенням.

Це дозволило використовувати для їх дослідження оптичну, електронну спектроскопії, спектроскопію комбінаційного розсіяння, електронну і рентгенівську дифрактометрії і ін. В результаті цих досліджень встановлений факт існування і хімічної стабільності широкого класу ендоедральних сполук, визначені особливості їх структури, їх електричні, оптичні і механічні характеристики. Це дозволяє розглядати ендоедральні фулерени як новий, достатньо широкий клас молекулярних наноструктур. До теперішнього часу накопичений значний об'єм інформації про ендоедральні сполуки фуллеренов. Список елементів, атоми яких вдалося впровадити всередину фулерена, включає значну частину Періодичної таблиці.

Отримані унікальні дані про зарядний стан цих атомів, про точне геометричне положення і характер коливального руху атомів усередині фулерена, про тип їх хімічного зв'язку з атомами вуглецю в молекулі. Разом з цим отримані дані про властивості ендоедральних фулеренів в конденсуючому стані (фулеритів). Встановлено, що деякі молекули ендоедральних металлофулеренів, завдяки значному зсуву положення атома металу щодо центру молекули, володіють достатньо великим дипольним моментом, що визначає характер міжмолекулярної взаємодії в кристалі. Це, у свою чергу, є причиною впорядкованого розташування ендоедральних молекул в кристалі, обумовлює спонтанну електричну поляризацию таких кристалів і, як наслідок, їх сегнетоелектричні властивості. Електронна структура більшості ендоедральних метало-фулеренів така, що всі або частина валентних електронів атома металу, що знаходиться усередині фулерена, переходять на зовнішню поверхню молекули фулерена, заповнюючи наявні електронні вакансії.

В результаті молекули ендоедральних фулеренів набирають особливих хімічних властивостей, які відрізняються від відповідних характеристик як порожнистих фулеренів, так і ізольованих атомів металу. Наявність на зовнішній оболонці молекул ендоедральних фулеренів слабозв'язанихх електронів додає цим молекулам якості сильного відновника і обумовлює можливість їх участі в різних хімічних реакціях, що приводять до приєднання до них різноманітних атомів, молекул або радикалів, що, відповідіно, приводить до зміни фізико-хімічних властивостей ендоедральных сполук.

Размещено на Allbest.ru