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1、第7章 金属键与金属及半导体、绝缘体的颜色,7.1 金属键与金属的颜色 7.1.1金属键和能带理论简介 1.金属键: 使金属原子结合成金属晶体的化学键.无方向性,无饱和性,其强度由金属的原子化热衡量. 自由电子的胶合作用,使球形的金属原子做紧密堆积,形成能量较低的稳定体系.,2.能带理论 满带:被电子充满的能带; 空带:没有电子填充的能带; 导带:被电子部分填充的能带; 不同金属元素和不同的原子轨道构成的能带宽度不同. 能带间隙的大小决定该物质是导体、半导体、绝缘体。,7.1.2金属的颜色,极强的吸收得到了很高的反射率(表面光滑),因而产生了金属的光泽. 金属的态密度图与金属的颜色 决定了金属
2、的光谱在不同区域有不同的吸收状态,产生不同的颜色 金属锂的态密度图近似抛物线形状.,不同金属与合金颜色变化的原因是由于吸收系数k随波长而变化. (1)铁和铜的颜色 Fe 3d64s2, 4s已满，光照无明显变化，3d未满，会发生符合选择定则的跃迁。3d的态密度随能量增加只在小范围内往复变化，高于Fermi面部分随能量增加变化不大。 铁对所有波长的光吸收都不完全，即吸收系数随波长变化不大，呈现灰色。,Cu 3d104s1，3d满而4s不满。4s轨道在高于Fermi能级出现态密度随能量增加而变小的状态，意味着在较高能级中发生跃迁的电子数没有低能级多，即对光的吸收减少，反射率也降低。 光谱的蓝端能量
3、高于红端，铜对蓝紫光的吸收和反射弱于对红黄光的吸收和反射，即吸收系数k对不同波长的光变化较大。 对蓝紫光的部分吸收给出其补色，故金属铜是浅红带黄的颜色,(2)银的颜色与光泽 对所有波长的光都有很高的反射率银白色； 只是光谱紫端反射率稍小，很少的吸收产生淡黄的暖光泽。,(3)黄金的反射色与透射色 Au 5d106s1, s轨道不满,与铜类似,光谱紫端有比铜更小的反射率,比铜在更小波长范围内较弱的吸收给出其补色黄色。 金在光谱红端反射最强(吸收也最强),在紫端应有较强的透射.若打成厚度小于100nm (比可见光380700nm的波长还小)的薄片,能观察到因光的透射而呈现的稍带淡蓝的绿色. 观察到的
4、透射色从另一个角度说明了吸收和反射的存在.,7.1.5合金的颜色,合金一般具有一定的金属性能，根据组成合金的金属的结构和性质，可分为： 金属固熔体 金属化合物 金属间隙化合物或金属间隙固熔体 根据共熔比例，金属固熔体可产生居间颜色； 大多数合金系统出现新的晶体结构，其态密度图及颜色发生特殊变化。,黄金：黄色，质软加入不同金属，产生多种颜色 加入银与铜的混合物，不改变颜色，却可增加硬度，降低成本，即K金； 加入25%的银产生绿色； 加入25%的铜，产生红色； 加入适量钯或铜、锌混合物，白金； （是白色K金，千万别当作铂金！） 加入少量铁，产生蓝色； 加入铝产生绛紫色。,7.1.6具有类金属外观的
5、物质的颜色,物质具有类似金属中电子的行为,会产生类似金属外观的颜色. 黄铁矿:铁的4s和3d轨道与硫的sp3杂化轨道叠加的分子轨道形成类似金属的能带,在光谱的紫端因减少了吸收形成了黄色. 石墨:离域电子产生强的类金属反射,可导电. 聚二乙炔:可观察到金属金与铜的颜色,导电性差(不能形成长的离域键),7.2绝缘体与半导体的颜色,7.2.1能带间隙与绝缘体、半导体的颜色 绝缘体只有满带和空带，带隙Eg5eV， 半导体也只有满带和空带，带隙Eg3eV 例禁带宽度 硅(Si):1.1eV, 锗( Ge):0.72eV, 砷化铗GaAs:1.4eV 金刚石: 5.4eV,无色 硫化镉(CdS):2.6e
6、V,镉橙(Cd4SSe3):2.3eV,7.2.2杂质对带隙的影响及相关颜色,金刚石中含有少量杂质,会产生奇妙的颜色变化 1.“氮施主”的影响 每引入一个氮原子,增加了一个多余的电子. 这些电子在带隙里形成分立的能级,由于热运动,表现为一个增宽的带,大于2.2eV的能量可激发电子到空带,产生蓝与紫光的吸收 含十万分之一的氮的金刚石 呈黄色.,2.“硼受主”的影响 每引入一个硼原子,因缺少一个电子而产生一个空穴. 空穴可接受从满带中激发来的电子,能级仅为0.4eV,也形成一个增宽的带,能吸收任何能量的光(很低的能量都可使电子进入空穴). 每百万分之一的硼,可使金刚石呈现诱人的蓝色,十分稀有. 室温下的热激发使电子从满带进入硼受主的能级,在满带中留下空穴,使含硼的金刚石有一定的电导率.,
