81
полупроводники, где ионность связи в кристалле значительна (
ZnS, CdS,
CdSe, PbS, Cu
2
O
) или преобладает (
AgCl
).
Современная микросхемотехника, а в последнее время и
наноструктуры, строятся на чередующихся слоях (тонких пленках)
полупроводников
p-
и
n
-
типов, образующих так называемые
гетеропереходы, что позволяет создавать диоды, транзисторы, вентили с
требуемыми свойствами.
3.7. Молекулярные и жидкие кристаллы
Конденсированное состояние вещества может быть обеспечено не
только силами ионной, ковалентной или металлической связи. У целого ряда
веществ в твердом и жидком состояния связь между структурными
единицами обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия (см.
разд. 2.6).
Газообразные или жидкие в стандартных условиях вещества при
понижении температуры или возрастании давления способны в
определенный момент переходить в то или иное конденсированное
состояние. Так, газообразный хлор при 239 К сжижается, а при 172 К
становятся твердым, хлористый водород испытывает подобные же
превращения при 188 К и 158 К, инертный газ неон – при 27 К и 24 К.
Общеизвестны фазовые переходы воды при 373 К и 273 К. Легкоплавкость
этих и подобных веществ свидетельствует о малых энергиях
кристаллической решетки. Действительно, эти энергии не превышают в
большинстве случаев 50 кДж/моль, что более чем на порядок ниже, чем для
рассмотренных ранее типов кристаллов.
82
Строение молекулярных кристаллов
Межмолекулярные связи типа Ван-дер-Ваальсовых являются слабыми,
среди них различают диполь-дипольные взаимодействия, как у хлористого
водорода; диполь-индуцированный диполь – для смеси полярных и неполяр-
ных веществ; дисперсионные – это взаимодействия мгновенных диполей,
как, например, у хлора, инертных газов и т.п.; водородные связи, как у воды,
фтористого водорода и др.
Структурными единицами в молекулярных кристаллах являются
молекулы с целиком заполненными молекулярными орбиталями. Если форма
молекулы более или менее близка к шарообразной (как у инертных газов),
наблюдаемые кристаллические структуры соответствуют плотнейшим
упаковкам – типа ПГУ или ПКУ. Несферические частицы дают искаженные
структуры более низкой категории симметрии: хлор, бром, йод
кристаллизуются в тетрагональной гранецентрированной решетке.
Некоторыми особенностями структуры обладают вещества с
водородными связями. Благодаря сильному электростатическому полю,
создаваемому не экранированным другими электронами ядром атома
водорода (протоном), энергия связи в таких веществах, как вода, фтористый
водород, уксусная и муравьиная кислоты, оказывается в несколько раз выше,
чем в других молекулярных веществах. Благодаря водородной связи, в
жидком состоянии могут образовываться устойчивые агрегаты из двух и
более молекул (димеры в муравьиной и уксусной кислотах), цепочечные
соединения (жидкий фтористый водород) и др.
Особый интерес представляет структура воды. Молекула воды имеет
уголковую форму, причем угол составляет примерно 104°30', эта величина
близка к углу между связями в тетраэдрической решетке (109°28').
Действительно, кристаллическая решетка льда является тетраэдрической (см.
рис.38).
Кислород как сильно электроотрицательный элемент оттягивает на
себя электронную плотность, заряжаясь отрицательно, а атомы водорода
сосредоточивают около себя значительный положительный заряд, поле
которого обуславливает водородную связь в кристалле. Образуется слабо
искаженная тетраэдрическая решетка с координационным числом K = 4,
причем энергия решетки существенно выше по сравнению с другими
молекулярными кристаллами и достигает 130 кДж/моль и более. Таким
образом, естествоиспытатели древности были в определенном смысле не так
уж далеки от истины, когда говорили о единой природе горного хрусталя и
льда: слова “хрусталь” и “кристалл” происходят от греческого слова “крио” –
“холод, мороз”. Современной наукой однозначно установлена тетра-
эдрическая структура как одного, так и другого из названных выше веществ.
В жидкой воде даже при 363 К около 80% связей между молекулами воды
остаются неразорванными, так что области с ближним порядком в воде
достаточно обширны. Остаточной тетраэдрической структурой объясняются
|