2. Типы связей мевду ионами в твёрдых телах [3]

Известны следующие типы связей в твердых телах: металли­ческая, ковалентная, ионная, водородная и другие. В большинстве диэлектриков связь, как правило, комбинированная - ионно-ковалент­ная. Этот тип связи типичен для большинства полупроводников и ма­териалов, используемых для создания ВОЛС.

2. Ионы и ионная связь в молекулах

Известно, что электронейтральный этом, присоединивший к своей электронной оболочке один или более электронов, превращается в отрицательный ион.

Атом, отдавший из оболочки электроны, превращается в поло­жительный ион. В качестве примера ионной связи рассмотрим взаимо­действие ионов в молекуле сульфида кадмия (CdS ).

В процессе образования молекулы, атом Cd ⁰ отдает 2 своих валентных электрона атому S ⁰, превращаясь в положительный ион с устойчивой электронной оболочкой из 46 электронов:

Cd ⁰ - 2 Cd ²⁺ + 2 , (рис. 1.8).

Рисунок 1.8

Атом серы S ⁰, присоединяя два электрона превращается в отрицательный ион с устойчивой оболочкой из 18 электронов:

S ⁰ + 2 S ^2-, (рис. 1.9).

Под действием сил кулоновского притяжения положительный ион Cd ²⁺ и отрицательный ион S ^2- начинают сближаться (рис. 10 а). Сближение ионов прекращается после перекрытия их электронных обо­лочек (рис. 1.10 б), поскольку силы кулоновского отталкивания оболо­чек преобладают над силами притяжения ионов. Под действием сил отталкивания ионы расходятся до тех пор, пока электронные оболоч­ки не выйдут из состояния перекрытия. После этого снова начинает­ся сближение ионов (рис. 1.10 в), и далее процесс повторяется. Таким образом, в молекуле любого вещества ее ионы находятся в состоянии непрерыв­ного колебательного движения.

Рисунок 1.9

Рисунок 1.10

Заметим, что в большинстве случаев колебания дестабилизи­руют равновесие любой системы. В данном случае, колебания - осно­ва существования молекулы.

1.4. Ионно-ковалетный тип связи в твердых телах

В качестве примера рассмотрим ионно-ковалентный тип связи в гексагональном монокристаллическом CdS, сочетающем в се­бе свойства полупроводника и пьезодиэлектрика [4], достаточно широко применяющемся в технике современной связи и радиолокации. В гексагональном CdS каждый ион Cd находится в тетраэдрическом окружении четырех ионов серы (рис. 1.11). Поскольку вероятность захвата двух электронов, отдаваемых атомом Cd ⁰, для каждого из четырех атомов S ⁰ одинакова, валентные электро­ны становятся коллективными, т.е. плотность электронного заряда "размазывается" по четырем соседним атомам S ⁰, на долю каждо­го из которых приходится 2 : 4 = 0,5 . На условной плоской сетке такое распределение зарядов можно представить в виде рисунка 1.12.

С другой стороны, каждый ион серы находится в тетраэдрическом окружении четырех ионов кадмия (рис. 1.13). На условной плоской сетке электронные связи иона серы с ионами Cd ²⁺ можно изо­бразить так, как показано на рисунках 1.14 и 1.15. Из рисунка 14 видно, что связь иона S ^2- с четырьмя ионами Cd ²⁺ является комбинирован­ной (гибридизированной) из четырех электронных пар. На каждом ионе S ^2- замыкаются 4 связи, каждая из которых дает по 0,5 .

Поскольку положительные ионы Cd ²⁺ взаимодействуют с отрицательными ионами S ^2- посредством парных электронов, рас­смотренный тип связи носит название ионно-ковалентного.

Рисунок 1.11

Рисунок 1.12

Рисунок 1.13

Рисунок 1.14

Рисунок 1.15