Природа углеродной связи

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Основные электрические и оптические свойства кристаллов определяются особенностями валентной зоны и зоны проводимости, а также энергетическим промежутком DEg между этими зонами – запрещенной зоной. Если запрещенная зона отсутствует (DEg = 0), то вещество относится к металлам (проводникам). К металлам относятся и такие вещества, для которых DEg > 0, но не все квантовые состояния валентной зоны заняты электронами. У непроводников (диэлектриков и полупроводников) DEg > 0, квантовые состояния валентной зоны при Т = 0 полностью заняты электронами, а зона проводимости их не содержит.

Лазеры на двойных гетероструктурах

GaAs – узкозонный полупроводник, AlGaAs – широкозонный. При прямом смещении в активный слой (GaAs) инжектируются электроны из n -AlGaAs и дырки из p -AlGaAs (двойная инжекция). Электроны и дырки не могут покинуть активный слой, так как он ограничен потенциальными барьерами, и все процессы рекомбинации идут в активном слое. Штриховкой показаны энергетические области, занятые инжектированными зарядами. При рекомбинации испускается квант э/м волны h ν = D E_g.

Показатель преломления у GaAs больше, чем у AlGaAs. Поэтому свет идет по активному слою как по волноводу, за счет эффекта полного внутреннего отражения значительной части индуцированных фотонов. Волноводный эффект обеспечивает направленность лазерного луча.

Если активный слой является квантовой ямой, то инжектированные электроны и дырки располагаются на размерных энергетических уровнях. Рекомбинационные переходы дают излучение

h ν = D E_g +D E_C₁ +D E_V₁.

Преимущества лазеров на квантовых ямах:

возможность перестройки частоты излучения изменением толщины активного слоя d (с уменьшением d увеличиваются расстояния от краев зон до первых размерных уровней, увеличивается и частота излучения);
снижение порогового тока (тока, при котором начинается лазерная генерация);
более слабая температурная зависимость порогового тока;
большее дифференциальное усиление.

В лазерах на квантовых точках пороговый ток уменьшается еще значительнее и становится температурно независимым.

Кристаллическая решетка натрия является кубической с параметром a ≈ 0.43 нм. r – межатомное расстояние. При r=a состояния 3s и 3p расщепляются и образуют энергетические зоны. Электрон может иметь энергии, соответствующие этим зонам. Такие зоны называются разрешенными. Разрешенная зона, в которой находятся валентные электроны, называется валентной. Следующая, более высоко расположенная по шкале энергий, разрешенная зона обычно называется зоной проводимости. Выше зоны проводимости располагаются остальные разрешенные зоны.

Если 0 < D E_g < 3 эВ, то вещество относится к полупроводникам. Для диэлектриков D E_g > 3 эВ. Это условное разделение.

Валентная зона для кристалла натрия не полностью занята электронами. Самый верхний энергетический уровень (E_F), который в металлах (при Т = 0) занят электроном, называется уровнем Ферми. Если привести в соприкосновение два кристалла с различными уровнями Ферми, то электроны будут «перетекать» из одного кристалла в другой до тех пор, пока не выровняются уровни Ферми.

Новые аллотропные модификации углерода:

Уникальная природа углеродной связи позволяет углероду образовывать интересные и перспективные для нанотехнологий наноструктуры, например углеродные нанотрубки (УНТ).

Среди огромного числа известных сегодня молекул наибольшим разнообразием отличаются молекулы соединений углерода – органические. Уникальная особенность углерода состоит в том, что его атомы объединяются в цепочки повторяющихся звеньев различной длины. Атомы углерода, образующие органические соединения, могут находиться в трех структурных состояниях:

тетраэдрическое, в котором атом углерода находится как бы в центре тетраэдра, а его связи с другими атомами направлены к вершинам тетраэдра;
тригональное – связи атома углерода направлены от центра плоского треугольника к его вершинам;
линейное – все три атома - углерода и двух связанных с ним, лежат на одной прямой

Поскольку в подавляющем числе органических соединений валентность углерода равна четырем, тригональные состояния проявляются в молекулах с двойными связями углерод-углерод, а линейные – в молекулах с тройными связями.

Эти структурные особенности молекул соединений углерода могут быть объяснены, исходя из свойств их электронной структуры. Сегодня геометрическая конфигурация ядер сравнительно больших органических молекул может быть определена с точностью эксперимента решением уравнения Шредингера. Но это — трудоемкий и дорогостоящий путь. Поэтому еще в 30-е гг. прошлого века, когда расчетные квантовомеханические методы находились в зачаточном состоянии, известный химик-теоретик Полинг предложил полуэмпирический метод объяснения. Исходя из экспериментально установленных вариантов расположения связей атома углерода, он предложил в качестве объяснения принцип гибридизации атомных орбиталей.

Как известно, валентные электроны атома углерода находятся на атомных 2 s - и 2 р -орбиталях. 2 s -орбитали имеют сферическую симметрию, а 2 р -орбитали располагаются в пространстве перпендикулярно друг другу. Поскольку линейные комбинации решений уравнения Шредингера являются также его решениями, Полинг ввел понятие гибридных орбиталей — линейных комбинаций s - и р -орбиталей атома углерода. Если при этом наложить на эти комбинации симметрийные ограничения, то оказывается, что они правильно описывают пространственное расположение связей атома углерода. Учет симметрийных принципов показал, что в случае тетраэдрической симметрии во все четыре гибридные орбитали входят s - и все р -орбитали углерода. Этот вариант называют sр ³-гибридизацией. Тригональные (sр ²) и линейные (sр) гибридные орбитали в соответствии с симметрийными требованиями должны строиться из s - и двух р -, и s - и одной р -орбиталей соответственно. Т.о., остаются не вошедшие в гибридные – одна р -орбиталь в случае sр ²-гибридизации и две р -орбитали в случае sр -гибридизации. Их перекрыванием Полинг объяснил образование двойных и тройных связей углерод–углерод.