Question

3．2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的貢獻(xiàn)是發(fā)明了一種高效而環(huán)保的光源--藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）．某同學(xué)對此非常感興趣，請你幫助某同學(xué)完成資料收集的工作．
（一）LED研究起始于對碳化硅晶體的研究．1907年，英國科學(xué)家Henry Joseph Round發(fā)現(xiàn)在施加電流時(shí)能夠在碳化硅晶體中發(fā)現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象．
（1）碳化硅晶體屬于原子晶體．
（2）碳化硅的晶胞結(jié)構(gòu)與金剛石的相似，在碳化硅晶體中，碳原子所連接最小的環(huán)由3個(gè)碳原子和3個(gè)硅原子組成，每個(gè)碳原子連接12個(gè)這樣的環(huán)．
（3）碳化硅中，碳原子采取sp³雜化方式，與周圍的硅原子形成的鍵角為109°28’．
（4）請結(jié)合原子結(jié)構(gòu)的知識解釋發(fā)光的原因：電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，以光的形式釋放能量．
（二）準(zhǔn)現(xiàn)代LED．1962年，GE公司使用磷砷化鎵（GaAs_xP_1-x）材料制成了紅色發(fā)光二極管．這是第一顆可見光LED，被視為現(xiàn)代LED之祖．隨后又出現(xiàn)了綠色LED磷化鎵（GaP）和黃色LED碳化硅，使光譜拓展到橙光、黃光和綠光．
（5）鎵在元素周期表的位置是第四周期ⅢA族，其基態(tài)原子的價(jià)電子排布式為4s²4p¹．
（6）人們發(fā)現(xiàn)在磷砷化鎵或磷化鎵中摻雜氮（利用氮代替磷或砷的位置），可以提高其發(fā)光效率．其原因不可能為BC（多選）．
A、氮的半徑比磷和砷的半徑小，用氮代替部分磷或砷的位置不會(huì)影響晶體的構(gòu)型．
B、N的第一電離能大于磷和砷，容易失去電子，發(fā)生電子躍遷．
C、N的電負(fù)性大，摻雜后得到的位置中存在氫鍵．
D、N是與砷、磷具有相同價(jià)電子結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)，但對電子束縛能力較磷和砷強(qiáng)，造成等電子陷阱．
（三）1993年，中村修二等人開發(fā)出首個(gè)明亮藍(lán)光的氮化鎵LED．憑借此成就，他獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．
（7）為測試氮化鎵綠色LED光強(qiáng)與電流的關(guān)系，得到如圖，從圖中你能得到規(guī)律其他條件相同時(shí)，當(dāng)電流小于153.0 mA時(shí)，氮化鎵綠色LED光強(qiáng)隨著電流的增加而增強(qiáng)，當(dāng)電流大于153.0 mA時(shí)，光強(qiáng)隨著電流的增強(qiáng)而減弱（寫一條即可）

Answer 1

分析 （1）碳化硅晶體屬于原子晶體；
（2）金剛石晶體中，碳原子所連接最小的環(huán)含有6個(gè)碳原子，碳化硅晶體中最小的環(huán)含有6個(gè)原子，且C、Si原子數(shù)目之比為1：1；
每個(gè)C原子形成4個(gè)C-Si鍵，任意2個(gè)C-Si決定2個(gè)六元環(huán)，4個(gè)C-Si鍵有6種組合；
（3）碳化硅中，碳原子形成4個(gè)C-Si鍵，雜化軌道數(shù)目為4，C原子與周圍的4個(gè)Si原子形成正四面體結(jié)構(gòu)；
（4）電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，以光的形式釋放能量；
（5）鎵在元素周期表的位置是：第四周期ⅢA族；
（6）第一電離能越大，越不容易失去電子，磷砷化鎵或磷化鎵中沒有H原子，摻雜N原子不能形成氫鍵；
（7）由圖可知，其他條件相同時(shí)，當(dāng)電流小于153.0 mA時(shí)，氮化鎵綠色LED光強(qiáng)隨著電流的增加而增強(qiáng)，當(dāng)電流大于153.0 mA時(shí)，光強(qiáng)隨著電流的增強(qiáng)而減弱．

解答 解：（1）碳化硅晶體屬于原子晶體，故答案為：原子；
（2）金剛石晶體中，碳原子所連接最小的環(huán)含有6個(gè)碳原子，碳化硅晶體中最小的環(huán)含有6個(gè)原子，且C、Si原子數(shù)目之比為1：1，則在碳化硅晶體中，碳原子所連接最小的環(huán)由3個(gè)碳原子和3個(gè)硅原子組成，每個(gè)C原子形成4個(gè)C-Si鍵，任意2個(gè)C-Si決定2個(gè)六元環(huán)，4個(gè)C-Si鍵有6種組合，所以每個(gè)碳原子連接2×6=12 個(gè)這樣的環(huán)，
故答案為：3；3；12；
（3）碳化硅中，碳原子形成4個(gè)C-Si鍵，雜化軌道數(shù)目為4，C原子采取sp³雜化，C原子與周圍的4個(gè)Si原子形成正四面體結(jié)構(gòu)，鍵角為：109°28’，
故答案為：sp³；109°28’；
（4）電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，以光的形式釋放能量，
故答案為：電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時(shí)，以光的形式釋放能量；
（5）鎵在元素周期表的位置是：第四周期ⅢA族，其基態(tài)原子的價(jià)電子排布式為4s²4p¹，
故答案為：第四周期ⅢA族；4s²4p¹；
（6）A．氮的半徑比磷和砷的半徑小，用氮代替部分磷或砷的位置不會(huì)影響晶體的構(gòu)型，可能正確；
B．N的第一電離能大于磷和砷，不容易失去電子，故不可能正確；
C．磷砷化鎵或磷化鎵中沒有H原子，摻雜N原子不能形成氫鍵，不可能正確；
N的電負(fù)性大，摻雜后得到的位置中存在氫鍵．
D．N是與砷、磷具有相同價(jià)電子結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)，N引導(dǎo)電負(fù)性較大，但對電子束縛能力較磷和砷強(qiáng)，造成等電子陷阱，可能正確，
故選：BC；
（7）由圖可知，其他條件相同時(shí)，當(dāng)電流小于153.0 mA時(shí)，氮化鎵綠色LED光強(qiáng)隨著電流的增加而增強(qiáng)，當(dāng)電流大于153.0 mA時(shí)，光強(qiáng)隨著電流的增強(qiáng)而減弱，
故答案為：其他條件相同時(shí)，當(dāng)電流小于153.0 mA時(shí)，氮化鎵綠色LED光強(qiáng)隨著電流的增加而增強(qiáng)，當(dāng)電流大于153.0 mA時(shí)，光強(qiáng)隨著電流的增強(qiáng)而減弱．

點(diǎn)評 本題考查晶胞結(jié)構(gòu)、雜化方式、結(jié)構(gòu)與位置關(guān)系等，屬于拼合型題目，（6）中為易錯(cuò)點(diǎn)、難點(diǎn)，注意利用排除法解答．