谁清楚镓的特性物理化学特性的

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-01-16 19:29 标签： 镓的特性
材料：l875年法国化学家布瓦博德朗公布了他发现的新元素镓（元素符号为Ga）的性质镓是银白色金属，密度4.7g?cm-3能与沸水剧烈反应生成氢气和氢氧化镓．镓的特性原子结构礻意图如右，常见化合价为+3．
（1）镓元素的质子数为______其原子最外层电子数为______；镓元素位于元素周期表的第______周期．
（2）请根据上述材料，總结金属镓的特性有关知识：
化学性质（请用化学方程式表示）：______；
（3）氢氧化镓具有碱的性质则氢氧化镓与稀硫酸反应生成盐的化学式为______．
（1）由镓的特性原子结构示意图可知：镓元素的质子数为31，其原子最外层电子数为3；其电子层数为4故镓元素位于元素周期表的第㈣周期．
（2）请根据上述材料，总结金属镓的特性有关知识：
物理性质：银白色金属密度为4.7g?cm-3；
化学性质（请用化学方程式表示）：“能与沸水剧烈反应生成氢气和氢氧化镓”，因为镓元素原子最外层电子数为3则其化合价为+3价；故2Ga+6H2O=2Ga（OH）3+3H2↑；
（3）用知识迁移类推的方法，書写氢氧化镓与稀硫酸反应生成盐的化学式．因为镓元素原子最外层电子数为3则其化合价为+3价；则氢氧化镓类比氢氧化铝，而氢氧化铝與硫酸反应化学方程式为：3H2SO4+2Al（OH）3=Al2（SO4）3+6H2O．故可书写氢氧化镓与稀硫酸反应的化学方程式3H2SO4+2Ga（OH）3=Ga2（SO4）3+6H2O．故氢氧化镓具有碱的性质，则氢氧化镓與稀硫酸反应生成盐的化学式为
（1）由镓的特性原子结构示意图可知：核内质子数=核外电子数则可知镓元素的质子数、最外层电子数；根据电子层数，可知其周期数；
（2）物理性质是指物质不需要发生化学变化就表现出来的性质．化学性质是指物质在化学变化中表现出来嘚性质．而化学变化的本质特征是变化中有新物质生成由题意，可知其物理性质和化学性质；
（3）用知识迁移类推的方法书写氢氧化鎵与稀硫酸反应生成盐的化学式．因为镓元素原子最外层电子数为3，则其化合价为+3价；则氢氧化镓类比氢氧化铝而氢氧化铝与硫酸反应嘚化学方程式为：3H2SO4+2Al（OH）3=Al2（SO4）3+6H2O．故可书写氢氧化镓与稀硫酸反应的化学方程式．
本题考查了地球的形状。
了解分子、原子、离子、元素与物質之间的关系；了解常见元素和原子团的化合价；周围物理性质和化学性质的差别及其应用．

近日美国佐治亚理工学院领导嘚研究团队展开的一项新研究，揭开了钙钛矿“杂化半导体”材料背后隐藏的量子物理学奥秘

半导体光电器件，将“光”和“电”这两種物理量联系起来使“光”和“电”互相转化。它们能将电能转化为光能例如LED；反之亦然，它们也能将光能转化为电能例如太阳能電池。

在半导体工业中光电器件扮演着非常重要的角色。在现代社会中硅基光电器件几乎无处不在。然而传统的硅基光电半导体器件，在性能、效率、成本、柔性等方面都受到了限制因此，科学家们正在积极探索新型半导体材料例如氮化镓、氧化镓、碳化硅等。這也意味着新一代半导体材料正在崭露头角。

近年来一种称为“钙钛矿”的材料受到了各国科学家的普遍追捧。它具有特殊的稳定结構有利于缺陷的扩散迁移，因此具备了电催化性、吸光性等优秀的物理化学特性正如笔者之前介绍的，钙钛矿材料已经在LED灯、太阳能電池等光电器件中得到了应用它有望再一次改变照明技术与光伏技术。

钙钛矿LED（图片来源：美国化学会）

钙钛矿太阳能电池（图片来源：UNIST）

近日美国佐治亚理工学院领导的研究团队展开的一项新研究，揭开了钙钛矿“杂化半导体”材料背后隐藏的“违背经典”的量子物悝学奥秘

下图所示：在佐治亚理工学院 Carlos Silva 的实验室中，可见光范围内的激光用于测试材料中的量子特性

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

研究团队包括了来自比利时蒙斯埃诺大学、意大利理工学院的研究人员。2019年1月14日相关研究成果发表在《自然材料（Nature Materials）》期刊上。这项研究得到了美国国家科学基金会、欧盟地平线2020计划、加拿大自然科学与工程研究委员会、魁北克研究基金会、比利时联邦科学政策办公室的資助

佐治亚理工学院化学与生物化学学院的教授 Carlos Silva 与来自佐治亚理工学院和意大利理工学院的 Ajay Ram Srimath Kandada 一起领导了这项研究。

下图所示：Carlos Silva（左）与研究生助理 Félix Thouin 正在检查处理可见光范围的激光的装置该装置用于测试卤化物有机-无机钙钛矿中的量子特性。

（图片来源：佐治亚理工学院 / Rob Felt）

美国佐治亚理工学院研究人员领导的物理化学家团队称这些新兴的所谓“杂化半导体”与他们的前辈们相比，就像“芭蕾舞”与“開合跳”相比在这种新兴材料中，旋转的量子粒子波动起伏如同一群芭蕾舞者，娴熟地制造出令人羡慕的光电特性然而，相同的特性却无法在现有的半导体中实现

粒子运动着通过这些新材料，也使得材料本身参与到量子作用中来类似于芭蕾舞者让舞池与他们共舞。研究人员们测量材料中由于“舞蹈”引起的波形图案并将这些波形与“新兴材料的量子特性”以及“引入材料的能量”相互关联起来。

这些新兴材料容纳着各种各样“违背经典”的量子粒子运动（如同芭蕾舞者）这种能力直接与其分子级别超乎寻常的“柔性”相关，洳同舞池也参与到舞蹈之中相比而言，现有的半导体的刚性、刻板的分子结构使其无法参与量子粒子的舞蹈。

研究人员们研究的这一類杂化半导体称为“卤化物有机-无机钙钛矿（HOIP）”。这种半导体将一种晶体结构（半导体中普遍采用）与一层创新的柔性材料相结合

Silva 表示：“一个令人信服的优势就是，HOIP 可于低温条件下在溶液中加工生成制造它所需的能量更少，且可大批量生产”

一般来说，大多数嘚半导体需要在高温条件下才能少量地制造出来而且这些半导体是刚性的，无法应用到表面上但是，HOIP 被涂在表面上制造出LED、激光器，或者甚至是发出从海蓝色到紫红色的各种颜色光线的玻璃窗采用HOIP 照明，不仅所需的能量很少而且也能让太阳电池板的制造商提升光伏效率以及降低生产成本。

光电子器件中的半导体可以将光线转化为电力也可以将电力转化为光线。然而研究人员集中精力研究了与後者（发光）相关的工艺。

让材料发光的玄机在于：泛泛地说向材料中的电子施加能量，使其从围绕原子的轨道上产生量子跃迁然后當它们跳回到之前空出的轨道上时，会以光的形式激发出能量现有的半导体能将电子束缚在材料中的某些区域，这些区域严格限制了电孓运动的范围然后向这些区域施加能量会使得电子们一起产生量子跃迁，当它们一起跳回来的时候就会发出有用的光线。

Silva 表示：“这些就是量子阱材料中的二维部分，限制这些量子特性从而创造出这些特殊的发光特性。”

这种杂化半导体拥有一种更有魅力的制造光線的方法这也是它的核心竞争力。

电子具有负电荷电子受能量激发后脱离原有轨道，原有轨道就变成了正电荷也就是所谓的“空穴”。电子与空穴围绕着彼此旋转形成了一种所谓的“虚粒子”或者说“准粒子”，称为“激子”（笔者在先前的文章中对于激子有过更加形象具体的介绍）

Silva表示：“激子中的正负吸引称为‘结合能’，这是一种非常高能的现象对发光很有利。”

当电子与空穴再次结合時结合能就会被释放出来，从而产生光线但是，通常来说激子在半导体中非常难以得到保持。

Silva 表示：“传统半导体中的激子属性呮有在极冷的温度条件下，才是稳定的但是在HOIP 中，激子属性在室温条件下就非常稳定”

激子从它们的原子中释放出来，并在材料中到處自由运动此外，HOIP 中的激子能够绕着其他激子旋转形成了一种准粒子，它称为“双激子”然而，其中形成的准粒子不仅仅是双激子

在材料晶格中，激子也会绕着原子旋转如同电子与空穴形成激子，这种激子绕着原子核旋转产生了另外一种准粒子，它称为“极化孓”所有这些作用会导致激子变回“极化子”。甚至可以说某些激子呈现出“极化子”的微妙变化。

所有这些动态变化组合成了一个倳实：HOPI 充满了阳离子与阴离子这些量子舞蹈的华丽之处在于，它们对材料本身产生的总体效应

材料的原子，非同寻常地参与到电子、噭子、双激子、极化子的舞蹈中在材料中创造出重复的纳米缺口，它能以波形图案的形式被观察到而且会随着添加到材料中的能量变囮而产生移动和变化。

Silva 表示：“在基态中这些波形图案看上去像一种特定的样子，但是加添能量之后激子的表现发生变化。这样就改變了波形我们测量到了这一点。这项研究中的关键观测是波形随着不同类型的激子（激子、双激子、极化子/较少的极化子）而变化。”

这些缺口也抓住了激子使之在材料中的运动变慢。所有这些华丽的动态变化都将影响发光质量

这种材料“卤化物有机-无机钙钛矿”，是一种三明治结构这种三明治结构中具有两个无机晶格层，中间夹着一些有机材料使HOIP 成为一种有机无机杂化材料。量子作用就发生茬这些晶格中

中间的有机层就像一根橡皮筋，使晶格变成一个摇晃但却稳定的舞池同时，HOIP 也与许多非共价键结合在一起使得材料变嘚柔软。

单个晶体单元采用了一种所谓“钙钛矿”的形式它是一种非常均匀的菱形结构，金属原子位于中心氯或碘之类的卤素原子位於顶点，因此它是“卤化物”这项研究中，研究人员们采用了分子式为“(PEA)2PbI4”的二维原型

下图所示：HOIP（卤化物有机-无机钙钛矿）的描绘。菱形的是钙钛矿这种晶体层为量子粒子的运动提供场所。中间是有机层它主要为HOIP 贡献整体的柔性，柔性是这种新一代半导体的主要標志

（图片来源：佐治亚理工学院）

HOIP 不仅具有令人值得期待的发光与能量效率之外，而且也便于制造与应用上述的新见解，将帮助工程师们对这种新一类的半导体展开更加富有成效的研究

钙钛矿、量子、光电、激子、半导体

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