Question

【題目】2014年諾貝爾物理學獎得主的貢獻是發明了一種高效而環保的光源﹣﹣藍色發光二極管（LED）．某同學對此非常感興趣，請你幫助某同學完成資料收集的工作．
（1）LED研究起始于對碳化硅晶體的研究．1907年，英國科學家Henry Joseph Round發現在施加電流時能夠在碳化硅晶體中發現發光現象． （i）碳化硅晶體屬于晶體．
（ii）碳化硅的晶胞結構與金剛石的相似，在碳化硅晶體中，碳原子所連接最小的環由個碳原子和個硅原子組成，每個碳原子連接個這樣的環．
（iii）碳化硅中，碳原子采取雜化方式，與周圍的硅原子形成的鍵角為 ．
（iv）請結合原子結構的知識解釋發光的原因： ．
（2）準現代LED．1962年，GE公司使用磷砷化鎵（GaAsxP1﹣x）材料制成了紅色發光二極管．這是第一顆可見光LED，被視為現代LED之祖．隨后又出現了綠色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． （i）鎵在元素周期表的位置是 ， 其基態原子的價電子排布式為 ．
（ii）人們發現在磷砷化鎵或磷化鎵中摻雜氮（利用氮代替磷或砷的位置），可以提高其發光效率．其原因不可能為（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影響晶體的構型．
B、N的第一電離能大于磷和砷，容易失去電子，發生電子躍遷．
C、N的電負性大，摻雜后得到的位置中存在氫鍵．
D、N是與砷、磷具有相同價電子結構的雜質，但對電子束縛能力較磷和砷強，造成等電子陷阱．
（3）1993年，中村修二等人開發出首個明亮藍光的氮化鎵LED．憑借此成就，他獲得了2014年諾貝爾物理學獎． 為測試氮化鎵綠色LED光強與電流的關系，得到如圖，從圖中你能得到規律（寫一條即可）

Answer 1

【答案】
（1）原子；3；3；12；sp3；；電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，以光的形式釋放能量
（2）第四周期ⅢA族；4s24p1；BC
（3）其他條件相同時，當電流小于153.0 mA時，氮化鎵綠色LED光強隨著電流的增加而增強，當電流大于153.0 mA時，光強隨著電流的增強而減弱
【解析】解：（1）（i）碳化硅晶體屬于原子晶體，所以答案是：原子；（ii）金剛石晶體中，碳原子所連接最小的環含有6個碳原子，碳化硅晶體中最小的環含有6個原子，且C、Si原子數目之比為1：1，則在碳化硅晶體中，碳原子所連接最小的環由3個碳原子和3個硅原子組成，每個C原子形成4個C﹣Si鍵，任意2個C﹣Si決定2個六元環，4個C﹣Si鍵有6種組合，所以每個碳原子連接2×6=12 個這樣的環，所以答案是：3；3；12；（iii）碳化硅中，碳原子形成4個C﹣Si鍵，雜化軌道數目為4，C原子采取sp3雜化，C原子與周圍的4個Si原子形成正四面體結構，鍵角為：109°28’，
所以答案是：sp3；109°28’；（iv）電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，以光的形式釋放能量，
所以答案是：電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，以光的形式釋放能量；（2）（i）鎵在元素周期表的位置是：第四周期ⅢA族，其基態原子的價電子排布式為4s24p1 ，
所以答案是：第四周期ⅢA族；4s24p1；（ii）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影響晶體的構型，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、磷具有相同價電子結構的雜質，N引導電負性較大，但對電子束縛能力較磷和砷強，造成等電子陷阱，可能正確，
故選：BC；（3）由圖可知，其他條件相同時，當電流小于153.0 mA時，氮化鎵綠色LED光強隨著電流的增加而增強，當電流大于153.0 mA時，光強隨著電流的增強而減弱，
所以答案是：其他條件相同時，當電流小于153.0 mA時，氮化鎵綠色LED光強隨著電流的增加而增強，當電流大于153.0 mA時，光強隨著電流的增強而減弱．
【考點精析】解答此題的關鍵在于理解原子晶體的相關知識，掌握相鄰原子間以共價鍵相結合而形成空間網狀結構的晶體叫原子晶體．