Mena 000; Materialer, energi og nanoteknologi Kap. Struktur og defekter Krystallinske – amorfe materialer



Yüklə 515 b.
tarix08.11.2018
ölçüsü515 b.


MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi - Kap. 7 Struktur og defekter


Krystallinske – amorfe materialer



Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten















Enhetscellen





Klassifisering av krystallstrukturer

  • 7 aksesystem (koordinatsystemer)

  • 14 bravais-gittere

  • -translatorisk periodisitet

  • 7 krystallsystem

  • -basert på symmetri

  • 32 punktgrupper

  • - basert på symmetri om et punkt

  • 230 romgrupper

  • -basert på symmetri +translasjon

  • Hermann og Mauguin symboler:

  • P (primitiv),

  • F (flatesentrert),

  • I (romsentrert),

  • A, B, C (sidesentrert)

  • R (rombohedral)



Posisjoner, retninger og plan

  • Posisjonsvektor:

    • [uvw], eks [110], [½½½]
  • Retninger:

    • [uvw] en bestemt retning
    • alle ekvivalente retninger
  • Plan:

    • (hkl) et enkelt sett med plan
    • {hkl} ekvivalente plan


Resiproke vektorer, planavstander

  • Resiprokt gitter er definert ved vektorene :

  • Reell avstand mellom plan {hkl} i kubisk krystall med gitterparameter a:





Tetteste kulepakking

  • ABABAB

    • heksagonal tettpakket
    • hexagonal close-packed (hcp)
  • ABCABC

    • heksagonalt utgangspunkt
    • men hvis den dreies 45° får vi:
    • flatesentrert kubisk struktur
    • face centered cubic (fcc)
  • Både hcp og fcc representerer tetteste mulige pakking av kuler



Andre, mindre tette kulepakkinger

  • Romsentrert kubisk

    • Body centered cubic (bcc)
  • Enkel (simpel) kubisk

    • Simple cubic (sc)
  • Lavere tetthet

  • Typisk for høyere temperaturer



Hulrom i tetteste kulepakkinger

  • Oktaederhull

    • Relativt store
    • 4 pr. enhetscelle
      • 1 pr. atom i enhetscellen
  • Tetraederhull

    • relativt små
    • 8 pr. enhetscelle
      • 2 per atom i enhetscellen


Strukturer for ioniske stoffer

  • NaCl-strukturen

    • tettpakket (fcc)
    • 6-koordinasjon
  • CsCl-strukturen

    • Mindre tettpakket
    • 8-koordinasjon


Perovskittstrukturen; ABX3

  • Tettpakking av AX3

  • B i oktaederhull i X-gitteret

  • Ionisk binding av A mot X

  • Mer kovalent binding av B mot X

  • Svært tolerant

    • CaTiO3 (perovskitt)
    • SrFeO2.5
    • La0.67TiO3 eller La2/3TiO3
    • WO3
    • Y1/3Ba2/3CuO3-x
      • YBa2Cu3O9-y
      • YBa2Cu3O7
  • Rik variasjon i egenskaper



Bestemmelse av atomstrukturer: Mikroskopi

  • Avbildning av atomstrukturen

    • Transmisjonselektronmikroskopi
      • λ=0,00251 nm ved 200 kV akselerasjon
      • Høyoppløsningsavbildning
      • Scanning-TEM
    • Sveipprobemikroskopi (SPM)
      • Spiss (med et eller flere atomer)
      • sveipes over overflaten.
      • Scanning tunneling microscopy (STM)
      • Atomic force microscopy (AFM)


Bestemmelse av strukturer: Mikroskopi



Bestemmelse av struktur: diffraksjon



Diffraksjon og avbildning i TEM



Defekter

  • Viktige for egenskaper

    • Diffusjon
    • Ledningsevne
    • Optiske egenskaper
      • etc.
  • Ønskede eller uønskede

  • Termodynamisk stabile ved T>0 K fordi de representerer uorden (entropi)

  • Nulldimensjonale

    • Punktdefekter, Klasedefekter
  • Éndimensjonale

    • Dislokasjoner, defektlinjer
  • Todimensjonale

    • Defektplan, korngrenser
  • Tredimensjonale

    • Utfellinger


Defekter i et ionisk materiale

  • Defekter på kation- og aniongitter

  • Elektriske ladninger på defektene

  • Eksempel: Kation- og anionvakans i MX (NaCl, MgO, etc.):



Null-dimensjonale defekter; notasjon

  • Punktdefekter

    • Vakanser
    • Interstitielle
    • Substitusjon
  • Elektroniske defekter

    • Delokaliserte
      • elektroner
      • hull
    • Valensdefekter
      • Fangede elektroner/hull
  • Klasedefekter

    • Assosierte punktdefekter


Punktdefekter i metaller, eks. nikkel

  • Vakanser

  • Interstitielle

  • Vakanser og interstitielle (Frenkel-defekt-par)



Defekter i en halvleder; intrinsikk ionisasjon

  • Eksitasjon av elektroner fra valens- til ledningsbåndet:

  • eller



Defekter i en halvleder; doping

  • Eksempel: Silisium (Si)

  • Valensbåndet i Si består av 3s og 3p-tilstander og er fullt (vha. kovalent binding).

  • Fosfor (P) har ett valenselektron mer enn Si og danner en donortilstand, som lett eksiteres:

  • Materialet blir en elektronleder (n-leder).



Defekter i en halvleder; doping

  • Eksempel: Silisium (Si)

  • Valensbåndet i Si består av 3s og 3p-tilstander og er fullt (vha. kovalent binding).

  • Bor (B) har ett valenselektron mindre enn Si og danner en akseptortilstand:

  • Materialet blir en hull-leder (p-leder)



Defekter i ionisk stoff; eksempel NiO; intern uorden

  • Frenkel-defekt-par:

  • Schottky-defekt-par:

  • 3 regler for defektkjemiske reaksjonsligninger:

    • Massebalanse
    • Ladningsbalanse
    • Gitterplassforhold


Eksempel på reaksjon som danner ikke-støkiometri; oksygen-underskudd; MO – MO1-y



Eksempel på reaksjon som danner metallunderskudd MO - M1-xO



Eksempel på doping: ZrO2-y dopet substitusjonelt med Y2O3



Defektstruktur; elektronøytralitet og defektlikevekter

  • Elektronøytralitet; eksempel fra Y-dopet ZrO2-y

  • Antagelse: to defekter dominerer

  • Defektlikevekt:

  • Innsetting gir løsningen:



Diffusjon



Diffusjonsmekanismer og hoppefrekvens

  • Vakans (”d”)

  • Interstitiell (”c”)

  • Kjedeinterstitiell (”b”)

  • Ombytting (”a”)

  • Generelt er hoppefrekvens (antall hopp per tidsenhet) gitt ved forsøksfrekvens v0, termisk energi (kT) i forhold til aktiveringsbarrieren Qm, antall naboplasser Z og fraksjon av defekter Xdefekt:

  • n/t = v0 exp(-Qm/kT)* Z * Xdefekt



Selvdiffusjon

  • Selvdiffusjon = ”Random diffusion”

  • Termisk energi

  • Selvdiffusjonskoeffisienten

  • Total tilbakelagt vei er meget lang:

  • Midlere radiell avstand fra startpunktet er liten:

  • Midlere avstand fra startpunktet i én dimensjon er enda mindre:



Defektdiffusjon

  • Defekten beveger seg mye oftere (og derved lenger) enn det korresponderende gitterspeciet.



Dislokasjoner

  • Éndimensjonal defekt

  • Kant- og skruedislokasjoner

  • Karakterisert ved Burgers vektor



Korngrenser

  • Todimensjonal defekt

  • Varierende ”match”

    • Fra tvillinggrenser til amorf grensefase


Korngrenser Forsidebildet LaNbO4 Demie Kepaptsoglou, UiO



Overflater

  • Todimensjonal defekt

  • En ny, tilfleldig plassert overflate har meget stor energi

  • Alle midler tas i bruk for å redusere denne energien

    • Mindre overflate
      • avrunding, sintring
    • Mer stabil overflate
      • fasettering, etsing
    • Ny terminering
      • Atomær omstrukturering
      • Adsorbsjon
        • kjemisorbsjon, fysisorbsjon
  • Korngrenser og overflater har stor uorden og oftest forhøyet transport



Mikrostruktur

  • Geometrisk fordeling av

    • Faser og fasegrenser
    • Porer og overflater
    • Korn og korngrenser
  • To- og tredimensjonale defekter



Enkrystaller

  • Rendyrker bulkegenskapene til et stoff

  • Retningsavhengige egenskaper kan optimaliseres

  • Fremstilles ved krystallgroing fra gass, løsning eller smelte



Polykrystallinske stoff

  • Fremstilling

    • Størkning fra smelte
      • Typisk for metaller
    • Sintring av pulvre
      • Typisk for keramer
      • Men også for enkelte metaller; pulvermetallurgi
      • Sintring er eliminasjon av porer ( = eliminasjon av overflater)
      • Drives av reduksjon i overflateenergi


Illustrasjon: Ni+ZrO2 cermet sintret ved 1500°C



Oppsummering, Kap. 7

  • Amorfe vs krystallinske stoffer

  • Struktur i krystallinske stoffer

  • Defekter

    • Nulldimensjonale
      • Punktdefekter
      • Elektroniske defekter
      • Nomenklatur
      • Defektkjemi
      • Diffusjon
    • Endimensjonale
      • Dislokasjoner
    • Todimensjonale
      • Korngrenser
      • Overflater




Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2017
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə