|
Mena 000; Materialer, energi og nanoteknologi Kap. Struktur og defekter Krystallinske – amorfe materialer
|
tarix | 08.11.2018 | ölçüsü | 7,72 Mb. | | #79472 |
|
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)
Posisjonsvektor: 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)
Andre, mindre tette kulepakkinger Romsentrert kubisk - Body centered cubic (bcc)
Enkel (simpel) kubisk 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 Mer kovalent binding av B mot X Svært tolerant - CaTiO3 (perovskitt)
- SrFeO2.5
- La0.67TiO3 eller La2/3TiO3
- WO3
- Y1/3Ba2/3CuO3-x
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
Ønskede eller uønskede Termodynamisk stabile ved T>0 K fordi de representerer uorden (entropi) Nulldimensjonale - Punktdefekter, Klasedefekter
Éndimensjonale - Dislokasjoner, defektlinjer
Todimensjonale Tredimensjonale
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
- Valensdefekter
Klasedefekter
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
- Mer stabil overflate
- 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 Fremstilles ved krystallgroing fra gass, løsning eller smelte
Polykrystallinske stoff Fremstilling - Størkning fra smelte
- 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
- Todimensjonale
Dostları ilə paylaş: |
|
|