Aine saladuste avamine: süvauuring kristallstruktuurist ja selle omadustest

Vaadake enda ümber. Nutitelefon teie käes, pilvelõhkuja terastalad, ränikiibid, mis toidavad meie digitaalset maailma – kõiki neid kaasaegse inseneriteaduse imesid määratleb miski, mis on palja silmaga nähtamatu: nende aatomite täpne ja korrapärane paigutus. See fundamentaalne organisatsioon on tahkisefüüsika valdkond ja selle keskmes on kristallstruktuuri mõiste.

Kristallstruktuuri mõistmine ei ole pelgalt akadeemiline harjutus. See on võti materjalide omaduste ennustamiseks, selgitamiseks ja lõppkokkuvõttes ka inseneritööks. Miks on teemant kõige kõvem teadaolev looduslik materjal, samas kui grafiit, mis on samuti puhas süsinik, on pehme ja libe? Miks on vask suurepärane elektrijuht, samas kui räni on pooljuht? Vastused peituvad nende koostisosade aatomite mikroskoopilises arhitektuuris. See postitus viib teid rännakule sellesse korrastatud maailma, uurides kristalsete tahkiste ehituskive ja seda, kuidas nende struktuur dikteerib omadusi, mida me iga päev vaatleme ja kasutame.

Ehituskivid: võred ja elementaarrakud

Kristalli aatomite korrastatud paigutuse kirjeldamiseks kasutame kahte fundamentaalset, omavahel seotud mõistet: võre ja elementaarrakk.

Mis on kristallvõre?

Kujutage ette lõpmatult laienevat kolmemõõtmelist punktide massiivi ruumis. Igal punktil on identne ümbrus iga teise punktiga. Seda abstraktset raamistikku nimetatakse Bravais' võreks. See on puhtalt matemaatiline konstruktsioon, mis esindab kristalli perioodilisust. Mõelge sellest kui tellingutest, millele kristall on ehitatud.

Nüüd, et luua reaalne kristallstruktuur, paigutame selle võre igasse punkti identse rühma ühest või mitmest aatomist. Seda aatomite rühma nimetatakse baasiks. Seega on kristalli valem lihtne:

Võre + Baas = Kristallstruktuur

Lihtne näide on tapeet seinal. Korduv punktide muster, kuhu paigutaksite motiivi (nagu lill), on võre. Lill ise on baas. Koos loovad nad täieliku, mustrilise tapeedi.

Elementaarrakk: korduv muster

Kuna võre on lõpmatu, on kogu struktuuri kirjeldamine ebapraktiline. Selle asemel tuvastame väikseima korduva mahu, mis kokku ladudes suudab taasluua kogu kristalli. Seda fundamentaalset ehituskivi nimetatakse elementaarrakuks.

Elementaarrakke on kahte peamist tüüpi:

Primitiivne elementaarrakk: See on väikseim võimalik elementaarrakk, mis sisaldab kokku täpselt ühte võrepunkti (sageli on punktid selle nurkades, kusjuures iga nurgapunkt on jagatud kaheksa naaberrakuga, seega 8 nurka × 1/8 nurga kohta = 1 võrepunkt).
Konventsionaalne elementaarrakk: Mõnikord valitakse suurem elementaarrakk, kuna see peegeldab selgemini kristallstruktuuri sümmeetriat. Neid on sageli lihtsam visualiseerida ja nendega töötada, isegi kui need ei ole väikseima võimaliku mahuga. Näiteks tahkkesendatud kuubilise (KKV) konventsionaalne elementaarrakk sisaldab nelja võrepunkti.

14 Bravais' võret: universaalne klassifikatsioon

19. sajandil tõestas prantsuse füüsik Auguste Bravais, et on ainult 14 unikaalset viisi punktide paigutamiseks 3D-võres. Need 14 Bravais' võret on rühmitatud 7 kristallisüsteemi, mis on klassifitseeritud nende elementaarrakkude geomeetria järgi (külgede pikkused a, b, c ja nendevahelised nurgad α, β, γ).

Kuubiline: (a=b=c, α=β=γ=90°) - Hõlmab lihtkuubilist (SC), ruumkesendatud kuubilist (RKV) ja tahkkesendatud kuubilist (KKV).
Tetragonaalne: (a=b≠c, α=β=γ=90°)
Ortorombiline: (a≠b≠c, α=β=γ=90°)
Heksagonaalne: (a=b≠c, α=β=90°, γ=120°)
Romboeedriline (või trigonaalne): (a=b=c, α=β=γ≠90°)
Monokliinne: (a≠b≠c, α=γ=90°, β≠90°)
Trikliinne: (a≠b≠c, α≠β≠γ≠90°)

See süstemaatiline klassifikatsioon on uskumatult võimas, pakkudes universaalset keelt kristallograafidele ja materjaliteadlastele üle maailma.

Suundade ja tasandite kirjeldamine: Milleri indeksid

Kristallis ei ole kõik suunad võrdsed. Omadused võivad olenevalt mõõtmissuunast märkimisväärselt erineda. Seda suunast sõltuvust nimetatakse anisotroopiaks. Kristallvõres olevate suundade ja tasandite täpseks kirjeldamiseks kasutame tähistussüsteemi, mida nimetatakse Milleri indeksiteks.

Kuidas määrata Milleri indekseid tasanditele (hkl)

Tasandi Milleri indekseid esitatakse kolme täisarvuga sulgudes, näiteks (hkl). Siin on üldine protseduur nende leidmiseks:

Leidke lõikepunktid: Määrake, kus tasand lõikab kristallograafilisi telgi (a, b, c) elementaarraku mõõtmete suhtes. Kui tasand on teljega paralleelne, on selle lõikepunkt lõpmatuses (∞).
Võtke pöördväärtused: Võtke iga lõikepunkti pöördväärtus. ∞ pöördväärtus on 0.
Kõrvaldage murrud: Korrutage pöördväärtused vähima ühise nimetajaga, et saada täisarvude komplekt.
Pange sulgudesse: Kirjutage saadud täisarvud sulgudesse (hkl) ilma komadeta. Kui lõikepunkt oli negatiivne, pannakse vastava indeksi kohale kriips.

Näide: Tasand lõikab a-telge 1 ühiku, b-telge 2 ühiku ja c-telge 3 ühiku juures. Lõikepunktid on (1, 2, 3). Pöördväärtused on (1/1, 1/2, 1/3). Korrutades 6-ga murdude kõrvaldamiseks, saame (6, 3, 2). See on (632) tasand.

Kuidas määrata Milleri indekseid suundadele [uvw]

Suundi esitatakse täisarvudega nurksulgudes, näiteks [uvw].

Määratlege vektor: Joonistage vektor alguspunktist (0,0,0) teise punkti võres.
Määrake koordinaadid: Leidke vektori otsas oleva punkti koordinaadid võre parameetrite a, b ja c suhtes.
Taandage vähimateks täisarvudeks: Taandage need koordinaadid vähimaks võimalikuks täisarvude komplektiks.
Pange nurksulgudesse: Kirjutage täisarvud nurksulgudesse [uvw].

Näide: Suunavektor läheb alguspunktist punkti koordinaatidega (1a, 2b, 0c). Suund on lihtsalt [120].

Levinumad kristallstruktuurid

Kuigi eksisteerib 14 Bravais' võret, kristalliseerub enamik levinud metalle ühte kolmest tihedalt pakitud struktuurist: ruumkesendatud kuubiline (RKV), tahkkesendatud kuubiline (KKV) või heksagonaalne tihedaim pakend (HTP).

Ruumkesendatud kuubiline (RKV)

Kirjeldus: Aatomid asuvad kuubi igas 8 nurgas ja üks aatom on kuubi täpses keskmes.
Koordinatsiooniarv (KA): 8. Iga aatom on otseses kontaktis 8 naabriga.
Aatomite pakkimistegur (APT): 0,68. See tähendab, et 68% elementaarraku mahust on hõivatud aatomitega, ülejäänud on tühi ruum.
Näited: Raud (toatemperatuuril), kroom, volfram, molübdeen.

Tahkkesendatud kuubiline (KKV)

Kirjeldus: Aatomid asuvad kuubi 8 nurgas ja iga 6 tahu keskel.
Koordinatsiooniarv (KA): 12. See on üks kõige tõhusamaid pakkimisviise.
Aatomite pakkimistegur (APT): 0,74. See on maksimaalne võimalik pakkimistihedus võrdse suurusega kerade jaoks, väärtus, mida jagatakse HTP struktuuriga.
Näited: Alumiinium, vask, kuld, hõbe, nikkel.

Heksagonaalne tihedaim pakend (HTP)

Kirjeldus: Keerulisem struktuur, mis põhineb heksagonaalsel elementaarrakul. See koosneb kahest virnastatud heksagonaalsest tasapinnast, mille vahele on paigutatud kolmnurkne aatomite tasapind. Sellel on tasapindade virnastamisjärjestus ABABAB...
Koordinatsiooniarv (KA): 12.
Aatomite pakkimistegur (APT): 0,74.
Näited: Tsink, magneesium, titaan, koobalt.

Teised olulised struktuurid

Teemantkuubiline: Räni ja germaaniumi struktuur, pooljuhtide tööstuse nurgakivid. See on nagu KKV võre, millele on lisatud kahe aatomi baas, mis viib tugevate, suunatud kovalentsete sidemeteni.
Tsinkblende (sfaleriit): Sarnane teemantkuubilisele struktuurile, kuid kahe erinevat tüüpi aatomiga, nagu näiteks galliumarseniidis (GaAs), mis on ülioluline materjal kiirelektroonika ja laserite jaoks.

Kristallstruktuuri mõju materjali omadustele

Aatomite abstraktne paigutus omab sügavaid ja otseseid tagajärgi materjali tegelikule käitumisele.

Mehaanilised omadused: tugevus ja plastsus

Metalli võimet plastiliselt deformeeruda (purunemata) reguleerib dislokatsioonide liikumine spetsiifilistel kristallograafilistel tasanditel, mida nimetatakse libisemissüsteemideks.

KKV metallid: Materjalid nagu vask ja alumiinium on väga plastsed, sest nende tihedalt pakitud struktuur pakub palju libisemissüsteeme. Dislokatsioonid saavad kergesti liikuda, võimaldades materjalil enne purunemist ulatuslikult deformeeruda.
RKV metallid: Materjalid nagu raud näitavad temperatuurist sõltuvat plastsust. Kõrgetel temperatuuridel on nad plastsed, kuid madalatel temperatuuridel võivad muutuda rabedaks.
HTP metallid: Materjalid nagu magneesium on toatemperatuuril sageli vähem plastsed ja rabedamad, kuna neil on vähem saadaolevaid libisemissüsteeme.

Elektrilised omadused: juhid, pooljuhid ja isolaatorid

Aatomite perioodiline paigutus kristallis viib lubatud ja keelatud energiatasemete moodustumiseni elektronide jaoks, mida tuntakse energiatsoonidena. Nende tsoonide vahekaugus ja täituvus määravad elektrilise käitumise.

Juhid: Neil on osaliselt täidetud energiatsoonid, mis võimaldavad elektronidel elektrivälja mõjul vabalt liikuda.
Isolaatorid: Neil on suur keelutsoon (energiapilu) täidetud valentsitsooni ja tühja juhtivustsooni vahel, mis takistab elektronide voolu.
Pooljuhid: Neil on väike keelutsoon. Absoluutsel nulltemperatuuril on nad isolaatorid, kuid toatemperatuuril võib soojusenergia ergastada mõned elektronid üle keelutsooni, võimaldades piiratud juhtivust. Nende juhtivust saab täpselt kontrollida lisandite sisseviimisega (legeerimine), protsess, mis tugineb kristallstruktuuri mõistmisele.

Termilised ja optilised omadused

Aatomite kollektiivsed võnkumised kristallvõres on kvantiseeritud ja neid nimetatakse foononiteks. Need foononid on paljudes isolaatorites ja pooljuhtides peamised soojuskandjad. Soojusjuhtivuse tõhusus sõltub kristalli struktuurist ja sidemetest. Sarnaselt dikteerib materjali interaktsioon valgusega – kas see on läbipaistev, läbipaistmatu või värviline – selle elektrooniline tsoonistruktuur, mis on otsene tagajärg selle kristallstruktuurile.

Reaalne maailm: kristalli ebatäiused ja defektid

Seni oleme käsitlenud täiuslikke kristalle. Tegelikkuses ei ole ükski kristall täiuslik. Nad kõik sisaldavad erinevat tüüpi defekte või ebatäiusi. Kaugel sellest, et olla ebasoovitavad, on need defektid sageli need, mis muudavad materjalid nii kasulikuks!

Defekte klassifitseeritakse nende mõõtmelisuse järgi:

Punkdefektid (0D): Need on häired, mis on lokaliseeritud ühele aatomkohale. Näideteks on vakants (puuduv aatom), interstitsiaalaatom (lisaaatom, mis on surutud ruumi, kuhu see ei kuulu) või asendusatom (võõraatom, mis asendab peremeesaatomit). Ränikristalli legeerimine fosforiga on asenduslike punkdefektide tahtlik loomine, et muuta see n-tüüpi pooljuhiks.
Joondefektid (1D): Tuntud kui dislokatsioonid, on need aatomite vale paigutuse jooned. Nad on absoluutselt kriitilised metallide plastiliseks deformatsiooniks. Ilma dislokatsioonideta oleksid metallid uskumatult tugevad, kuid enamiku rakenduste jaoks liiga rabedad. Deformatsioonkõvenemise protsess (nt kirjaklambri edasi-tagasi painutamine) hõlmab dislokatsioonide loomist ja põimumist, muutes materjali tugevamaks, kuid vähem plastseks.
Tasapinnalised defektid (2D): Need on piirpinnad, mis eraldavad erineva kristallorientatsiooniga piirkondi. Kõige tavalisemad on terade piirid, mis on üksikute kristalliterade vahelised piirpinnad polükristallilises materjalis. Terade piirid takistavad dislokatsioonide liikumist, mistõttu on väiksemate teradega materjalid üldiselt tugevamad (Hall-Petchi efekt).
Ruumilised defektid (3D): Need on suuremahulised vead nagu tühimikud (vakantside kogumid), praod või sademed (teise faasi kogumid peremeesmaterjalis). Sadestuskõvenemine on võtmetehnika lennunduses kasutatavate alumiiniumsulamite tugevdamiseks.

Kuidas me kristallstruktuure "näeme": eksperimentaalsed tehnikad

Kuna me ei saa aatomeid tavalise mikroskoobiga näha, kasutavad teadlased keerukaid tehnikaid, mis kasutavad osakeste või elektromagnetkiirguse lainelist olemust kristallstruktuuride uurimiseks.

Röntgendifraktsioon (XRD)

XRD on kõige levinum ja võimsam tööriist kristallstruktuuri määramiseks. Kui röntgenkiirte kiir suunatakse kristallile, toimivad korrapäraselt paiknevad aatomitasandid difraktsioonivõrena. Konstruktiivne interferents toimub ainult siis, kui naabertasanditelt hajunud röntgenkiirte käiguvahe on lainepikkuse täisarvkordne. Seda tingimust kirjeldab Braggi seadus:

nλ = 2d sin(θ)

Kus 'n' on täisarv, 'λ' on röntgenkiirguse lainepikkus, 'd' on aatomitasandite vaheline kaugus ja 'θ' on hajumisnurk. Mõõtes nurki, mille all tugevad difrakteerunud kiired ilmuvad, saame arvutada 'd' vahekaugused ja sealt tuletada kristallstruktuuri, võreparameetrid ja orientatsiooni.

Teised olulised tehnikad

Neutrondifraktsioon: Sarnane XRD-le, kuid kasutab röntgenkiirte asemel neutroneid. See on eriti kasulik kergete elementide (nagu vesinik) asukoha määramiseks, sarnase elektronide arvuga elementide eristamiseks ja magnetstruktuuride uurimiseks.
Elektrondifraktsioon: Tavaliselt teostatakse transmissioonelektronmikroskoobis (TEM), see tehnika kasutab elektronkiirt väga väikeste mahtude kristallstruktuuri uurimiseks, võimaldades üksikute terade või defektide nano-skaala analüüsi.

Kokkuvõte: kaasaegsete materjalide alus

Kristallstruktuuri uurimine on materjaliteaduse ja kondenseeritud aine füüsika nurgakivi. See pakub teekaardi, mis ühendab aatomisisese maailma makroskoopiliste omadustega, millest me sõltume. Alates meie hoonete tugevusest kuni meie elektroonika kiiruseni on kaasaegse tehnoloogia jõudlus otsene tunnistus meie võimest mõista, ennustada ja manipuleerida aatomite korrastatud paigutust.

Õppides selgeks võrede, elementaarrakkude ja Milleri indeksite keele ning õppides nii mõistma kui ka konstrueerima kristalli defekte, jätkame me võimaliku piiride nihutamist, disainides uusi materjale kohandatud omadustega, et vastata tuleviku väljakutsetele. Järgmine kord, kui kasutate mõnda tehnoloogilist seadet, võtke hetk, et hinnata vaikset, kaunist ja võimsat korda, mis peitub selle sees.