Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 7 Struktur, defekter, mikrostruktur Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 7 Struktur, defekter, mikrostruktur Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap."— Utskrift av presentasjonen:

1 MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 7 Struktur, defekter, mikrostruktur Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 N-0349 Oslo Struktur Defekter Punktdefekter Transport Dislokasjoner Mikrostruktur Sintring Korngrenser Overflater Amorfe stoffer Kompositter Figur:

2 MEF 1000 – Materialer og energi Krystallinske – amorfe materialer Ordnet struktur Uordnet struktur Eksempler: Ioniske-materialer/ Keramer Halvledere Metaller osv. Eksempler: Glass Plast Papir Tre osv. Krystaller har en periodisk indre struktur

3 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten Hva er enhetscellen i eksemplene over?

4 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten 1 2 3

5 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten 1 2 3

6 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten 1 2 3

7 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten Valgfritt origo

8 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten Valgfritt origo

9 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen: Den minste repetisjonsenheten Valgfritt origo

10 MEF 1000 – Materialer og energi Enhetscellen x y z a b c α γ β - Definert ved tre ikke planære vektorer: a, b og c -Hele krystallgitteret kan genereres ved translasjon langs disse vektorene. -Enhetscellen kan også beskrives av lengden til vektorene a,b og c samt vinklene mellom dem alfa, beta, gamma. -Et gitterpunkt erstatter et eller flere atomer -Gruppe: atomer assosiert med et gitterpunkt

11 MEF 1000 – Materialer og energi gitter gruppe enhetcelle Atomer som sitter på hjørner, sideflater og kanter deles med andre tilstøtende enhetceller

12 MEF 1000 – Materialer og energi 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) Figur: M.A. White: Properties of Materials

13 MEF 1000 – Materialer og energi 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 Z Y X Z Y X Z Y X (010) (001) (100) (110) (111)

14 MEF 1000 – Materialer og energi Resiproke vektorer, planavstander Resiprokt gitter er definert ved vektorene : Reell avstand mellom plan {hkl} i kubisk krystall med gitterparameter a: –Normalen til et plan angis ved vektoren: –Planavstanden til planet {hkl} er gitt ved : y z x c/l 0 a/h b/k

15 MEF 1000 – Materialer og energi Atomet betraktet som en kule I struktursammenheng kan metallatomer og ioner langt på vei betraktes som kuler Lavest gitterenergi ofte ved tetteste pakking av atomene/kulene –Metaller: Deling av elektroner –Ioniske stoffer: Elektrostatisk tiltrekning To måter å få tettest pakking av kuler med lik radius: ABABABABA…. (figur a) ABCABCAB…… (figur b) Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

16 MEF 1000 – Materialer og energi 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 Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

17 MEF 1000 – Materialer og energi Andre, mindre tette kulepakkinger Romsentrert kubisk –Body centered cubic (bcc) Enkel (simpel) kubisk –Simple cubic (sc) Lavere tetthet Typisk for høyere temperaturer Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

18 MEF 1000 – Materialer og energi Hulrom i tetteste kulepakkinger Oktaederhull –Relativt store –4 pr. enhetcelle 1 pr. atom i enhetcellen Tetraederhull –relativt små –8 pr. enhetcelle 2 per atom i enhetcellen Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

19 MEF 1000 – Materialer og energi Strukturer for ioniske stoffer NaCl-strukturen –tettpakket (fcc) –6-koordinasjon CsCl-strukturen –Mindre tettpakket –8-koordinasjon Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

20 MEF 1000 – Materialer og energi Perovskittstrukturen; ABX 3 Tettpakking av AX 3 B i oktaederhull i X-gitteret Ionisk binding av A mot X Mer kovalent binding av B mot X Svært tolerant –CaTiO 3 (perovskitt) –SrFeO 2.5 –La 0.67 TiO 3 eller La 2/3 TiO 3 –WO 3 –Y 1/3 Ba 2/3 CuO 3-x YBa 2 Cu 3 O 9-y YBa 2 Cu 3 O 7 Rik variasjon i egenskaper Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry A X B

21 MEF 1000 – Materialer og energi Avbildning av atomstrukturen –Transmisjonselektronmikroskopi λ=0,00251 nm ved 200 kV akselerasjon Høyoppløsningsavbildning Scanning-TEM –Scanningprobemikroskopi (SPM) Spiss (med et eller flere atomer) sveipes over overflaten. Scanning tunneling microscopy (STM) Atomic force microscopy (AFM) Bestemmelse av atomstrukturer: Mikroskopi

22 MEF 1000 – Materialer og energi Bestemmelse av strukturer: Mikroskopi LaNbO 4 WO 3 Al Si Figurer: Williams and Carter: Transmission Electron Microscopy III, Ø. Prytz, UiO, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry, Omicron NanoTechnology Gmbh.

23 MEF 1000 – Materialer og energi Bestemmelse av struktur: diffraksjon Braggs lov: nλ = 2d sinθ Konstruktiv interferens Røntgendiffraksjon (XRD) Liten spredning fra lette atomer (eks. O) Nøytrondiffraksjon (ND) God spredning fra lette atomer Elektrondiffraksjon (ED) ganger sterkere interaksjon enn XRD. Spredning fra både lette og tyngre atomer. Röntgen Figurer: M.A. White: properties of Materials, Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

24 MEF 1000 – Materialer og energi Diffraksjon og avbildning i TEM Objektivlinsa Diffraksjonsplanet (Bakre fokalplan) Bildeplanet Prøven Parallell innkommende elektronstråle Si 1,1 nm 3,8 Å

25 MEF 1000 – Materialer og energi Defekter Viktige for egenskaper –Transport –Optiske 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 Figur:A. Almar-Næss: Metalliske materialer

26 MEF 1000 – Materialer og energi Defekter i et ionisk materiale Defekter på kation- og aniongitter Større elektriske ladninger på defektene

27 MEF 1000 – Materialer og energi Null-dimensjonale defekter; notasjon Punktdefekter –Vakanser –Interstitielle –Substitusjon Elektroniske defekter –Delokaliserte elektroner hull –Valensdefekter Fangede elektroner/hull Klasedefekter –Assosierte punktdefekter Kröger-Vink-notasjon A = kjemisk species eller v (vakans) s = gitterplass eller i (interstitiell) c = Ladning Effektiv ladning = Reell ladning minus ladning i perfekt gitter Notasjon for effektiv ladning: positiv / negativ x nøytral

28 MEF 1000 – Materialer og energi Punktdefekter i metaller, eks. nikkel Vakanser Interstitielle Vakanser og interstitielle (Frenkel-defekt-par) Interstitiell Figur:A. Almar-Næss: Metalliske materialer

29 MEF 1000 – Materialer og energi Defekter i en halvleder; intrinsikk ionisasjon Eksitasjon av elektroner fra valens- til ledningsbåndet: eller T = 0 K T > 0 K

30 MEF 1000 – Materialer og energi 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). Bor (B) har ett valenselektron mindre enn Si og danner en akseptortilstand: Materialet blir en hull-leder (p-leder)

31 MEF 1000 – Materialer og energi Defekter i ionisk stoff; eksempel NiO; intern uorden Frenkel-defekt-par: Schottky-defekt-par: 3 regler for defektkjemiske reaksjonsligninger: –Massebalanse –Ladningsbalanse –Gitterplassforhold Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

32 MEF 1000 – Materialer og energi Defekter i ioniske stoff; eksempel NiO, eksterne reaksjoner og likevekter Ikke-støkiometri Doping Reaksjon med vanndamp Defektassosiasjon:

33 MEF 1000 – Materialer og energi Løsning av defektlikevekter (+kontroll ved målinger) Elektronøytralitet: Antagelse: to defekter dominerer Defektlikevekt: Innsetting gir løsningen:

34 MEF 1000 – Materialer og energi

35 Diffusjon Diffusjon krever defekter

36 MEF 1000 – Materialer og energi Diffusjonsmekanismer og hoppefrekvens Vakans (”d”) Interstitiell (”c”) Kjedeinterstitiell (”b”) Ombytting (”a”) Generelt er hoppefrekvens (antall hopp per tidsenhet) gitt ved forsøksfrekvens v 0, termisk energi (kT) i forhold til aktiveringsbarrieren Q m, antall naboplasser Z og fraksjon av defekter X defekt : n/t = v 0 exp(-Q m /kT)* Z * X defekt Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

37 MEF 1000 – Materialer og energi 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: Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

38 MEF 1000 – Materialer og energi Defektdiffusjon Defekten beveger seg mye oftere (og derved lenger) enn det korresponderende gitterspeciet. Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

39 MEF 1000 – Materialer og energi Transport i et kraftfelt Netto hastighet til en partikkel (atom, elektron eller defekt) er lik bevegelighet x kraft: Bevegelighet er selvdiffusivitet dividert med termisk energi (Nernst- Einstein-relasjonen): Flukstetthet er hastighet x konsentrasjon: Kraften er gradienter i kjemisk og elektrisk (elektrokjemisk) potensial. I én dimensjon:

40 MEF 1000 – Materialer og energi Ladningsmobilitet og elektrisk ledningsevne Strømtetthet er fluks x ladning. I elektrisk felt: Ladningsmobilitet Spesifikk elektrisk ledningsevne Total spesifikk elektrisk ledningsevne og transporttall

41 MEF 1000 – Materialer og energi Geometri, ohms lov m.m. Ledningsevne, eller konduktans, G, har benevning Siemens (S). Spesifikk ledningsevne, eller konduktivitet, har benevning S/m. Konduktans er invers av resistans. Konduktivitet er invers av resistivitet. Ohms lov:

42 MEF 1000 – Materialer og energi Kraft (fra tidligere): Kjemisk potensial: Kjemisk potensialgradient: Drivkraften for transport er altså normalt ikke konsentrasjonsgradienten. Ficks 1. lov knytter flukstetthet til konsentrasjonsgradient via en fenomenologisk koeffisient; kjemisk diffusjonskoeffisient: Kjemisk diffusjon; Ficks 1. lov (ikke pensum)

43 MEF 1000 – Materialer og energi Transport av elektroniske defekter T > 0 K Figurer: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

44 MEF 1000 – Materialer og energi Dislokasjoner Éndimensjonal defekt Kant- og skruedislokasjoner Karakterisert ved Burgers vektor Figurer:A. Almar-Næss: Metalliske materialer

45 MEF 1000 – Materialer og energi Mikrostruktur Geometrisk fordeling av –Faser og fasegrenser –Porer og overflater –Korn og korngrenser To- og tredimensjonale defekter

46 MEF 1000 – Materialer og energi Enkrystaller Rendyrker bulkegenskapene til et stoff Retningsavhengige egenskaper kan optimaliseres Fremstilles ved krystallgroing fra gass, løsning eller smelte Figur: R. Dieckmann, Cornell Univ.http://webelements.com

47 MEF 1000 – Materialer og energi Polykrystallinske stoff Fremstilling –Størkning fra smelte Typisk for metaller –Sintring av pulvre Typisk for keramer Men også for enkelte metaller; pulvermetallurgi Figurer: Coble and Bruke, in Progress in Ceramic Science, C. Haavik, UiO, W. Jo et al., J. Am.Ceram. Soc.

48 MEF 1000 – Materialer og energi Korngrenser Todimensjonal defekt Varierende ”match” –Fra tvillinggrenser til amorf grensefase Figurer: Balluffi et al., A. Almar-Næss: metalliske materialer, og Ø. Prytz, UiO.

49 MEF 1000 – Materialer og energi 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 Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

50 MEF 1000 – Materialer og energi Eksempel: Ni+ZrO 2 cermet sintret ved 1500°C

51 MEF 1000 – Materialer og energi Amorfe stoffer, glass, polymerer Kortrekkende orden Ingen langtrekkende orden Glasstemperatur i stedet for smeltetemperatur Diffuse diffraksjonsspektra Amorfe keramer Amorfe metaller Glass (faste væsker) Polymerer Figur: Shriver and Atkins: Inorganic Chemistry

52 MEF 1000 – Materialer og energi Kompositter Flere faser Kombinere egenskaper Stanse brudd Sikring mot fullstendig brudd

53 MEF 1000 – Materialer og energi Oppsummering, Kap. 7 Struktur i krystallinske stoffer –Enhetsceller –Kulepakking –Bravais-gittere –Bestemmelse og nomenklatur Defekter –Nulldimensjonale Punktdefekter Elektroniske defekter Nomenklatur Defektkjemi Transport –Diffusjon –Elektrisk ledningsevne –Endimensjonale Dislokasjoner –Todimensjonale Korngrenser Overflater Mikrostruktur –Enkrystaller –Polykrystallinske stoffer Fremstilling Sintring Amorfe stoffer, glass, polymerer Kompositter


Laste ned ppt "MEF 1000 – Materialer og energi MEF 1000; Materialer og energi - Kap. 7 Struktur, defekter, mikrostruktur Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google