
- •Конспект лекций по дисциплине «Физическая химия твердого тела» Направление подготовки
- •240100 Химическая технология
- •Магистерская программа
- •1. Введение. Основные цели и задачи физической химии твердого тела.
- •2. Кристаллография
- •Координаты точек и линий в элементарной ячейке.
- •Симметрия элементарной ячейки.
- •3. Кристаллохимия.
- •Основные виды гексагональных структур.
- •4.Дефекты кристаллической решетки. Точечные дефекты (дефекты I рода).
- •Температурные дефекты.
- •Структуры разрыхления. Дефекты по Шотки.
- •Структуры смещения. Дефекты по Френкелю.
- •Протяженные дефекты (дефекты II рода).
- •Дислокации. Дислокацией называется область дефектов решетки, простирающейся вдоль некоторой линии (линии дислокации). Краевые дислокации.
- •Винтовые диислокации.
- •Расчет дефектности.
- •Определение объема приходящегося на дефекты I и II рода.
- •Взаимодействие точечных и протяженных дефектов.
- •Источник Франка – Рида.
- •5. Методы исследования твердого тела Рентгенофазовый анализ
- •Возникновение непрерывного и линейчатого (атомного) спектра.
- •Закон Мозели.
- •Четыре квантовых числа.
- •Принцип Паули.
- •Основные сведения по физике рентгеновских лучей. Спектры испускания лучей.
- •Спектры поглощения рентгеновских лучей.
- •Рассеяние свободным электроном.
- •Эффект Комптона.
- •Фотоэффект.
- •Суммарное поглощение рентгеновского излучения веществом.
- •Спектры поглощения рентгеновского излучения.
- •Дифракция рентгновских лучей
- •Вывод уравнения Лауэ.
- •Вывод уравнения Вульфа – Брэгга.
- •Аппаратура для рентгененофазового анализа Принципиальная схема рентгеновской установки типа дрон.
- •Выбор основных параметров съемки дифрактограмм на рентгеновской установк типа дрон.
- •Приготовление образцов для проведения рентгенофазового анализа.
- •Съемка дифрактограмм. Метод Брентано.
- •Съемка рентгенограмм в монохроматическом излучении
- •Идентифкация вещества по межплоскостным расстояниям.
- •Индицирование рентгенограмм порошка.
- •Критерии правильности индицирования рентгенограмм.
- •Обратная решетка.
- •Индицирование рентгенограмм порошка. Индицирование рентгенограмм кубических веществ. Закон погасания.
- •Индицирование рентгенограмм в случае средних сингоний.
- •Аналитический метод индицирования рентгенограмм ромбических кристаллов (метод Хесса - Липсона).
- •Индицирование дебаеграмм методом Ито.
- •Метод подбора изоструктурного соединения.
- •Метод гомологии расшифровки рентгенограмм.
- •Переход от кубической ячейки к гексагональной.
- •Политипия. Интерпретация рентгенограмм слоистых структур со сложным характером чередования связей.
- •Источники ошибок в определении межплоскостных расстояний.
- •Зависимость точности в определении межплоскостного расстояния d от угла отражения .
- •Поправка на преломление.
- •Определение размеров кристаллитов и микронапряжений.
- •Метод определения областей когерентного рассеяния (окр).
- •Растровая электронная микроскопия (рэм, сэм) и рентгеноспектральный микроанализ (рсма).
- •Физические основы растровой электронной микроскопии
- •Формирование изображения в рэм.
- •Сканируемая область в зависимости от увеличения.
- •Глубина фокуса
- •Передача изобажения в цифровой форме и их обработка
- •Контраст
- •Контраст зависящий от атомного номера (контраст от состава, сигнал отраженных электронов)
- •Контраст от состава образца (режим вторичных электронов)
- •Компоненты контраста.
- •Ограничения разрешения.
- •Рентгеноспектральный микроанализ Физические основы рентгеноспектрального микороанализа
- •Устройство и работа рентгеноспектрального микроанализатора
- •Подготовка объектов для исследований и особые требования к ним
- •Технические возможности рентгеноспектрального микроанализатора
- •Технические возможности сканирующего туннельного микроскопа
- •Требования к объектам исследования и методы их подготовки
- •Области использования сканирующей туннельной микроскопии
- •Развитие микроскопии ближнего поля и расширение области её применения
- •Программное обеспечение. Форма сохранения и выдачи информации
- •Термический анализ.
- •Термогравиметрический анализ (тга).
- •Дифференциально – термический анализ (дта).
- •Применение дта и тга.
- •Пример разложения каолина Al4(Si4o10)(oh)8.
- •Изучение стеклообразования методом дта.
- •Некоторые особые области применения дта.
- •Спектральные методы исследования твердых тел
- •Спектроскопия видимого излучения и уф – спектроскопия.
- •Спектроскопия ямр (ядерно-магнитного резонанса).
- •Спектроскопия эпр(электронный парамагнитный резонанс).
- •Электронная спектроскопия эсха, рфс, уфс, Оже-спектроскопия, схпээ.
- •Ядерная - резонансная (Мессбауэровская ) спектроскопия.
- •Спектроскопия комбинационного рассеяния света (кр, крс, Раммановская спектроскопия).
- •Рассеяние света.
- •Колебания, модуляции, спекры.
- •Комбинационное рассеяние и поглощение света.
- •Основные параметры линий комбинационного рассеяния.
- •Применение комбинационного рассеяния в химии.
- •Установление химического строения молекул.
- •Исследование микроскопических образцов методом крс.
- •Основы зонной теории твердых тел Классификация твердых тел по величине электропроводности Твердое тело
- •Металлический кремний (Si) – 103 – 10-5 10-10 Ом-1см-1,
- •Уравнение Шредингера для твердого тела
- •Одноэлекторонное приближение
- •Функции Блоха
- •Свойства волнового вектора электрона в кристалле. Зоны Бриллюэна.
- •Построение зон Бриллюэна в простой кубической решетке с параметром а
- •Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники
- •Физические свойства кристаллов и методвы их определения Электрические свойства тел. Основные свойства металлов. Электропроводность.
- •Температурная зависимость электропроводности
- •Влияние примесей и дефектов
- •Сверхпроводимость
- •Электропроводность металлов
- •Электрон в кристалле всегда подчиняется функции Блоха
- •Собственная проводимость полупроводников.
- •Концентрация носителей
- •Равновесная концентрация дырок в валентной зоне
- •Концентрация дырок, с учетом всех выкладок, будет равна
- •Подвижность в собственном полупроводнике
- •Проводимость примесных полупроводников
- •Концентрация носителей
- •Подвижность
- •Электропроводность диэлектриков.
Критерии правильности индицирования рентгенограмм.
Отношение числа теоретически возможных линий на рентгенограмме к числу обнаруженных экспериментально, должно быть близко к 1. При таком подходе учитываются сисематические погасания.
В ходе расшифровки должно наблюдаться хорошее соответствие между экспериментальным и вычисленным значением плотности (т.е. число формульных единиц, приходящихся на элементарную ячейку, может быть близко к целому числу, обычно небольшому). При этом можно учесть, минимальную кратность пространственной группы. Число формульных единиц расчитывается по уравнению
Эмпирический критерий правильности параметра индицирования Де-Вольфа определяется по уравнению
,
где
-
значение
для
20-й линии на рентгенограмме,
-
число теоретически возможных линий с
<
,
-
среднее расхождение между значениями
вычисленными
и экспериментальными. Индицирование
корректно, если
<
10.
Помимо формулы критерия правильности Де-Вольфа, широко применима формула Смита – Снайдера
,
где N – число видимых линий,
Nposs – число возможных линий,
FN – фактор качества,
|2| -среднее отклонение 2 (зависит от качества съемки).
Обратная решетка.
Совокупность узлов, задаваемых векторами,
величины которых равны межплоскостным
расстояниям, а направления совпадают
с направлениями нормалей к данному
семейству плоскостей, образуют новую
пространственную решетку, которая будет
обратной решеткой по отношению к
исходной. Если исходная решетка построена
на векторах a, b и c,
то обратная решетка будет построена на
векторах a,
b,
c,
перпендикулярных координатным плоскостям
и равных по величине
,
где
-
соответствующее межплоскостное
расстояние. Объем элементарной ячейки
V
равен обратной величине объема ячейки
исходной решетки. Индексы узлов обратной
решетки равны индексам плоскостей в
прямой решетке. Соотношения между
векторами прямой и обратной решеток
следующие:
Скалярные произведения одноименных векторов
равны 1, а разноименных векторов
и т.д. 0.
Если между векторами a,
b и с прямые,
то между векторами
тоже 90, направления
векторов a и
a,
b и b,
с и с
совпадают.
В моноклинной и триклинной ячейках
соотношения более сложные. Вектор a
моноклинной ячейки не перпендикулярен
плоскости bc, а вектор
перпендикулярен ей, тогда
,
где - угол межу
векторами a и c,
= 180 - .
Использование обратной решетки значительно облегчает рассмотрение дифракционной картины.
При выборе другой элементарной ячейки для описания исходной решетки, в случае обратной решетки также получится группа из трех других векторов, но построенная на них решетка будет той же самой, так как векторы узлов обратной решетки определяются только направлением нормалей к семейству плоскостей и величиной межплоскостных расстояний, при этом они не зависят от выбора координатных осей.
Индицирование рентгенограмм порошка. Индицирование рентгенограмм кубических веществ. Закон погасания.
В случае кубической сингонии Qhkl = A(h2+k2+l2), значения Qhkl образуют ряд, соответствующий ряду N = h2+k2+l2, т.е. Q1 : Q2 : Q3 N1 : N2 : N3. это упрощает индицирование. В данном случае могут отсутствовать некоторые члены ряда, что обусловлено погасаниями, соответствующими той или иной пространственной группе, и носить систематический характер. Часть линий может иметь низкую интенсивность и отсутствовать по этой причине.
Все отражения hkl с нечетной суммой индексов для структуры с ОЦК – решеткой гаснут. Данное утверждение носит название интегрального закона погасания.
Наиболее существенны погасания, вызванные присутствием дополнительных трансляций (в ГЦК – и ОЦК - решетках). В случае примитивной ячейки возможны любые значения hkl и ряд Qhkl, соответствующий h2+k2+l2; 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 из целых чисел N≤ 30 этот ряд не включает 7, 15, 23, 28.
В ГЦК - ячейке разрешены только те линии с h+k, k+l и h+l = 2n, что соответствует ряду 3,4,8,11,12,16,19,20,24,27.
В случае ОЦК ряд, образуемый Qhkl,
соответствует ряду
,
так как разрешены только линии с четной
суммой индексов. Ряды h2+k2+l2
и
похожи, но во втором отсутствуют (при
N30)
N = 14 и 30. Поэтому для того,
чтобы однозначно отличить рентгенограммы,
соответствующие примитивной и ОЦК –
ячейкам, нужно иметь члены ряда до N
= 7. Исключая эту неоднозначность,
определение индексов этих двух линий
может быть проведено если посмотреть,
отношение каких чисел соответствует
Q2 : Q1.