Химия твердого тела - Solid-state chemistry

Химия твердого тела, также иногда называемая химией материалов , - это изучение синтеза, структуры и свойств твердофазных материалов, в частности, но не обязательно исключительно немолекулярных твердых веществ. Таким образом, он сильно пересекается с физикой твердого тела , минералогией , кристаллографией , керамикой , металлургией , термодинамикой , материаловедением и электроникой с акцентом на синтез новых материалов и их характеристики. Твердые вещества можно классифицировать как кристаллические или аморфные в зависимости от природы порядка, присутствующего в расположении составляющих их частиц.

История

Кремниевая пластина для использования в электронных устройствах

Неорганическая химия твердого тела, поскольку она имеет прямое отношение к коммерческим продуктам, находится под сильным влиянием технологий. Прогресс в этой области часто подпитывается требованиями промышленности, иногда в сотрудничестве с академическими кругами. Применения, открытые в 20-м веке, включают катализаторы на основе цеолита и платины для переработки нефти в 1950-х годах, кремний высокой чистоты в качестве основного компонента микроэлектронных устройств в 1960-х годах и «высокотемпературную» сверхпроводимость в 1980-х годах. Изобретение рентгеновской кристаллографии в начале 1900-х годов Уильямом Лоуренсом Брэггом было многообещающим нововведением. Наше понимание того, как протекают реакции на атомном уровне в твердом состоянии, было значительно продвинуто благодаря работе Карла Вагнера по теории скорости окисления, встречной диффузии ионов и химии дефектов. Из-за его вклада его иногда называют отцом химии твердого тела .

Синтетические методы

Учитывая разнообразие соединений в твердом состоянии, для их получения используется столь же разнообразный набор методов.

Техника духовки

Для термостойких материалов часто используются высокотемпературные методы. Например, сыпучие продукты получают с использованием трубчатых печей , которые позволяют проводить реакции до прим. 1100 ° С. Специальное оборудование, например печи, состоящие из танталовой трубки, через которую пропускается электрический ток, можно использовать для даже более высоких температур до 2000 ° C. Такие высокие температуры иногда требуются, чтобы вызвать диффузию реагентов.

Трубчатая печь, используемая при синтезе хлорида алюминия

Методы плавления

Один из часто используемых методов заключается в плавлении реагентов вместе с последующим отжигом затвердевшего расплава. Если используются летучие реагенты, реагенты часто помещают в ампулу, из которой откачивают смесь.

Держа дно ампулы в жидком азоте, а затем запаивая. Затем запаянную ампулу помещают в духовку и подвергают определенной термообработке. В присутствии расплавленного флюса некоторые зерна могут быстро расти в матрице из более мелких кристаллитов. Это вызывает аномальный рост зерен (AGG), который может быть желательным или вредным для полученного твердого вещества.

Методы решения

Можно использовать растворители для получения твердых веществ осаждением или выпариванием. Иногда используется гидротермальный растворитель, который находится под давлением при температурах выше нормальной точки кипения. Разновидностью этой темы является использование методов флюса , при которых к смеси добавляют соль с относительно низкой точкой плавления, которая действует как высокотемпературный растворитель, в котором может происходить желаемая реакция. это может быть очень полезно

Газовые реакции

Реакционная камера химического осаждения из паровой фазы

Многие твердые вещества активно реагируют с химически активными частицами газа, такими как хлор, йод, кислород и т. Д. Другие образуют аддукты с другими газами, например CO или этиленом. Такие реакции часто проводятся в трубке с открытым концом с обеих сторон, через которую проходит газ. Вариант этого состоит в том, чтобы позволить реакции происходить внутри измерительного устройства, такого как ТГА . В этом случае во время реакции можно получить стехиометрическую информацию, которая помогает идентифицировать продукты.

Реакции химического переноса используются для очистки и выращивания кристаллов материалов. Процесс часто проводят в запаянной ампуле. Процесс переноса влечет за собой добавление небольшого количества транспортного агента, например йода, который генерирует летучие промежуточные частицы, которые мигрируют (транспортируют). Затем ампулу помещают в печь с двумя температурными зонами.

Химическое осаждение из паровой фазы - это метод, который широко используется для получения покрытий и полупроводников из молекулярных предшественников.

Характеристика

Новые фазы, фазовые диаграммы, структуры

Синтетическая методология и характеристика часто идут рука об руку в том смысле, что готовят и подвергают термообработке не одну, а серию реакционных смесей. Стехиометрия обычно систематически варьируется, чтобы найти, какие стехиометрии приведут к новым твердым соединениям или к твердым растворам между известными. Первичный метод определения характеристик продуктов реакции - это порошковая дифракция , поскольку во многих реакциях в твердом состоянии образуются поликристаллические слитки или порошки. Порошковая дифракция облегчит идентификацию известных фаз в смеси. Если обнаружен узор, который неизвестен в библиотеках дифракционных данных, можно попытаться проиндексировать узор, то есть определить симметрию и размер элементарной ячейки. (Если продукт не кристаллический, определение характеристик обычно намного сложнее.)

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

Как только элементарная ячейка новой фазы известна, следующим шагом будет определение стехиометрии фазы. Это можно сделать несколькими способами. Иногда состав исходной смеси подскажет,

если найден только один продукт - единичный образец порошка - или если кто-то пытался создать фазу определенного состава по аналогии с известными материалами, но это редко. Часто для получения чистого образца нового материала требуются значительные усилия по совершенствованию синтетической методологии. Если возможно отделить продукт от остальной реакционной смеси, можно использовать элементный анализ. Другой способ связан с SEM и генерацией характеристического рентгеновского излучения в электронном пучке. Рентгеновская дифракция также используется из-за ее возможностей построения изображений и скорости генерации данных.

Последнее часто требует пересмотра и уточнения процедур приготовления, что связано с вопросом, какие фазы стабильны при каком составе и какой стехиометрии. Другими словами, как выглядит фазовая диаграмма . Важным инструментом в установлении этого является метод термического анализа , такой как ДСК или ДТА, а также все чаще благодаря появлению синхротронов, зависящей от температуры порошковой дифракции. Более глубокое знание фазовых соотношений часто приводит к дальнейшему

Рентгеновский дифрактометр (XRD)

итеративное уточнение синтетических процедур. Таким образом, новые фазы характеризуются своими температурами плавления и стехиометрическими доменами. Последнее важно для многих твердых веществ, которые не являются стехиометрическими соединениями. Параметры ячейки, полученные с помощью XRD, особенно полезны для характеристики диапазонов однородности последнего.

Местная структура

В отличие от больших структур кристаллов, локальная структура описывает взаимодействие ближайших соседних атомов. В методах ядерной спектроскопии используются определенные ядра для исследования электрических и магнитных полей вокруг ядра. Например, градиенты электрического поля очень чувствительны к небольшим изменениям, вызванным расширением / сжатием решетки (термическим или давлением), фазовыми изменениями или локальными дефектами. Распространенными методами являются мессбауэровская спектроскопия и возмущенная угловая корреляция .

Дальнейшая характеристика

Во многих, но, конечно, не во всех случаях, новые твердые соединения дополнительно характеризуются множеством методов, которые выходят за тонкую грань, которая (едва ли) отделяет химию твердого тела от физики твердого тела. См. Определение характеристик в материаловедении .

Оптические свойства

Для неметаллических материалов часто можно получить спектры UV / VIS. В случае полупроводников это даст представление о ширине запрещенной зоны.

Цитаты

  1. ^ a b West, Энтони Р. (2004). Химия твердого тела и ее приложения . ISBN   981-253-003-7 .
  2. ^ Канатзитис, Меркури G. (2018). «Отчет с третьего семинара по будущим направлениям химии твердого тела: состояние химии твердого тела и ее влияние на физические науки». Прогресс в химии твердого тела . 36 (1–2): 1–133. doi : 10.1016 / j.progsolidstchem.2007.02.002 - через Elsevier Science Direct.
  3. ^ Мартин, Манфред (декабрь 2002 г.). «Жизнь и достижения Карла Вагнера, 100 лет со дня рождения». Ионика твердого тела . 152–153: 15–17. DOI : 10.1016 / S0167-2738 (02) 00318-1 .
  4. ^ Читам, AK; День, Питер (1988). Химия твердого тела: Метод . ISBN   0198552866 .
  5. ^ "Руководство по эксплуатации высокотемпературной вакуумной трубчатой ​​печи GSL-1100" (PDF) .
  6. ^ Карлссон, Ян-Отто (2010). Справочник по технологиям осаждения пленок и покрытий (Третье изд.). Уильям Эндрю. ISBN   978-0-8155-2031-3 .
  7. ^ Schülli, Tobias U. (сентябрь 2018). «Визуализация материалов с помощью дифракции рентгеновских лучей» . Современные взгляды на твердое тело и материаловедение . 22 (5): 188–201. Bibcode : 2018COSSM..22..188S . DOI : 10.1016 / j.cossms.2018.09.003 .
  8. ^ ср. Глава 12 «Элементы дифракции рентгеновских лучей», BD Cullity, Addison-Wesley, 2-е изд. 1977 ISBN   0-201-01174-3
  9. ^ ср. Глава 2 « Новые направления в химии твердого тела» . CNR Рао и Дж. Гопалакришнан. Cambridge U. Press 1997 ISBN   0-521-49559-8
  10. Перейти ↑ Cox, PA (1995). Оксиды переходных металлов: введение в их электронную структуру и свойства . Oxford Univ. Нажмите. ISBN   978-0-19-958894-7 .

Внешние ссылки

  • СМИ, связанные с химией твердого тела на Викискладе?
  • [1] , Садовей, Дональд. 3.091SC; Введение в химию твердого тела, осень 2010 г. (Массачусетский технологический институт: MIT OpenCourseWare)