วัสดุสถานะของแข็ง
เคมีของวัสดุสถานะของแข็งเป็นการศึกษาโครงสร้าง การสังเคราะห์ และสมบัติของของแข็งอนินทรีย์แบบขยาย ซึ่งอะตอมจะยึดเหนี่ยวกันเป็นโครงสร้างสามมิติแบบเป็นคาบ แทนที่จะเป็นโมเลกุลแยกเดี่ยว
Definition
เคมีของวัสดุสถานะของแข็งคือการศึกษาองค์ประกอบ การจัดเรียงตัวของอะตอม การเตรียม และสมบัติที่ขึ้นกับโครงสร้างของของแข็งที่ไม่ใช่โมเลกุล ซึ่งเชื่อมโยงโครงสร้างผลึกและพันธะเข้ากับพฤติกรรมทางกายภาพของวัสดุจำนวนมาก
Scope
สาขานี้ครอบคลุมของแข็งอนินทรีย์ทั้งแบบผลึกและอสัณฐานที่ศึกษาจากมุมมองทางเคมี: การจัดเรียงตัวของอะตอมในโครงสร้างผลึกและการเบี่ยงเบนจากอุดมคติของข้อบกพร่อง; วิธีการสร้างของแข็งด้วยวิธีอุณหภูมิสูง ฟลักซ์ และเคมีแบบอ่อน; วิธีที่องค์ประกอบและอุณหภูมิกำหนดเฟสผ่านแผนภาพเฟสและการเปลี่ยนแปลงเฟส; และวิธีที่โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์โดยรวมของของแข็งทำให้เกิดพฤติกรรมแบบโลหะ สารกึ่งตัวนำ หรือฉนวน เป็นรากฐานทางเคมีที่ใช้ในการสร้างเซรามิก วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุพลังงาน
Sub-topics
Core questions
- อะตอมและไอออนจัดเรียงตัวกันอย่างไรในโครงสร้างผลึกของของแข็งอนินทรีย์?
- ข้อบกพร่องแบบจุด แบบเส้น และแบบระนาบควบคุมสมบัติของของแข็งจริงได้อย่างไร?
- เส้นทางการสังเคราะห์ใดที่ทำให้ได้เฟสของแข็งที่ต้องการ?
- โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของของแข็งกำหนดได้อย่างไรว่ามันเป็นโลหะ สารกึ่งตัวนำ หรือฉนวน?
Key concepts
- เซลล์หน่วยและแลตทิซบราเวส์
- การจัดเรียงตัวแบบแน่นที่สุดและตำแหน่งช่องว่าง
- ข้อบกพร่องแบบจุดและแบบขยาย
- ภาวะไม่เป็นสัดส่วน
- แผนภาพเฟส
- แถบพลังงานและช่องว่างแถบพลังงาน
Key theories
- โครงสร้างผลึกและการจัดเรียงตัวแบบแน่นที่สุด
- โครงสร้างของของแข็งอนินทรีย์หลายชนิดสามารถอธิบายได้ว่าเป็นการจัดเรียงตัวแบบแน่นที่สุดของไอออนชนิดหนึ่ง โดยมีไอออนอีกชนิดหนึ่งครอบครองช่องว่างเตตระฮีดรัลหรือออกตะฮีดรัล ทำให้เกิดชุดของชนิดโครงสร้างจำนวนน้อย (เช่น ร็อกซอลต์ ฟลูออไรต์ สปิเนล เพอร์รอฟสไกต์) ซึ่งความเสถียรขึ้นอยู่กับรัศมีไอออนิกและพันธะ
- เคมีของข้อบกพร่องในของแข็ง
- ผลึกจริงมีข้อบกพร่องแบบจุด (ช่องว่าง, อะตอมแทรก, อะตอมแทนที่) ซึ่งความเข้มข้นสมดุลถูกกำหนดโดยอุณหพลศาสตร์; ภาวะไม่เป็นสัดส่วนและสมดุลของข้อบกพร่องควบคุมการนำไฟฟ้าไอออนิก สี และการแพร่ในของแข็ง
- ทฤษฎีแถบพลังงานของของแข็ง
- การซ้อนทับกันของออร์บิทัลอะตอมทั่วทั้งแลตทิซแบบเป็นคาบจะขยายระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องให้กลายเป็นแถบพลังงาน; การเติมเต็มแถบพลังงานเหล่านี้และขนาดของช่องว่างระหว่างแถบพลังงานเป็นตัวแยกแยะโลหะ สารกึ่งตัวนำ และฉนวน
Clinical relevance
เคมีสถานะของแข็งเป็นรากฐานของวัสดุในเทคโนโลยีสมัยใหม่: ชนิดของโครงสร้างและเคมีของข้อบกพร่องที่ศึกษาในที่นี้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่ อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง ตัวเร่งปฏิกิริยา เม็ดสี และอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ และการสังเคราะห์เฟสของแข็งใหม่ๆ อย่างมีเหตุผลเป็นหัวใจสำคัญในการค้นพบวัสดุเชิงฟังก์ชัน
History
ความเข้าใจอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับของแข็งผลึกเกิดขึ้นหลังจากการพัฒนาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์โดย Braggs ในช่วงทศวรรษ 1910 ซึ่งทำให้สามารถกำหนดการจัดเรียงตัวของอะตอมในของแข็งได้โดยตรง กฎของ Pauling ได้อธิบายโครงสร้างผลึกไอออนิกอย่างมีเหตุผลในทศวรรษ 1920 ในขณะที่งานของ Wagner และ Schottky เกี่ยวกับสมดุลของข้อบกพร่องในทศวรรษ 1930 ได้ยืนยันว่าของแข็งจริงจำเป็นต้องมีข้อบกพร่องทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเป็นรากฐานของเคมีสถานะของแข็งสมัยใหม่
Key figures
- Linus Pauling
- William Lawrence Bragg
- Carl Wagner
Related topics
Seminal works
- west2014
- smartmoore2012
- kittel2005
Frequently asked questions
- เคมีสถานะของแข็งแตกต่างจากฟิสิกส์สถานะของแข็งอย่างไร?
- ทั้งสองสาขามีความทับซ้อนกันอย่างมาก แต่เคมีสถานะของแข็งเน้นที่องค์ประกอบ พันธะ การสังเคราะห์ และความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและสมบัติของสารประกอบ (มักจะเป็นสารประกอบใหม่) ในขณะที่ฟิสิกส์สถานะของแข็งเน้นที่ทฤษฎีทางฟิสิกส์ของอิเล็กตรอนและโฟนอนในแลตทิซในอุดมคติ ในทางปฏิบัติ ทั้งสองสาขาวิชาใช้วิธีการร่วมกันและมักจะศึกษาวัสดุเดียวกัน
- ทำไมข้อบกพร่องในผลึกจึงหลีกเลี่ยงไม่ได้?
- การนำข้อบกพร่องแบบจุดจำนวนเล็กน้อยเข้ามาในผลึกจะเพิ่มเอนโทรปีเชิงการจัดเรียงตัวของผลึก ทำให้พลังงานอิสระลดลงเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้น อุณหพลศาสตร์จึงกำหนดให้มีข้อบกพร่องสมดุลในปริมาณจำกัดในผลึกจริงใดๆ ที่อุณหภูมิไม่เป็นศูนย์