Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej. Mateusz Goryca

Podobne dokumenty
STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

Fizyka Ciała Stałego

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Stany skupienia materii

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Elementy teorii powierzchni metali

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

Krystalografia. Typowe struktury pierwiastków i związków chemicznych

Wykład 5. Komórka elementarna. Sieci Bravais go

Wykład 9 Wprowadzenie do krystalochemii

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Elementy teorii powierzchni metali

Wiązania chemiczne. Związek klasyfikacji ciał krystalicznych z charakterem wiązań atomowych. 5 typów wiązań

Uniwersytet Śląski Instytut Chemii Zakład Krystalografii. Laboratorium z Krystalografii. 2 godz. Komórki Bravais go

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Wiązania chemiczne w ciałach stałych. Wiązania chemiczne w ciałach stałych

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Budowa ciał stałych. sieć krystaliczna układy krystalograficzne sieć realna defekty wiązania w ciałach stałych

Rozwiązanie: Zadanie 2

STRUKTURA MATERIAŁÓW. Opracowanie: Dr hab.inż. Joanna Hucińska

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Podział ciał stałych ze względu na strukturę atomowo-cząsteczkową

Właściwości kryształów

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

STRUKTURA MATERIAŁÓW

Zasady obsadzania poziomów

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas II LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Struktura krystaliczna. Struktura krystaliczna

Opracowała: mgr inż. Ewelina Nowak

Wiązania jonowe występują w układach złożonych z atomów skrajnie różniących się elektroujemnością.

Położenia, kierunki, płaszczyzny

Orbitale typu σ i typu π

Podstawowe pojęcia opisujące sieć przestrzenną

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej metodę (teorię): metoda wiązań walencyjnych (VB)

Podstawy krystalochemii pierwiastki

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

Tradycyjny podział stanów skupienia: fazy skondensowane

Układy krystalograficzne

CZĄSTECZKA. Do opisu wiązań chemicznych stosuje się najczęściej jedną z dwóch metod (teorii): metoda wiązań walencyjnych (VB)

1 i 2. Struktura elektronowa atomów, tworzenie wiązań chemicznych

STRUKTURA IDEALNYCH KRYSZTAŁÓW

Wykład V Wiązanie kowalencyjne. Półprzewodniki

E e l kt k r t o r n o ow o a w a s t s r t u r kt k u t ra r a at a o t m o u

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Cz. I Materiał powtórzeniowy do sprawdzianu dla klas I LO - Wiązania chemiczne + przykładowe zadania i proponowane rozwiązania

Dr inż. Zbigniew Szklarski

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Dr inż. Zbigniew Szklarski

Elektryczne własności ciał stałych

Jak TO działa? Co to są półprzewodniki? TRENDY: Prawo Moore a. Google: Jacek Szczytko Login: student Hasło: *******

1. Określ liczbę wiązań σ i π w cząsteczkach: wody, amoniaku i chloru

Rozszczepienie poziomów atomowych

Okresowość właściwości chemicznych pierwiastków. Układ okresowy pierwiastków. 1. Konfiguracje elektronowe pierwiastków

Wykład 4: Struktura krystaliczna

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

STRUKTURA KRYSZTAŁÓW

S 2, C 2h,D 2h,D 3d,D 4h, D 6h, O h

Laboratorium inżynierii materiałowej LIM

Wykład II Sieć krystaliczna

Fizyka materii skondensowanej i struktur półprzewodnikowych (1101-4FS22) Michał Baj

Teoria VSEPR. Jak przewidywac strukturę cząsteczki?

Struktura elektronowa

III.4 Gaz Fermiego. Struktura pasmowa ciał stałych

Teoria pasmowa ciał stałych

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Elementy teorii powierzchni metali

Podstawy fizyki wykład 4

Atomy wieloelektronowe i cząsteczki

Układ regularny. Układ regularny. Możliwe elementy symetrii: Możliwe elementy symetrii: 3 osie 3- krotne. m płaszczyzny przekątne.

Krystalografia i krystalochemia Wykład 15 Repetytorium

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Temat Ocena dopuszczająca Ocena dostateczna Ocena dobra Ocena bardzo dobra Ocena celująca. Uczeń:

Klasyfikacja przemian fazowych

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

4. STRUKTURA KRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH. Irena Zubel Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska (na prawach rękopisu)

ROZDZIAŁ I. Symetria budowy kryształów

CZ STECZKA. Do opisu wi za chemicznych stosuje si najcz ciej jedn z dwóch metod (teorii): metoda wi za walencyjnych (VB)

Elektronowa struktura atomu

2. Właściwości krzemu. 3. Chemia węgla a chemia krzemu. 4. Związki krzemu.

Materiały Reaktorowe. - wiązanie chemiczne. - budowa ciał stałych - struktura pasmowa

Zadanie 1. (2 pkt) Określ, na podstawie różnicy elektroujemności pierwiastków, typ wiązania w związkach: KBr i HBr.

Rodzina i pas płaszczyzn sieciowych

Podstawowe właściwości fizyczne półprzewodników WYKŁAD 1 SMK J. Hennel: Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, W-wa 2003

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Sieć przestrzenna. c r. b r. a r. komórka elementarna. r r

Związki chemiczne. Większość pierwiastków oddziałuje ze sobą tworząc związki chemiczne

Atomy wieloelektronowe

Wykład z Chemii Ogólnej

+ + Struktura cia³a sta³ego. Kryszta³y jonowe. Kryszta³y atomowe. struktura krystaliczna. struktura amorficzna

Transkrypt:

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej Mateusz Goryca mgoryca@fuw.edu.pl Uniwersytet Warszawski 2015

Materia skondensowana OC 6 H 13 H 13 C 6 O OC 6 H 13 H 17 C 8 O H 17 C 8 O N N Cu O O H 21 C 10 O OC 10 H 21 OC 10 H 21

Kondensacja Kondensacja: co najmniej bliski porządek (ciecze, ciała stałe amorficzne, szkła) daleki porządek (ciała krystaliczne) Opis teoretyczny cieczy, ciał amorficznych, szkieł, kwazikryształów bardzo skomplikowany brak symetrii translacyjnej. http://www.fuw.edu.pl/~baj 2015-12-03 3

Kondensacja Kondensacja: co najmniej bliski porządek (ciecze, ciała stałe amorficzne, szkła) daleki porządek (ciała krystaliczne) Opis teoretyczny cieczy, ciał amorficznych, szkieł, kwazikryształów bardzo skomplikowany brak symetrii translacyjnej. http://www.fuw.edu.pl/~baj 2015-12-03 4

Kondensacja molten mixture of aluminium and manganese under an electron microscope http://www.fuw.edu.pl/~baj 2015-12-03 5

Porządek bliskiego zasięgu Al 2 O 3 Bliski porządek: ciała bezpostaciowe (amorficzne), przechłodzone ciecze każdy biały atom ma 2 czarnych sąsiadów każdy czarny atom ma 3 białych sąsiadów brak symetrii translacyjnej R. Stępniewski, Współczesne metody doświadczalne fizyki materii skondensowanej i optyki M. Baj Wykład 1 2015-12-03 6

Porządek dalekiego zasięgu Al 2 O 3 Daleki porządek, kryształ (także ciekły!) każdy biały atom ma 2 czarnych sąsiadów każdy czarny atom ma 3 białych sąsiadów symetria translacyjna R. Stępniewski, Współczesne metody doświadczalne fizyki materii skondensowanej i optyki M. Baj Wykład 1 2015-12-03 7

http://sparkcharts.sparknotes.com/chemistry/organicchemistry1/section2.php Rodzaje wiązań Kowalencyjne http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia

Kowalencyjne Rodzaje wiązań Półprzewodniki Energia wiązania na atom: C (diament) 7.30 ev Si 4.64 ev Ge 3.87 ev

Kowalencyjne Rodzaje wiązań Półprzewodniki II III IV V VI Be B C N O Mg Al Si P S Jonowość Jonowość Zn Ga Ge As Se Cd In Sn Sb Te Grupa IV: diament, Si, Ge Grupy III-V: GaAs, AlAs, InSb, InAs... Grupy II-VI: ZnSe, CdTe, ZnO, SdS...

Rodzaje wiązań Kowalencyjne http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia

Kowalencyjne Rodzaje wiązań Węgiel Odmiany alotropowe węgla: (Wikipedia) a) diament, b) grafit, c) lonsdaleit d) fuleren C60 e) fuleren C540 f) fuleren C70 g) węgiel amorficzny, h) nanorurka

http://www.weltderphysik.de/de/4245.php?ni=423&pi=428 Rodzaje wiązań Kowalencyjne Grafen

Ogród Zoologiczny nanorurek Single Wall Nanotube (Zig-Zag Type) Uprolling a Graphene (Zig-Zag Type) Single Wall Nanotube (Arm-Chair Type) Uprolling a Graphene (Arm-Chair Type) Single Wall Nanotube (Chiral Type) f = 0.246 (n 2 +nm+m 2 ) 1/2 / π (nm) www.surf.nuqe.nagoya-u.ac.jp/nanotubes/omake/nanotubes/nanotubes.html

Winda do nieba

plumber s nightmare

Wiązanie jonowe Rodzaje wiązań Elektroujemność (ozn. c) - zdolność atomu w cząsteczce do przyciągania (przyłączania) elektronu. W skrajnym przypadku, gdy elektroujemności obu pierwiastków bardzo się różnią (np. Li i F), dochodzi do pełnego przeskoku elektronów na bardziej elektroujemny atom, co prowadzi do powstania wiązania jonowego (Dc 1,7). NaCl Tablica 2.4. Wartości elektroujemności (wg Paulinga) dla kilku ważniejszych pierwiastków (dla H przyjęto 2,1) I II III IV V VI VII Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 Rb 0,8 Be 1,5 Mg 1,2 Ca 1,0 B 2,0 Al 1,5 Ga 1,6 Jonowość C 2,5 Si 1,8 Ge 1,7 Sn 1,7 N 3,0 P 2,1 As 2,0 O 3,5 S 2,5 Se 2,4 Jonowość F 4,0 Cl 3,0 Br 2,8 J 2,4

http://www.fhi-berlin.mpg.de/th/jg/home.htm Wiązanie jonowe Rodzaje wiązań Elektroujemność (ozn. c) - zdolność atomu w cząsteczce do przyciągania (przyłączania) elektronu. W skrajnym przypadku, gdy elektroujemności obu pierwiastków bardzo się różnią (np. Li i F), dochodzi do pełnego przeskoku elektronów na bardziej elektroujemny atom, co prowadzi do powstania wiązania jonowego (Dc 1,7). Umownie: NaCl Wiązanie kowalencyjne Dc 0,4 Wiązanie polarne 0,4 Dc 1,7 Wiązanie jonowe Dc 1,7

Wiązanie jonowe Rodzaje wiązań Elektroujemność (ozn. c) - zdolność atomu w cząsteczce do przyciągania (przyłączania) elektronu. W skrajnym przypadku, gdy elektroujemności obu pierwiastków bardzo się różnią (np. Li i F), dochodzi do pełnego przeskoku elektronów na bardziej elektroujemny atom, co prowadzi do powstania wiązania jonowego (Dc 1,7). NaCl C. Kittel

Wiązanie jonowe Rodzaje wiązań W kryształach jonowych jest niemożliwe, żeby elektrony poruszały się prawie swobodnie pomiędzy jonami, chyba że dostarczymy dużą energię. Dlatego ciała stałe o wiązaniach jonowych są nieprzewodzące. W wysokich temperaturach przewodnictwo jonowe. NaCl Energia wiązania na parę jonów: NaCl 7.95 ev NaI 7.10 ev KBr 6.92 ev Rozkład gęstości ładunku w płaszczyźnie podstawowej NaCl na podst. badań rentgenowskich. C. Kittel

Wiązanie metaliczne Rodzaje wiązań Wiązanie chemiczne w metalach, utworzone w wyniku elektrodynamicznego oddziaływania między dodatnio naładowanymi rdzeniami atomowymi, które znajdują się w węzłach sieci krystalicznej, a ujemnie naładowaną plazmą elektronową (elektronami zdelokalizowanymi, gazem elektronowym). Podobne do wiązania kowalencyjnego, ale elektrony tworzące wiązanie są wspólne dla wielkiej liczby atomów. e e e e e Na + e Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + e e e e e Na + e Na + e Na + e Na + e Na + e Na + e Na + Na + Na + Na + Na + e e e e Na + Na + Na + Na + Na + e e e e Na + Na + Na + Na + Na + e e Gaz elektronowy

Wiązanie wodorowe Uwspólnienie wodoru Rodzaje wiązań Celuloza

Wiązanie van der Waalsa Rodzaje wiązań Ne, Ar, Kr, Xe oddziaływanie wyindukowanych momentów dipolowych. http://www.smart-elements.com F ~ r -6

Wiązania Rodzaje wiązań Wiązanie kowalencyjne Wiązanie jonowe Wiązanie metaliczne Wiązanie kierunkowe (hybrydyzacja) Izolatory lub półprzewodniki (ładunek pomiędzy atomami) Wiele ze związków kowalencyjnych rozpuszcza się w rozpuszczalnikach niepolarnych, a nie rozpuszcza się w wodzie Wiązanie bezkierunkowe Izolatory (ładunek skupiony na jonach) Wiele ze związków jonowych rozpuszcza się w rozpuszczalnikach polarnych (woda), a nie rozpuszcza się w niepolarnych

Struktura krystaliczna Kryształy Kryształ Ciało amorficzne

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 V( r) V ( r T) wektory translacji prymitywnych Sieć (węzły sieci) jest regularnym i periodycznym układem punktów w przestrzeni. Jest ona matematyczną abstrakcją; ze strukturą krystaliczną mamy do czynienia jedynie wtedy, gdy baza atomów jest przyporządkowana jednoznacznie do każdego węzła sieci. Kryształ Ciało amorficzne

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Wektory translacji prymitywnych nie są wybrane jednoznacznie!

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Wektory translacji prymitywnych nie są wybrane jednoznacznie!

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Można na wiele sposobów wybrać komórkę elementarną. Zwykle chcemy, żeby komórka taka: miała możliwie najwyższą symetrię, najmniejszą objętość Komórka prosta: komórka elementarna o najmniejszej objętości Komórka prosta

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Komórka Wignera-Seitza C. Kittel

Kryształy T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Bazą może być pojedynczy atom, jon, zbiór atomów, np. dla białek 10 5.

Struktura krystaliczna Kryształy T n t 1 1 n2t2 n3t3 R 0 j Baza R nj R 0 j T wektory translacji prymitywnych Bazą może być pojedynczy atom, jon, zbiór atomów, np. dla białek 10 5.

Sieci Bravais T n t Struktura krystaliczna 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Istnieje 14 możliwych sieci wypełniających przestrzeń. Sieci te noszą nazwę sieci Bravais. Tworzą one 7 układów krystalograficznych Auguste Bravais 1811-1863

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Regularna Istnieje 14 możliwych sieci wypełniających przestrzeń. Sieci te noszą nazwę sieci Bravais. a b c 90 Tworzą one 7 układów krystalograficznych a b c 90 Tetragonalna Heksagonalna a b c 90 120 Rombowa a b c 90 Romboedryczna a b c 120 90 Jednoskośna a b c 90 90 a b c Trójskośna

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania 1 warstwa A

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania 1 warstwa A 2 warstwa B

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania 1 warstwa A 2 warstwa B 3 warstwa A B A B

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania 1 warstwa A 2 warstwa B 3 warstwa C A B C

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania Sieć heksagonalna z bazą Sieć fcc

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania Sieć fcc

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania Sieć fcc

Struktura krystaliczna Sieci Bravais Przykład: struktura najgęstszego upakowania Sieć fcc

Oznaczenie węzłów Kryształy T n t 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Wskaźniki węzłów: Sieć fcc 001 011 ½ ½ 1 101 111 Krawędzie komórki elementarnej n a, n a 1 1 n2a2, 3 3 Wskaźniki węzła ½ 0½ 1½ ½ 0½ ½ ½1 ½ 000 010 100 ½ ½0 110

Oznaczenie węzłów Kryształy T n t 1 1 n2t2 n3t3 wektory translacji prymitywnych Wskaźniki węzłów: Sieć fcc 001 011 ½ ½ 1 101 111 Krawędzie komórki elementarnej n a, n a 1 1 n2a2, 3 3 Wskaźniki węzła n 1 n2 n3 ½ 0½ 000 1½ ½ 0½ ½ ½1 ½ 010 100 ½ ½0 110

Oznaczenie kierunków Kryształy Wskaźniki kierunków: Zbiór najmniejszych liczb całkowitych względnie pierwszych u,v,w, które mają się do siebie tak, jak rzuty wektora równoległego do danego kierunku na osie krystaliczne. u v w Sieć fcc [001] 011 ½ ½ 1 [112] [101] [111] Krawędzie komórki elementarnej n a, n a 1 1 n2a2, 3 3 Wskaźniki węzła n 1 n2 n3 ½ 0½ 1½ ½ 000 0½ ½ ½1 ½ [010] [100] ½ ½0 [110]

Oznaczenie kierunków Kryształy Wskaźniki kierunków: u v w Zbiór najmniejszych liczb całkowitych względnie pierwszych u,v,w, które mają się do siebie tak, jak rzuty wektora równoległego do danego kierunku na osie krystaliczne. u v w Liczbę ujemną zaznaczamy minusem nad wskaźnikiem Sieć fcc [001] 011 ½ ½ 1 [112] [101] [111] 0½ ½ ½ 0½ ½1 ½ 1½ ½ 001 001 000 [010] [100] ½ ½0 [110]

Oznaczenie płaszczyzn Kryształy Należy podać trzy odcinki A, B, C, które płaszczyzna odcina na osiach sieci. Odcinki te wyrażamy w jednostkach osiowych i zapisujemy 1/A, 1/B, 1/C i sprowadzamy do najmniejszego wspólnego mianownika D. hk l h D D, k, l A B Np.: A=2, B=3, C=6, płaszczyzna (3,2,1) (wskaźniki Millera) Na ćwiczeniach: obliczyć odległości między kolejnymi płaszczyznami o symbolu (h,k,l). D C C 000 B A

Oznaczenie płaszczyzn Kryształy Należy podać trzy odcinki A, B, C, które płaszczyzna odcina na osiach sieci. Odcinki te wyrażamy w jednostkach osiowych i zapisujemy 1/A, 1/B, 1/C i sprowadzamy do najmniejszego wspólnego mianownika D. hk l h D D, k, l A B Np.: A=2, B=3, C=6, płaszczyzna (3,2,1) (wskaźniki Millera) D C C [321] Na ćwiczeniach: obliczyć odległości między kolejnymi płaszczyznami o symbolu (h,k,l). 000 B A

Kryształy Oznaczenie płaszczyzn Należy podać trzy odcinki A, B, C, które płaszczyzna odcina na osiach sieci. Odcinki te wyrażamy w jednostkach osiowych i zapisujemy 1/A, 1/B, 1/C i sprowadzamy do najmniejszego wspólnego mianownika D. hk l h D D, k, l A B D C (100) (110) (111)

Oznaczenie płaszczyzn Kryształy (110) (120) (212) (100) (110) (111)

Kryształy Oznaczenie płaszczyzn