fasta tillståndets fysik (ftf) – vad är det?fy.chalmers.se/~jonson/ftf/f1.pdfftf – mångfalden...

0. Lite om ämnet och kursen

Fasta tillståndets fysik (FTF) – Vad är det?

FTF förvaltar och utvecklar det centrala kunskapsstoffet rörande fasta ämnens olika egenskaper:

- Elektriska- Optiska- Termiska- Magnetiska- Mekaniska egenskaper

Förklarar fenomen på mikroskopisk nivå – länk mellan atomerna och vardagens värld

FTF är det största fysikområdet vad antalet fysiker beträffar

Stora industrigrenar är baserade på forskning inom FTF

Historia (http:www.nobel.se)Start med röntgen (bestämning av atomär ordning, 1910-tal) ochkvantmekanik (1920-tal). Upptäckten av supraledare. Halvledare, transistorn.

RöntgenNP 1901

OnnesNP 1912

von LaueNP 1914

W L BraggNP 1915

EinsteinNP 1921

BohrNP 1922

HeisenbergNP 1932

Bardeen, Brattain och ShockleyNP 1956

Schrödinger och DiracNP 1933

FTF – Mångfalden tenderar dölja enhetlighetenOmöjligt att exakt hantera kända lagar för fasta ämnen med 1023 atomer/cm3

(Coulombs lag, Fermi-Dirac-statistik för elektroner, Schrödingerekvationen).

Hur förklara magnetism, supraledning, ... ?

Drastiska approximationer behövs och används, mer eller mindre välmotiverade

Diversifierat stoff. Mångfald fenomen. Ny ”story” för varje kapitel.

FTF för F3:Grundkurs för alla materialkurser från elektronmikroskopi,fysikalisk elektronik, ytfysik, vätskekristallfysik. Allmänbildande för civ.ing.Grund för de som vill forska inom området.

Kursen är omfattande – läs kontinuerligt!

Minimum: Satsa på diffraktion, gittervibrationer, frielektrongasen och halvledare

1. Kristallstruktur

1.1 InledningKristall - Historiskt sett beteckning på transparent mineral, ofta med regel-bundna former, studerade sedan 1600-talet.

Kvarts (Bergkristall), SiO2 Akvamarin, Be3Al2SiO3

Kristallglas (G. Ravenscroft, England, 1674) är ett särskilt transparent glas(blymönja i stället för soda blandas med kvartshaltig sand)

N. Stena (dansk) skrev 1669 i sin ”De solido intrasolidum naturalilar contenta”Att ”kalkspatens kristallytor visserligen växla, men att vinklarna emellan ytornaÄr konstanta”. Ledtråd till att kristallen byggs upp av identiska byggstenar.

Kristall – definition 1912-1996: Fast kropp där atomernas position beskrivs av ett punktgitter + en bas av atomer, identiskt ordnade till varje punkt.

Punktgittret är ett translationsgitter:

Rm,n,p = ma1 + na2 + pa3

Jfr tapetmönster! Ex. i 2 dim

Kristall – definition 1996- nu: Fast kropp, som ger ett väldefinieratDiffraktionsmönster (mer om detta senare – ”kvasikristaller”)

Kristaller bildas av de flesta ämnen alltifrån grundämnen till proteineroch DNA-molekyler (grund för strukturbestämning!)

Kristallit = liten kristall = korn

Ex. metall bit

Mellan kornen finns korngränser med mindre god ordning. Kornens storlekberor på tillverkningsprocessen

Etsning gör kornen synliga pga annan reaktionsbenägenhet för korngränserna

stål

Enkristaller – hela provet är ett enda korn.

Kan tillverkas med speciella metoder. Stor tillverkning av enkristallint kiselför halvledarindustrin.

Polykristallint kiselsmälts

Degeln sänks o roteras sakta, ca 1 dm/dygnProduktionen i gång

DiffraktionBestämning av kristallstrukturen görs med diffraktion (ex. av röntgenstrålning. Sedan 1912, von Laue, Bragg, ...)

Strålning ut endastI vissa riktningar. Mätdessa och funderaut strukturen

ProvStrålning in

Ex. DNA-molekylen (NP1962 till Crick, Watson, Wilkins; Rosalyn Franklin)

Ex. Cs+Cl-

Mönsterbit?Enhetscell, här en kub

Gitter?Kubiskt gitter, sc (simple cubic)

Bas?Ena jonslaget i (0,0,0) det andrai a/2(1,1,1)Cl-

Cs+

Ex: Tätpackad struktur I(hexagonal tätpackning, ”hexagobnal close packed, hcp)

ABABABAB...

A

B

A

Ex: Tätpackad struktur II(Ytcentrerad kubisk struktur,face centered cubic, fcc)

Koordinationstal?=antalet närmaste grannar=12

Packningstäthet?=atomvolym/cellvolym=0,74

Ex: Rymdcentrerad kubisk struktur(body centered cubic, bcc)

Koordinationstal?=antalet närmaste grannar=8

Packningstäthet?=atomvolym/cellvolym=0,68

Fcc och bcc beskrivna som sc: Bas?

Bas: en atom i (0,0,0) en atom i a/2(1,1,1)

2 atomer i basen

Bas: en i (0,0,0) en i a/2(1,1,0)en i a/2(1,0,1)en i a/2(0,1,1)

4 atomer i basen

Primitiva translationsvektorer (a1,a2,a3) för bcc, fcc är inritade (till vänster). De spänner den minsta möjliga enhetscellen = den primitiva enhetscellen