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