✖


Jump to content

Химия твердого тела

Химия твердого тела , также иногда называемая химией материалов , представляет собой изучение синтеза , структуры и свойств твердофазных материалов. Таким образом, она сильно пересекается с физикой твердого тела , минералогией , кристаллографией , керамикой , металлургией , термодинамикой , материаловедением и электроникой с упором на синтез новых материалов и их характеристику. разнообразных синтетических методов, таких как керамический метод и химическое осаждение из паровой фазы Твердотельные материалы создаются с помощью . Твердые тела можно разделить на кристаллические и аморфные в зависимости от порядка, присутствующего в расположении составляющих их частиц. [1] Их элементный состав, микроструктуру и физические свойства можно охарактеризовать с помощью различных аналитических методов.

История [ править ]

Кремниевая пластина для использования в электронных устройствах.

Из-за своей прямой связи с коммерческой продукцией неорганическая химия твердого тела сильно зависит от технологий. Прогресс в этой области часто стимулировался потребностями промышленности, иногда в сотрудничестве с научными кругами. [2] 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 стало важной инновацией. Наше понимание того, как реакции протекают на атомном уровне в твердом состоянии, значительно продвинулось благодаря работам Карла Вагнера по теории скорости окисления, встречной диффузии ионов и химии дефектов. За его вклад его иногда называют отцом химии твердого тела . [3]

Синтетические методы [ править ]

Учитывая разнообразие твердотельных соединений, для их получения используется столь же разнообразный набор методов. [1] [4] Синтез может варьироваться от высокотемпературных методов, таких как керамический метод, до газовых методов, таких как химическое осаждение из паровой фазы . Часто методы предотвращают образование дефектов. [5] или производить продукцию высокой чистоты. [6]

Высокотемпературные методы [ править ]

Керамический метод [ править ]

Керамический метод является одним из наиболее распространенных методов синтеза. [7] Синтез происходит полностью в твердом состоянии. [7] Реагенты измельчаются вместе, формируются в гранулы с помощью пресса-гранулятора и гидравлического пресса и нагреваются при высоких температурах. [7] Когда температура реагентов достаточна, ионы на границах зерен реагируют с образованием желаемых фаз. Обычно керамические методы дают поликристаллические порошки, а не монокристаллы.

Используя ступку с пестиком или шаровую мельницу , реагенты измельчаются вместе, что уменьшает размер и увеличивает площадь поверхности реагентов. [8] Если смешивания недостаточно, мы можем использовать такие методы, как соосаждение и золь-гель . [7] Химик формирует гранулы из измельченных реагентов и помещает их в контейнеры для нагрева. [7] Выбор контейнера зависит от прекурсоров, температуры реакции и ожидаемого продукта. [7] Например, оксиды металлов обычно синтезируют в контейнерах из диоксида кремния или оксида алюминия. [7] Трубчатая печь нагревает пеллеты. [7] Трубчатые печи доступны до максимальной температуры 2800°С. тот С. [9]

Трубчатая печь, используемая при синтезе хлорида алюминия.

расплавленного Синтез флюса ​

Основная статья: Метод потока
Этапы синтеза расплавленного флюса [3]

Синтез расплавленного флюса может быть эффективным методом получения монокристаллов. В этом методе исходный реагент соединяют с флюсом — инертным материалом с температурой плавления ниже, чем у исходных материалов. Флюс служит растворителем. После реакции избыток флюса можно смыть подходящим растворителем или снова нагреть для удаления флюса путем сублимации, если он является летучим соединением.

Тигельные материалы играют большую роль в синтезе расплавленных флюсов. Тигель не должен реагировать с флюсом или исходным реагентом. Если какое-либо вещество является летучим, рекомендуется проводить реакцию в запаянной ампуле. Если целевая фаза чувствительна к кислороду, часто используют трубку из кварцевого стекла с углеродным покрытием или угольный тигель внутри трубки из кварцевого стекла, что предотвращает прямой контакт между стенками трубки и реагентами.

Транспорт химических паров ​

Перенос химических паров приводит к получению очень чистых материалов. Реакция обычно протекает в запечатанной ампуле. [10] Транспортирующий агент, добавленный в запечатанную ампулу, производит летучие промежуточные соединения из твердого реагента. [10] Для оксидов металлов транспортирующим агентом обычно является Cl 2 или HCl. [10] В ампуле имеется температурный градиент, и по мере продвижения газообразного реагента по градиенту он в конечном итоге осаждается в виде кристалла. [10] Примером промышленно используемой химической реакции переноса паров является процесс Монда . Процесс Монда включает нагревание нечистого никеля в потоке окиси углерода для получения чистого никеля. [6]

Низкотемпературные методы [ править ]

Метод интеркаляции [ править ]

Интеркаляционный синтез — это внедрение молекул или ионов между слоями твердого тела. [11] Слоистое твердое тело имеет слабые межмолекулярные связи, удерживающие его слои вместе. [11] Процесс происходит посредством диффузии . [11] Интеркаляция дополнительно обусловлена ​​ионным обменом , кислотно-основными реакциями или электрохимическими реакциями . [11] Метод интеркаляции впервые был использован в Китае с открытием фарфора . Кроме того, графен производится методом интеркаляции, и этот метод лежит в основе литий-ионных батарей . [12]

Методы решения [ править ]

можно использовать растворители Для получения твердых веществ осаждением или выпариванием . [5] Иногда растворителем является гидротермальный продукт, находящийся под давлением и при температуре, превышающей нормальную температуру кипения . [5] Разновидностью этой темы является использование флюсовых методов , в которых в качестве растворителя используется соль с относительно низкой температурой плавления. [5]

Газовые методы [ править ]

Реакционная камера химического осаждения из паровой фазы

Многие твердые вещества бурно реагируют с такими газами, как хлор , йод и кислород . [13] [14] Другие твердые вещества образуют аддукты , такие как CO или этилен . Такие реакции проводятся в трубках с открытыми концами, через которые пропускают газы. Кроме того, эти реакции могут происходить внутри измерительного устройства, такого как ТГА . В этом случае в ходе реакции можно получить стехиометрическую информацию, которая помогает идентифицировать продукты.

Химическое осаждение из паровой фазы [ править ]

Химическое осаждение из газовой фазы — метод, широко используемый для получения покрытий и полупроводников из молекулярных предшественников. [15] Газ-носитель переносит газообразные предшественники к материалу для нанесения покрытия. [16]

Характеристика [ править ]

Это процесс, в котором химический состав, структура и физические свойства материала определяются с использованием различных аналитических методов.

Новые фазы [ править ]

Синтетическая методология и характеристика часто идут рука об руку в том смысле, что готовят и подвергают термообработке не одну, а серию реакционных смесей. Стехиометрия , численная зависимость между количествами реагента и продукта, обычно систематически изменяется. Важно выяснить, какая стехиометрия приведет к образованию новых твердых соединений или твердых растворов между известными. Основным методом характеристики продуктов реакции является порошковая дифракция , поскольку многие реакции в твердом состоянии приводят к образованию поликристаллических форм или порошков. Порошковая дифракция помогает идентифицировать известные фазы в смеси. [17] Если обнаружен узор, который неизвестен в библиотеках дифракционных данных, можно попытаться проиндексировать этот узор. Охарактеризовать свойства материала обычно проще для продукта с кристаллической структурой.

Композиции и структуры [ править ]

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), используемый для наблюдения за топографией и составом поверхности.

Как только элементарная ячейка новой фазы известна, следующим шагом будет установление стехиометрии фазы. Это можно сделать несколькими способами. Иногда подсказку может дать состав исходной смеси в тех случаях, когда найдено только изделие с одним порошковым рисунком или фаза определенного состава изготовлена ​​по аналогии с известным материалом, но это случается редко.

Зачастую для получения чистого образца нового материала требуются значительные усилия по совершенствованию методов синтеза. Если есть возможность отделить продукт от остальной части реакционной смеси, такие методы элементного анализа, как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия можно использовать (ПЭМ). Обнаружение рассеянных и прошедших электронов с поверхности образца дает информацию о топографии поверхности и составе материала. [18] Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) — это метод, использующий возбуждение электронным лучом. Возбуждение внутренней оболочки атома падающими электронами испускает характерные рентгеновские лучи с определенной энергией для каждого элемента. [19] По пиковой энергии можно определить химический состав образца, включая распределение и концентрацию. [19]

Рентгеновский дифрактометр (XRD), используемый для идентификации кристаллических фаз в материале.

Подобно EDX, рентгеноструктурный анализ (XRD) включает генерацию характеристических рентгеновских лучей при взаимодействии с образцом. Интенсивность дифрагированных лучей, рассеянных под разными углами, используется для анализа физических свойств материала, таких как фазовый состав и кристаллографическая структура. [20] Эти методы также можно комбинировать для достижения лучшего эффекта. Например, SEM является полезным дополнением к EDX благодаря сфокусированному электронному лучу, он создает изображение с большим увеличением, которое предоставляет информацию о топографии поверхности. [18] После того, как область интереса определена, EDX можно использовать для определения элементов, присутствующих в этом конкретном месте. Дифракция электронов выбранной области может быть объединена с ПЭМ или СЭМ для исследования уровня кристалличности и параметров решетки образца. [21]

Дополнительная информация [ править ]

Рентгеновская дифракция также используется из-за ее возможностей визуализации и скорости генерации данных. [22] Последнее часто требует пересмотра и уточнения препаративных процедур, что связано с вопросом о том, какие фазы, при каком составе и какой стехиометрии стабильны. Другими словами, как фазовая диаграмма . выглядит [23] Важным инструментом в установлении этого являются термического анализа методы , такие как ДСК или ДТА, а также, в связи с появлением синхротронов , температурно-зависимая порошковая дифракция. Расширение знаний о фазовых отношениях часто приводит к дальнейшему совершенствованию синтетических процедур итеративным способом. Таким образом, новые фазы характеризуются своими температурами плавления и стехиометрическими областями. Последнее важно для многих твердых веществ, которые являются нестехиометрическими соединениями. Параметры ячейки, полученные с помощью XRD, особенно полезны для характеристики диапазонов гомогенности последней.

Локальная структура [ править ]

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

Оптические свойства [ править ]

Оптические свойства металлических материалов возникают в результате коллективного возбуждения электронов проводимости. Когерентные колебания электронов под действием электромагнитного излучения вместе с сопутствующими колебаниями электромагнитного поля называются поверхностными плазмонными резонансами . [24] Длина волны возбуждения и частота плазмонных резонансов предоставляют информацию о размере, форме, составе и локальном оптическом окружении частицы. [24]

Для неметаллических материалов или полупроводников их можно охарактеризовать зонной структурой. Он содержит запрещенную зону , которая представляет собой минимальную разницу энергий между верхом валентной зоны и низом зоны проводимости. Ширина запрещенной зоны может быть определена с помощью ультрафиолетовой и видимой спектроскопии для прогнозирования фотохимических свойств полупроводников. [25]

характеристика Дальнейшая ​ ​

Во многих случаях новые твердые соединения дополнительно характеризуются [26] с помощью различных методов, которые пересекают тонкую грань, отделяющую химию твердого тела от физики твердого тела. см. в разделе «Характеризация в материаловедении» Дополнительную информацию .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Уэст, Энтони Р. (2004). Химия твердого тела и ее приложения . Джон Уайли и сыновья. ISBN  981-253-003-7 .
  2. ^ Канацидис, Меркури Г. (2018). «Отчет 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. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мартин, Манфред (декабрь 2002 г.). «Жизнь и достижения Карла Вагнера, 100 лет со дня рождения» . Ионика твердого тела . 152–153: 15–17. дои : 10.1016/S0167-2738(02)00318-1 .
  4. ^ Читам, АК; Дэй, Питер (1988). Химия твердого тела: Методика . ISBN  0198552866 .
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Бен Смида, Юсеф; Марзуки, Эр-Рияд; Кая, Савас; Эркан, Султан; Фаузи Зид, Мохамед; Хишем Хамзауи, Ахмед (07.10.2020), Марзуки, Риад (редактор), «Методы синтеза в химии твердого тела» , «Методы синтеза и кристаллизация » , IntechOpen, doi : 10.5772/intechopen.93337 , ISBN  978-1-83880-223-3 , S2CID   225173857 , получено 16 апреля 2023 г.
  6. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Монд, Людвиг; Лангер, Карл; Квинке, Фридрих (1 января 1890 г.). «Л.—Действие окиси углерода на никель» . Журнал Химического общества, Сделки . 57 : 749–753. дои : 10.1039/CT8905700749 . ISSN   0368-1645 .
  7. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час Рао, CNR (2015). Основы синтеза неорганических материалов . Канишка Бисвас. Хобокен, Нью-Джерси. ISBN  978-1-118-89267-1 . OCLC   908260711 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  8. ^ Пагола, Сильвина (январь 2023 г.). «Выдающиеся преимущества, текущие недостатки и важные последние достижения в механохимии: перспективный взгляд» . Кристаллы . 13 (1): 124. дои : 10.3390/cryst13010124 . ISSN   2073-4352 .
  9. ^ «Трубчатые печи» (PDF) . Проверено 30 марта 2023 г.
  10. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Бинньюис, Майкл; Глаум, Роберт; Шмидт, Маркус; Шмидт, Пер (февраль 2013 г.). «Химические реакции переноса паров - исторический обзор» . Журнал неорганической и общей химии . 639 (2): 219–229. дои : 10.1002/zaac.201300048 .
  11. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Лайпан, Минван; Сян, Лишайник; Ю, Цзинфан; Мартин, Бенджамин Р.; Чжу, Жуньлян; Чжу, Цзяньси; Он, Хунпин; Клирфилд, Авраам; Сунь, Луйи (01 апреля 2020 г.). «Слоистые интеркаляционные соединения: механизмы, новые методологии и передовые приложения» . Прогресс в материаловедении . 109 : 100631. doi : 10.1016/j.pmatsci.2019.100631 . ISSN   0079-6425 . S2CID   213438764 .
  12. ^ Раджапаксе, Мантила; Карки, Бхупендра; Абу, Усман О.; Пишгар, Сахар; Муса, господин Раджиб Хан; Эр-Рияд, С.М. Шах; Ю, Мин; Суманасекера, Гамини; Ясински, Яцек Б. (10 марта 2021 г.). «Интеркаляция как универсальный инструмент для изготовления, настройки свойств и фазовых переходов в 2D-материалах» . npj 2D-материалы и приложения . 5 (1): 1–21. дои : 10.1038/s41699-021-00211-6 . ISSN   2397-7132 . S2CID   232164576 .
  13. ^ Фромхолд, Альберт Т.; Фромхолд, Регина Г. (1 января 1984 г.), Бэмфорд, Швейцария; Типпер, CFH; Комптон, Р.Г. (ред.), «Глава 1. Обзор теории окисления металлов» , «Комплексная химическая кинетика» , «Реакции твердых тел с газами», том. 21, Elsevier, стр. 1–117, номер документа : 10.1016/s0069-8040(08)70006-2 , ISBN.  9780444422880 , получено 3 апреля 2023 г.
  14. ^ Кога, Ю.; Харрисон, LG (1 января 1984 г.), Бэмфорд, Швейцария; Типпер, CFH; Комптон, Р.Г. (ред.), «Глава 2 Реакции твердых веществ с газами, отличными от кислорода» , Comprehensive Chemical Kinetics , vol. 21, Elsevier, стр. 119–149, номер документа : 10.1016/s0069-8040(08)70007-4 , ISBN.  9780444422880 , получено 3 апреля 2023 г.
  15. ^ Справочник по технологиям нанесения пленок и покрытий: наука, применение и технологии . Питер М. Мартин (3-е изд.). Амстердам: Эльзевир. 2010. ISBN  978-0-08-095194-2 . OCLC   670438909 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  16. ^ Вернарду, Димитра (январь 2020 г.). «Специальный выпуск: Достижения в области химического осаждения из паровой фазы» . Материалы . 13 (18): 4167. Бибкод : 2020Mate...13.4167V . дои : 10.3390/ma13184167 . ISSN   1996-1944 гг . ПМЦ   7560419 . ПМИД   32961715 .
  17. ^ Холдер, Кэмерон Ф.; Шаак, Раймонд Э. (23 июля 2019 г.). «Учебное пособие по порошковой рентгеновской дифракции для определения характеристик наноразмерных материалов» . АСУ Нано . 13 (7): 7359–7365. дои : 10.1021/acsnano.9b05157 . ISSN   1936-0851 . ПМИД   31336433 . S2CID   198194051 .
  18. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Шарма, Сурендер Кумар, изд. (2018). Справочник по характеристике материалов . Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-319-92955-2 . ISBN  978-3-319-92954-5 . S2CID   199491129 .
  19. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Белл, округ Колумбия; Гарратт-Рид, Эй Джей (10 июля 2003 г.). Энергодисперсионный рентгеновский анализ в электронном микроскопе (0-е изд.). Гирляндная наука. дои : 10.4324/9780203483428 . ISBN  978-1-135-33140-5 .
  20. ^ Васэда, Ёсио; Мацубара, Эйитиро; Шинода, Кодзо (2011). Рентгеновская дифракционная кристаллография: введение, примеры и решаемые задачи . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-642-16635-8 . ISBN  978-3-642-16634-1 .
  21. ^ Чжоу, Уцзун; Грир, Хизер Ф. (март 2016 г.). «Что может рассказать нам электронная микроскопия помимо кристаллических структур?» . Европейский журнал неорганической химии . 2016 (7): 941–950. дои : 10.1002/ejic.201501342 . hdl : 10023/8104 . ISSN   1434-1948 .
  22. ^ Шулли, Тобиас У. (сентябрь 2018 г.). «Рентгеновская нанолучевая дифракционная визуализация материалов» . Современное мнение в области твердого тела и материаловедения . 22 (5): 188–201. Бибкод : 2018COSSM..22..188S . дои : 10.1016/j.cossms.2018.09.003 .
  23. ^ см . Глава 12 «Элементы дифракции рентгеновских лучей», Б.Д. Каллити, Аддисон-Уэсли, 2-е изд. 1977 год ISBN   0-201-01174-3
  24. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Харрис, Надин; Блабер, Мартин Г.; Шац, Джордж К. (2016), «Оптические свойства металлических наночастиц» , в Бхушане, Бхарат (ред.), Энциклопедия нанотехнологий , Дордрехт: Springer Нидерланды, стр. 3027–3048, номер документа : 10.1007/978-94-017. -9780-1_22 , ISBN  978-94-017-9779-5 , получено 15 апреля 2023 г.
  25. ^ Макула, Патриция; Паша, Михал; Мацик, Войцех (06 декабря 2018 г.). «Как правильно определить энергию запрещенной зоны модифицированных полупроводниковых фотокатализаторов на основе УФ-Вид спектров» . Журнал физической химии . 9 (23): 6814–6817. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b02892 . ISSN   1948-7185 . ПМИД   30990726 . S2CID   105763124 .
  26. ^ см . Глава 2 « Новые направления в химии твердого тела» . CNR Рао и Дж. Гопалакришнан. Кембриджский университет Пресс, 1997 г. ISBN   0-521-49559-8

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с химией твердого тела, на Викискладе?
  • [1] , Садовей, Дональд. 3.091СК; Введение в химию твердого тела, осень 2010 г. (Массачусетский технологический институт: MIT OpenCourseWare)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solid-state_chemistry&oldid=1218578239"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 194b08cfd7a6c783553eb31642623541__1712923980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/19/41/194b08cfd7a6c783553eb31642623541.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Solid-state chemistry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)