Надстройка (конденсированное вещество)

В физике твердого тела сверхструктура — это некоторая дополнительная структура, которая накладывается на кристаллическую структуру более высокой симметрии. ^[1] Типичным и важным примером является ферромагнитное упорядочение.

В более широком смысле термин «сверхструктура» применяется к полимерам и белкам для описания упорядочения в масштабе длины, большем, чем у мономерных сегментов.

В кристаллах

В кристалле сверхструктура проявляется через дополнительные отражения на дифракционных картинах, например, в по дифракции медленных электронов ( LEED ) или рентгеновской дифракции экспериментах . Часто между более сильными пятнами появляется набор слабых дифракционных пятен, принадлежащих так называемой субструктуре. В некоторых случаях происходит фазовый переход, например, при более высоких температурах, когда сверхструктура исчезает и материал возвращается к более простой субструктуре. Не все соединения обладают сверхструктурой.

Суперпятна на дифракционных картинах представляют собой модуляцию субструктуры, которая приводит к незначительному нарушению присущей ей трансляционной симметрии решетки (субструктуры) или увеличению размера повторяющегося мотива структуры. Можно говорить о нарушении трансляционной симметрии решетки, хотя при этом может быть утрачена и вращательная симметрия.

Соразмерные случаи

Если суперпятна расположены в простых долях векторов обратной решетки субструктуры, например, при q=(½,0,0), то результирующая нарушенная симметрия кратна элементарной ячейке вдоль этой оси. Такая модуляция называется соизмеримой надстройкой.

Несоизмеримые случаи

В некоторых материалах суперпятна будут возникать в позициях, которые не представляют собой простую дробь, скажем, q=(0,5234,0,0). В этом случае структура, строго говоря, утратила всю трансляционную симметрию в определенном направлении. Это называется несоразмерной структурой. ^[2]

Причины

В кристаллах различают три типа сверхструктур:

Магнитные надстройки

Когда кристаллический материал, содержащий атомы с некомпенсированными спинами электронов, охлаждается, упорядочение этих спинов обычно происходит, когда тепловая энергия достаточно мала, чтобы не подавлять взаимодействия между соседними спинами. Если упорядочение не обладает той же симметрией, что и исходная элементарная ячейка кристаллографической решетки, возникнет сверхструктура. В этом случае суперпятна обычно видны только на картинах дифракции нейтронов , поскольку нейтрон рассеивается как ядром, так и магнитными моментами спинов электронов.

Заказ дефектов

Многие сплавы элементов, которые химически похожи друг на друга, при более высоких температурах образуют структуру, в которой два элемента случайным образом занимают одинаковые положения в решетке. При более низких температурах может возникнуть упорядочение, когда кристаллографические позиции перестают быть эквивалентными, поскольку один элемент предпочтительно занимает одно место, а другой — другое. Этот процесс частичного упорядочения может снизить трансляционную симметрию и привести к образованию другой, более крупной элементарной ячейки.

Смещающие переходы

При некоторых переходах ряд атомов, занимающих первоначально эквивалентные кристаллографические позиции, по определенной закономерности несколько отклоняются от своих идеальных положений. Этот узор или повторяющийся мотив может охватывать несколько элементарных ячеек. Причиной этого явления являются небольшие изменения в химической связи, которые способствуют образованию полуправильных и более крупных кластеров атомов. Несмотря на неискаженную субструктуру, эти материалы обычно являются «ненасыщенными» в том смысле, что одна из полос зонной структуры заполнена лишь частично. Искажение изменяет структуру зон, частично разделяя зоны на более мелкие зоны, которые можно более полно заполнить или опустошить, чтобы снизить энергию системы. Однако этот процесс может не дойти до завершения, поскольку подструктура допускает лишь определенное искажение. Надстройки такого типа часто бывают несоразмерными. Хороший пример можно найти в структурных переходах 1T- TaS ₂ , соединения с частично заполненной узкой d-зоной (Ta(IV) имеет ad ¹ конфигурация).

См. также

Ссылки

^ Колли, Санджив; Натараджан, Анирудх; Томас, Джон; Поллок, Треза; Ван дер Вен, Антон (10 ноября 2020 г.). «Обнаружение иерархии среди интерметаллических кристаллических структур» . Материалы физического обзора . 4 (113604): 113604. Бибкод : 2020PhRvM...4k3604K . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.4.113604 .
^ Браун, Филип; Семенюк Константин; Ван, Диандиан; Монсеррат, Бартомеу; Пикард, Крис Дж.; Гроше, Ф. Мальте (01 апреля 2018 г.). «Сверхпроводимость сильной связи в квазипериодической структуре хозяин-гость» . Достижения науки . 4 (4): eaao4793. Бибкод : 2018SciA....4.4793B . дои : 10.1126/sciadv.aao4793 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 5898833 . ПМИД 29662950 .

[1] Колли, Санджив; Натараджан, Анирудх; Томас, Джон; Поллок, Треза; Ван дер Вен, Антон (10 ноября 2020 г.). «Обнаружение иерархии среди интерметаллических кристаллических структур» . Материалы физического обзора . 4 (113604): 113604. Бибкод : 2020PhRvM...4k3604K . doi : 10.1103/PhysRevMaterials.4.113604 .

[2] Браун, Филип; Семенюк Константин; Ван, Диандиан; Монсеррат, Бартомеу; Пикард, Крис Дж.; Гроше, Ф. Мальте (01 апреля 2018 г.). «Сверхпроводимость сильной связи в квазипериодической структуре хозяин-гость» . Достижения науки . 4 (4): eaao4793. Бибкод : 2018SciA....4.4793B . дои : 10.1126/sciadv.aao4793 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 5898833 . ПМИД 29662950 .

[1]

[2]