Semplici cristalli elementari: grafite

Documenti analoghi
Elettronica dello Stato Solido Lezione 2: I cristalli. Daniele Ielmini DEI Politecnico di Milano

Elettronica dello Stato Solido Lezione 2: I cristalli. Daniele Ielmini DEI Politecnico di Milano

Legame nei cristalli. Cosa tiene insieme un cristallo?

Sistemi cristallini 1

Reticoli e Diffrazione - Testi degli esercizi

INDICE CAPITOLO 1 CAPITOLO 1

Esercizi sui Solidi. Insegnamento di Chimica Generale CCS CHI e MAT. A.A. 2015/2016 (I Semestre)

Reticoli e Diffrazione - Testi degli esercizi. Fisica della Materia Condensata

Sistemi cristallini - Soluzioni degli esercizi. Fisica della Materia Condensata

Sistemi cristallini - Soluzioni degli esercizi

Il tipo di legame chimico influenza in maniera fondamentale le caratteristiche macroscopiche del materiale.

Descrizione di un reticolo cristallino

Fisica dello Stato Solido

FASE. Diversi stati fisici della materia e forme alternative di un medesimo stato fisico.

Scienza dei Materiali 1 Esercitazioni

Elementi di cristallografia

Nello stato solido le forze attrattive tra le particelle (ioni, atomi, molecole) prevalgono largamente sull effetto dell agitazione termica

Struttura e geometria cristallina

Introduzione. Cosa sono i dispositivi a semiconduttore?

Posizioni Atomiche nelle Celle Unitarie Cubiche

Scienza e Tecnologia dei Materiali - Esercizio 4.1

NATURA E PROPRIETA DEI RAGGI X W.Roentgen (1895) Nello spettro di emissione RX si distinguono:

SOLIDI. 10/05/2007 Chimica e Scienza e Tecnologia dei Materiali Elettrici L6 1

Lo stato solido. Solido: qualsiasi corpo rigido e incomprimibile che ha forma e volume propri. amorfi. cristallini

Esercitazione struttura

STRUTTURA E GEOMETRIA CRISTALLINA

Soluzione Esercizio 4.1

Coesione nei solidi, energia di coesione

Dispositivi Elettronici

Classificazione dei materiali solidi in base ai legami interatomici! Metalli Ceramici Polimeri

Reticoli e struttura dei cristalli

I legami fra molecole nei liquidi non sono forti ed esse possono fluire Riducendo l agitazione termica. legami tra molecole più stabili

Compito di Scienza dei Materiali 16 Aprile 2010

Strutture cristalline e difetti

Approfondimenti Lezione 4. Mara Bruzzi

Tipologie di materiali

CRISTALLOCHIMICA. La cristallochimica è la disciplina che studia le correlazioni tra la struttura cristallina e la composizione chimica dei minerali

Minerali: corpi inorganici naturali con una composizione chimica e proprietà fisico-chimiche molto specifiche

Materiali metallici comuni sono policristallini!

(2) cubico a facce centrate (3) esagonale compatto

STRUTTURA DEI SOLIDI

Corso di Mineralogia

GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA. Lo stato solido

Lo Stato Solido. SOLIDO CRISTALLINO Manifesta una disposizione ordinata degli atomi, periodica, omogenea, continua.

STRUTTURA DELL'ATOMO

(6 facce del cubo) ( 1 / 2 di un atomo che si trova nella cella elementare) = 3 atomi netti centrati sulle facce nella cella elementare

Sono composti formati da elementi metallici e non metallici, per la maggior parte ossidi, nitruri e carburi.

Corso di Mineralogia 1

Corso di Mineralogia

Lezione n. 4 Materiali allo Stato Solido Le Strutture Cristalline

Elettronica dello Stato Solido Lezione 10: Strutture a bande in due e tre dimensioni

TIPI DI SOLIDI FORZE ENTRO LE PARTICELLE PARTICELLE AI NODI FORZE TRA LE PARTICELLE TIPO SOLIDO

Esempi di struttura a bande: un isolante ionico, LIF

LA M A T E R I A. Ma, allora chiediamoci come è fatta la materia?

LEGAME METALLICO PROPRIETA METALLICHE NON METALLI SEMIMETALLI METALLI

FISICA DELLO STATO SOLIDO

Le strutture cristalline

TECNOLOGIA DEI MATERIALI E CHIMICA APPLICATA- Appello scritto

Diffrazione da reticolo.

GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA DIAGRAMMI DI STATO DI COMPONENTI PURI

LA COSTANTE DI AVOGADRO

Reticoli Cristallini. i tre vettori che individuano la cella elementare, ogni punto del reticolo è individuato da un vettore della forma :

Fisica dello Stato Solido

Cap. 2 - Strutture cristalline.

Limiti del modello a elettroni liberi

I SOLIDI E I LIQUIDI

APPUNTI DELLE LEZIONI DI. Scienza e Tecnologia dei Materiali

Introduzione alla Fisica dello Stato Solido

Elementi di Fisica dei solidi e delle molecole

Reticoli di Bravais e sistemi cristallini

Il legame chimico. Energia di legame

CENNI TEORIA ORBITALE MOLECOLARE

TECNOLOGIA DEI MATERIALI e CHIMICA APPLICATA (I parte)

Scritto Appello IV, Materia Condensata. AA 2017/2018

Scritto Appello III, Materia Condensata. AA 2017/2018

Stati della materia. Stati della materia

GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA. Lo stato solido

Caratteristiche dei Metalli. Possibilità di formare un numero elevato di legami. Lavorabilità (slittamento di piani) Lucentezza (riflettono la luce)

Il legame chimico. Energia di legame

E possibile definire gli indici delle facce di un cristallo come un rapporto di rapporti parametrici.

5 - MINERALI Sostanze solide, naturali, inorganiche, con una struttura interna ordinata e una limitata varietà di composizione chimica

Elettronica dello Stato Solido Lezione 10: Strutture a bande in. Daniele Ielmini DEI Politecnico di Milano

Classificazione convenzionale dello stato di aggregazione della materia a seconda delle sue proprietà meccaniche.

Corso di Chimica Generale CL Biotecnologie

IL LEGAME METALLICO 1

Lezione n. 4 Legami nei solidi Strutture Cristalline

proprietà: comportamento del materiale in determinate condizioni, quindi possibilità di prevedere e progettare

Materiali metallici. Materiali ceramici Materiali polimerici

Reticoli, basi e strutture cristalline in 1D

Corso di Tecnologia dei Materiali ed Elementi di Chimica. Docente: Dr. Giorgio Pia

Corso di Mineralogia 1

Fononi e calori reticolari - Testi degli esercizi. Fisica della Materia Condensata

I materiali metallici sono perfetti?

Simmetrie Cristallografiche A.A Marco Nardini Dipartimento di Scienze Biomolecolari e Biotecnologie Università di Milano

Legame metallico. Non metalli. Semimetalli. Metalli

GLI STATI DI AGGREGAZIONE DELLA MATERIA. Lo stato solido

PROPRIETA DEI MATERIALI

Scienza dei Materiali 1 Esercitazioni

Transcript:

Semplici cristalli elementari: grafite Il precursore del grafene è un cristallo a strati (layered), molto anisotropo, con legami forti nel piano, deboli fra piano e piano. E descritto da un reticolo esagonale: ( a = a (1, 0, 0), b = a 1 ) 3 2, 2, 0, c = c (0, 0, 1), parametri reticolari: a = 2.45Å, c = 6.80Å. La base è formata da quattro atomi, due per piano. I piani distano c = 3.40 Å. 2 Gli atomi sono uno sopra ad un atomo del piano sottostante, l altro sopra al centro dell esagono: d 1 = (0, 0, 0), d2 = (0, 3 a, 0), 3 d 3 = (0, 0, c 2 ), d4 = ( a 2, 3 6 a, c 2 )

Semplici cristalli elementari: diamante Il diamante è un cristallo cubico, descritto da un reticolo cubico a facce centrate (o FCC, face-centered cubic): a = a ( 0, 1 2, 1 ) (, 1 b = a 2 2, 0, 1 ) ( 1, c = a 2 2, 1 ) 2, 0, con parametro reticolare a = 3.57 Å, e una base di due atomi, ovvero, due sottoreticoli con origine su ( d 1 = (0, 0, 0), d2 1 = a 4, 1 4, 1 ) 4 (i colori sono riferiti alla figura). Ogni atomo ha i suoi atomi primi vicini sull altro sottoreticolo, disposti su di un tetraedro. La distanza fra vicini è d = 3a 4 = 1.54 Å. Questa struttura poco compatta (c è molto vuoto) caratterizza anche semiconduttori come Si e Ge. Notate quanto le proprietà fisiche del diamante e della grafite sono diverse!

Un composto binario: zincoblenda La struttura della zincoblenda è tipica per diversi semiconduttori binari, cioè formati da due atomi di tipo diverso: per esempio, ZnS (la zincoblenda, appunto), GaAs, sotto certe condizioni GaN (il materiale dei diodi LED blu). E uguale in tutto e per tutto alla struttura del diamante, salvo un dettaglio (molto importante!): i due sottoreticoli con origine su d 1 = (0, 0, 0), d2 = a ( 1 4, 1 4, 1 ) 4 sono di atomi di tipo diverso. I primi vicini di ogni atomo, disposti su tetraedri, sono atomi dell altro tipo. Da notare che un reticolo FCC è equivalente a un reticolo cubico semplice con quattro atomi nella base (uno nell origine, uno centrato nelle tre facce del cubo), per cui una struttura diamante o zincoblenda può essere anche descritta come un reticolo cubico semplice con 8 atomi nella base.

Piani cristallini e indici di Miller Uno degli aspetti più caratteristici dei cristalli è la tendenza a rompersi lungo piani preferenziali. Come sono definiti i piani in un cristallo? Consideriamo il caso semplice dei reticoli cubici. Prendiamo i punti di reticolo (più vicini all origine) dove il piano intercetta gli assi cristallini: se questi sono n i a i, si usa la notazione ( 1 n 1, 1 n 2, 1 n 3 ) per identificare il piano. Se un asse non intercetta il piano, si pone 1/n i = 0. La barra sopra un numero come in (111) significa numero negativo. 1 Se i numeri n i non sono interi, si moltiplicano per il minimo comune multiplo degli n i in modo da avere numeri interi. Tali numeri sono detti indici di Miller. Per i reticoli esagonali si usa una notazione un po più complicata.

Struttura della wurtzite Un altra struttura comunqe per i semiconduttori binari è la wurtzite un solfuro di ferro e zinco. Tale struttura, a destra nella figura, è esagonale con 4 atomi nella base (uno per piano). Come nella zincoblenda, i primi vicini sono 4 e disposti su di un tetraedro. Zincoblenda (osservare i tetraedri lungo la diagonale, confrontarli con gli stessi tetraedri per la wurtzite qui a fianco) Wurtzite La differenza fra zincoblenda e wurtzite sta nell orientamento relativo dei tetraedri. Non è il solo caso di strutture molto simili descritte da reticoli ben diversi.

Strutture di massimo impacchettamento Molti metalli semplici cristallizzano in una struttura BCC (cubica a corpo centrato), oppure in una delle strutture dette di massimo impacchettamento (close packing). Assumiamo atomi sferici, tutti uguali, di raggio r. Qual è la struttura con la massima densità? Secondo la congettura di Keplero, dimostrata di recente, è una delle due strutture periodiche seguenti: FCC (cubico a facce centrate) HCP (esagonale con due atomi per cella) La frazione η di spazio riempito dagli atomi sul totale è η 0.74 in entrambe i casi (η = 0.68 per BCC). Non è difficile calcolare i parametri reticolari a e c dato r. Le due strutture FCC e HCP sembrano molto diverse ma sono quasi uguali: In figura, come formare un FCC o un HCP da opportune sovrapposizioni di piani esagonali. In entrambe i casi ogni atomo ha 12 primi vicini

Altri composti binari: strutture NaCl e CsCl Le strutture di NaCl ( rocksalt ) e del CsCl sono tipiche per i cristalli ionici (ovvero per quei cristalli in cui ci sono atomi carichi positivamente e atomi carichi negativamente): Struttura rocksalt, o NaCl, formata da due sottoreticoli FCC. Ogni atomo ha 6 primi vicini dell altro tipo. Struttura CsCl: due sottoreticoli cubici semplici, come un BCC ma con l atomo al centro di tipo diverso. Ogni atomo ha 8 primi vicini dell altro tipo.

Esercizi 1. Dimostrare che l angolo formato da un atomo di C e due suoi primi vicini nella struttura diamante è 109 28 2. Calcolare esplicitamente la frazione massima η di volume riempibile da atomi, considerati come sfere rigide, disposte sui vari reticoli cubici 3. Calcolare η per il reticolo esagonale a massimo impacchettamento. Dimostrare che il rapporto c/a vale 8/3 1.633. 4. Qual è il rapporto c/a nella wurtzite? (si può sfruttare il risultato precedente) E qual è la relazione fra i parametri reticolari a delle strutture wurtzite e diamante per uno stesso materiale?