Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet 18.1.2019 Ville Jokinen
Oppimistavoitteet Liukoisuus (käsiteltiin luennolla 3) 0D, pistemäiset kidevirheet: (liukoisuus), vakanssit 1D, viivamaiset kidevirheet: dislokaatiot 2D, tasomaiset kidevirheet: kiderajat, pinnat 3D kidevirheet: amorfisuus
Liukoisuus Metalleilla liukoisuus yleistä Välisija ja korvausliuos. Liuenneiden atomien ympärillä olevien atomien sijainnit poikkeavat ideaalisesta hilasta. Tästä seuraa jännitteitä kiteeseen. Liuenneet atomit vaikuttavat materiaalin mekaanisiin, sähköisiin, optisiin ym. ominaisuuksiin.
Lähde: Callister Liuosatomien vaikutus ominaisuuksiin Liuosatomit metalleissa: liusolujitus Liuosatomit puolijohteissa: puolijohteiden douppaus. Piin n-tyypin douppaus: Osa piiatomeista korvataan fosforilla jolla on 5 valenssielektornia -> ylimääräisiä elektroneja valenssivyöhön. Liuosatomit keraameissa: värien muodostuminen jalokivissä ja laseissa. Esim: Yksikiteinen alumiinioksi Al 2 O 3 (safiiri) on väritön. Muutama prosentti liuennutta Cr 2 O 3 muuttaa värin punaiseksi (rubiini). Cr 3+ ioni on substituutti Al 3+ ionille.
Lähde: Callister Vakanssit Vakanssi on ideaalisesta hilasta puuttuva atomi. tyhjä kohta. Vakansseja on kaikissa hiloissa termodynamiikan johdosta. Vakanssi on energeettisesti epäedullinen, mutta entrooppisesti edullinen. -> Lämpötilasta riippuva tasapaino vakanssien määrälle N v : NN vv = NN exp( QQ vv kkkk ),missä Qv on vakanssin muodostumiseen tarvittava energia ja N on atomisijojen määrä. Self-interstitial = sama atomi liuennaana välisija atomina. Energeettisesti erittäin epäedullista joten näitä ei ole kovin paljoa. (muista Hume-Rothery)
Kaksi yleistä pistemäistä kidevirhettä Frenkel defekti: Vakansi ja välisija insertio pari Schottky defekti: Kaksi vakanssia, erimerkkiset ionit neutraaliuden säilyttämiseksi
Dislokaatiot: särmädislokaatio ja ruuvidislokaatio Dislokaatiot ovat viivamaisia hilavirheitä joissa hilassa on ylimääräinen atomitaso. Perustyypit ovat särmädislokaatio ja ruuvi dislokaatio. Yleinen dislokaatio on sekoitus särmä- ja ruuvi-dislokaatiota. Lähde: Shackelford Särmädislokaatio Ruuvidislokaatio
Dislokaatioiden formalismi: Burgers vektori Dislokaation suuruutta ja suuntaa kuvaa Burgers vektori Ehjässä hilassa Burgersin kierto (Burgers circuit) sulkeutuu. S(tart) -> F(inish), Burgers vektori on ns. sulkuvektori, eli se tarvitaan sulkemaan kierto dislokaation tapauksessa. Yksinkertaisessa tapauksessa burgers vektorin suuruus on sama kuin hilavektori (esimerkki oikealla) Särmädislokaatio: Burgers vektori on kohtusuorassa dislokaatio viivaa vastaan Ruuvidislokaatio: Burgers vektori on samansuuntainen dislokaatio viivan kanssa.
Dislokaatioden liike ja mekaaniset ominaisuudet Asiaa käsitellään tarkemmin kurssilla CHEM C2410 rakenteesta ominaisuuksiin. Dislokaatioilla on ratkaiseva rooli metallien mekaanisten ominaisuuksien kannalta: Dislokaatio voi liikkua yksi sidos kerrallaan, ilman dislokaatioita koko tason pitäisi liikkua yhdessä! Materiaalin lujuus määräytyy siitä miten helposti dislokaatiot liikkuvat. Dislokaatioiden liikettää estää esimerkiksi kiderajat, ja liuenneet atomit. Nämä ovatkin kaksi keskeistä lujitusmekanismia.
Lähde: Callister Monikiteisyys Kiteiset materiaalit ovat yleensä monikiteisiä johtuen siitä että nukleaatiota tapahtuu monissa paikoissa ja kiteiden orientaatio on satunnainen. Kiteiden kasvaessa ne täyttävät tilan ja muodostavat monikiteisen materiaalin. Kiteiden välillä on kiderajat Aineen ominaisuudet usein anisotrooppisia kiteessä, esim. mekaaniset ominaisuudet. Monikiteisessä materiaalissa nämä keskiarvoistuvat, jolloin syntyy ominaisuudeltaan isotrooppisia materiaaleja.
Lähde: Callister Kiderajat Pieni- ja suurikulmaiset kiderajat. Pienikulmaisilla orientaatio ero 0-15, isoilla taas >15. Kiteiden rajapinnalla olevat atomit muodostavat energeettisesti vähemmän optimaalisia. Tästä johtuen kiderajalla on pinta-energia. Pintaenergia on sitä suurempi mitä isompi orientaatio ero. Pinta-energia minimoituisi kiteiden kokoa kasvattamalla, tämä tapahtuukin spontaanisti, mutta vaatii yleensä korotettua lämpötilaa. Monikiteiset materiaalit eivät ole heikkoja, sidokset kiderajoilla ovat silti voimakkaita.
Dislokaatiot ja kiderajat Kiderajojen välinen kulma voi muodostua särmädislokaatioiden välityksellä. Lähde: Callister Lähde: Shackelford
Kaksosraja Kiderakenteiden erikoistapaus jossa vallitsee peilisymmetriä raerajan suhteen. Syntyy mekaanisesti leikkausjännityksen alaisena (tkk, tph) tai lämpökäsittelyiden aikana (pkk).
Pinta Jos kide loppuu muuhun kuin toiseen kiteeseen, syntyy pinta. Myös näillä pinnoilla on niihin liittyvät pinta-energiat, jotka ovat seurausta puuttuvista sidoksista (kiinteä-kaasu) tai heikommista sidoksista (kiinteä-neste). Pinnalla on useita erilaisia atomitason rakenteita, jotka riippuvat kidetasoista. Kiteen kasvu on usein voimakasta tietyissä rakenteissa, eli tietyissä kidetasoissa (ajattele pientä kidettä nesteen ympäröimänä jäähdytettäessä). Pinnat ilman kanssa: atomien uudelleen järjestymistä, hapen kanssa reaktioita, adsorptiota ilmasta (kaasumolekyylejä, hiilivetyjä etc.).
Lähde: Callister Amorfinen aine Amorfiselta aineelta puuttuu pitkän kantaman 3D hilarakenne. Atomeilla on silti lokaalia järjestystä energian minimoimiseksi. Tilanne on samanlainen kuin nesteillä. Mitä monimutkaisempi minimienergia kiderakenne on, sitä helpommin aine jää armofiseksi kiinteytyessään. Siksi esim. metallit melkein aina kiteisiä, ja yksinkertaisilla polymeereillä usein kiderakennetta. Sen sijaan esim.keraameilla (esim. lasi) tai monimutkaisilla polymeereillä tai biomolekyyleillä amorfisuus on yleisempää.
Itseopiskelu Shackelford luku 4 Callister luku 4 Seuraavaksi: ajasta riippuen meillä on X minuuttia käytettäväksi laskarien pohtimiseen. Saa tehdä myös kaverin kanssa ja luentomateriaaleja/kirjaa käyttäen. Käyn läpi mallivastauksia tänään tehtäviin 1 ja 2 liittyen eli jos haluatte seurata mukana niin aloittakaa niistä. Ensi luennolla käydään läpi muutama tehtävä lisää, ja loput jää itseopiskeluksi mallivastausten kanssa. Mallivastaukset tulivat siis MyCoursesiin ensi keskiviikon jälkeen.