PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Samankaltaiset tiedostot
Kiteinen aine. Kide on suuresta atomijoukosta muodostunut säännöllinen ja stabiili, atomiseen skaalaan nähden erittäin suuri, rakenne.

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

, m s ) täytetään alimmasta energiatilasta alkaen. Alkuaineet joiden uloimmalla elektronikuorella on samat kvanttiluvut n,

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

Alikuoret eli orbitaalit

Luento 1: Sisältö. Vyörakenteen muodostuminen Molekyyliorbitaalien muodostuminen Atomiketju Energia-aukko

Määritelmä, metallisidos, metallihila:

LCAO-menetelmä Tämä on lyhyt johdanto molekyylien laskentaan LCAO-menetelmällä.

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka (5op), kevät 2016

Kaikenlaisia sidoksia yhdisteissä: ioni-, kovalenttiset ja metallisidokset Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Varauksensiirto-siirtymä

Jaksollinen järjestelmä ja sidokset

HEIKOT VUOROVAIKUTUKSET MOLEKYYLIEN VÄLISET SIDOKSET

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Kvanttimekaaninen atomimalli. "Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. -Richard Feynman

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2 1/2 p = 2 p.

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering, Micro- and Nanosciences Laboratory. Atomien väliset sidokset

Ionisidos syntyy, kun elektronegatiivisuusero on tarpeeksi suuri (yli 1,7). Yleensä epämetallin (suuri el.neg.) ja metallin (pieni el.neg.) välille.

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Kemiallinen reaktio

Kiinteiden materiaalien rakenne

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

ATOMIHILAT. Määritelmä, hila: Hilaksi sanotaan järjestelmää, jossa kiinteän aineen rakenneosat ovat pakkautuneet säännöllisesti.

HEIKOT SIDOKSET. Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

Molekyylit. Helsinki University of Technology, Laboratory of Computational Engineering. Atomien väliset sidokset

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

1-12 R1-R3. 21, 22 T4 Tutkielman palautus kurssin lopussa (Työ 2 ja Työ 3), (R4-R6) Sopii myös itsenäiseen opiskeluun Työ 4 R7 - R8

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Kovalenttinen sidos ja molekyyliyhdisteiden ominaisuuksia

Kiinteiden materiaalien rakenne

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Vinkkejä Gaussin lain käyttöön laskettaessa sähkökenttiä

SATE2180 Kenttäteorian perusteet / 5 Laskuharjoitus 2 / Coulombin ja Gaussin lait -> sähkökentän voimakkuus ja sähkövuon tiheys

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

40 LUKU 3. GAUSSIN LAKI

MUUTOKSET ELEKTRONI- RAKENTEESSA

CHEM-C2210 Alkuainekemia ja epäorgaanisten materiaalien synteesi ja karakterisointi (5 op), kevät 2017

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

KE1 KERTAUSTA SIDOKSISTA VASTAUKSET a) K ja Cl IONISIDOS, KOSKA KALIUM ON METALLI JA KLOORI EPÄMETALLI.

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

1. a) Selitä kemian käsitteet lyhyesti muutamalla sanalla ja/tai piirrä kuva ja/tai kirjoita kaava/symboli.

Pienten rakenteiden lämpöliikkeen mittaus ja mallinnus. S Mittaustekniikan Lisensiaattikurssi Tuomo Hyvönen

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

Ionisidos ja ionihila:

Orgaanisten yhdisteiden rakenne ja ominaisuudet

Johdantoa/Kertausta. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

RATKAISUT: Kertaustehtäviä

4-1 Prosessien suunta

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

12. Eristeet Vapaa atomi. Muodostuva sähköinen dipolimomentti on p =! " 0 E loc (12.4)

KE2 Kemian mikromaailma

1. Materiaalien rakenne

PUOLIJOHTEISTA. Yleistä

Molekyylit. Atomien välisten sidosten muodostuminen

S Fysiikka III (Est), 2 VK Malliratkaisut (Arvosteluperusteita täydennetään vielä)

12. Eristeet Vapaa atomi

Physica 6 Opettajan OPAS (1/18)

Sähköpotentiaali. Haarto & Karhunen.

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

CHEM-A1250 Luento 3 Sidokset (jatkuu) + kemiallinen reaktio

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

Tilavuusintegroin3. Tilavuusintegroin3

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Kryogeniikka ja lämmönsiirto. DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen

1. Materiaalien rakenne

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

1. Työn tavoitteet. 2. Teoria ELEKTRONIN OMINAISVARAUS

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

1. ELEKTRONIEN ENERGIA

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

Puolijohteet. luku 7(-7.3)

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Materiaalifysiikkaa antimaterialla. Filip Tuomisto Teknillisen fysiikan laitos Aalto-yliopisto

Kiinteän aineen ominaisuuksia I. Kiteisen aineen perusominaisuuksia

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Muita sähkökentän laskemismenetelmiä ovat muun muassa potentiaalin gradientti ja kuvalähdeperiaate. Niistä puhutaan myöhemmin.

Kertaustehtäviä. 1. b) Vastuksen resistanssi on U 4,5 V I 0,084 A Vastuksen läpi kulkevan sähkövirran suuruus uudessa tapauksessa on. I 220 ma.

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

pääkiertoakseli #$%%ä 2C 2 C 2!"

Kvanttifysiikan perusteet 2017

B sivu 1(6) AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN VALINTAKOE

Vyöteoria. σ = neμ. Orbitaalivyöt

11. MOLEKYYLIT. Kvanttimekaniikka on käyttökelpoinen molekyyleille, jos se pystyy selittämään atomien välisten sidosten syntymisen.

KE2 Kemian mikromaailma

Luento 10:Kertausta: Kemiallinen tasapaino + Kiinteän olomuodon kemia CHEM-A1250

Magneettikenttä ja sähkökenttä

BECS-C2101 Biofysiikka

ATOMIN JA IONIN KOKO

Valo-oppi. Välineet. Polarisoituneen valon intensiteetti. Kokeessa todennetaan Malusin laki.

Transkriptio:

PHYS-C0240 Mateiaalifysiikka (5op), kevät 2016 Pof. Matti Puska Lehtoi Emppu Salonen DI Tomi Ketolainen DI Ville Vieimaa Luento 2, tostai 17.3.2016 1

Mitä on mateiaalifysiikka? paljon (~ 10 25 ) hiukkasia + sähkömagneettinen vuoovaikutus vaikeaa, eksaktisti mahdotonta (vt. kolmen kappaleen ongelma) apuun: symmetia (kiteisissä aineissa: peiodisuus), yksinketaistettuja malleja ja appoksimaatioita mitä näistä saadaan? mikoskooppinen kuvaus joukolle ominaisuuksia: johtavuus, supajohtavuus, mekaaniset ominaisuudet, magnetismi, optiset ominaisuudet,... uusia hiukkasia : elektoneja joilla on outo massa ja vaaus (aukkoja), fononeja, Coopein paeja,... 2

Päivän aiheet atomien väliset sidokset: yleistä sidoksista ionisidos, kovalenttinen sidos, metallisidos, vetysidos, Van de Waals sidos kotitehtävän puku laskuhajoitus: sitova ja ei-sitova tila H 2+ -molekyylissä kovalenttinen sidos 3

Vapaat atomit Kiinteä aine Vapaat atomit: Kiinteä aine: peusajatus kokonaisenegian lasku stabiloi kiinteän aineen tietyn akenteen saavutettu enegiaetu suuempi kuin elektonin atomin kuoelta kiinteän aineen sidokseen siitämisen hinta! kokonaisenegian laskun suuuus ketoo sidoksen vahvuudesta kokonaisenegia = sähköstaattinen enegia + elektonien kineettinen enegia sähköstaattinen enegia lasketaan ei appoksimaatioilla ei vuoovaikutuksissa/akenteissa elektonien kineettinen enegia laskee, kun elektonien tilat leviävät (delokalisoituvat); nousee, kun tilat lokaisoituvat QM, Pauli-peiaate! 4

Kahden atomin välinen vuoovaikutus Tasapaino-etäisyys Eäs malli kokonaispotentiaalille: epulsiivinen osa: Paulin kieltosääntö kineettinen enegia kasvaa; Sähköstaattinen vv. Attaktiivinen osa: Sähköstaattinen vv. (eilaisia ilmenemismuotoja), elektonien liiketila kasvaa kineettinen enegia pienenee Kiinteä aine: E tot = φ( i< j ij ) ; ij = i j Summa kaikkien vuoovaikuttavien atomipaien (Paipotentiaalimalli) 5

Ionisidos Elektonien aaltofunktiot: ~ei peittoa tasapainon lähellä! - Positiiviset ja negatiiviset ionit (I- ja VII-yhmä, esim. Na + ja Cl ) - Elektonin siito Na Cl vie enegiaa. Ionien sähköst. vv. pienentää enegiaa. Elektonikuoien peitto nostaa kineettistä enegiaa. Enegian minimi hilavakio a - Suui koodinaatio alentaa sähköst. enegiaa, mutta voi nostaa kineettistä enegiaa (ionien kokoeo) eilaiset ionikideakenteet (CsCl, NaCl, ZnS) 6

Kovalenttinen sidos: 1D laatikkomalli Ääettömän syvä laatikko : E = 2 2 2 n π 2 2mL V ( x) ψ (x) L 2L L Elektonien kokonaisenegia, Atomit (laatikot) eillään ( n = 1) : 2 2 2 2 π π E = 2 = 2 2 2mL ml Atomit yhdessä,sitova tila ( n = 1) : 2 2 π E = 2 2m(2L) 2 elekonien vuoovaikutus = 0 2 2 π = 2 4mL Kineettinen enegia pienenee sidos Atomit yhdessä, ei 2 2 4 π E = 2 2m(2L) 2 -sitova 2 2 π = 2 ml tila ( n = 2 ) : 7

Kovalenttinen sidos: H 2+, hiilen akenteet ja puolijohteet Elektonien aaltofunktiot peittävät toisiaan! Sitova tila - Elekonien kineettinen enegia laskee sitovassa tilassa (molekyyliobitaalissa) - Suunnatut sidokset atomien p- ja d-elektonit! Ei-sitova tila Atomin s- ja kolmen p- obitaalin lineaaikombinaatio sp 3 hybidisaatio: tyypillistä IV-yhmän puolijohteille (C, Si,...), samoin bbbbbbbbbbbbbbbbb III-V, II-VI 8

Kovalenttinen sidos Hiilinanoputki: sp 2 hybidisaatio: tyypillistä hiilelle Gafiitti: Kovalenttinen sidos C 60 -fulleeeni Gafeeni: Peustila! Van de Waalssidos 9

Metallisidos ionit valenssielektonitiheys Pääasiassa yhmien I III alkuaineet 10

Metallisidos ns. yksinketaiset metallit ((maa)alkalimetallit, Al, Pb): sidokset eivät suuntauneita (delokalisoituneet elektonit sidokset ) tansitiometallit: sidokset osittain suuntautuneita d-elektonit lokalisoituneita metalleissa atomit (ionit) pakkautuvat tiiviisti näin saadaan paas mahdollinen peitto uloimpien elektonien aaltofunktioille tasaisin potentiaali ja aaltofunktio kineettinen enegia pienenee kokonaisenegia minimoituu 11

BCC vs. FCC ja ~HCP metallit BCC: Alkalimetallit, V- ja C-yhmät, α-fe FCC: Ni-yhmä, jalot metallit, Al, Pb ~HCP tai FCC: maa-alkalimetallit (Ei Ba), Sc-, Ti-, Co-yhmät a D nn D nnn a -D nnn /D nn : BCC: 1.15, FCC: 1.41 BCC:llä efektiivisesti 14 lähinaapuia -d-elektonien obitaalit ~lokalisoituneita ja suuntautuneita FCC, ~HCP tai BCC Maa-alkalimetallit Ca, S ja Ba a(å) D nn (Å) D nnn (Å) D ave (Å) V/atom (Å 3 ) Ca, FCC: 5.58 43.4 S, FCC : 6.08 4.30 6.08 4.89 56.2 Ba, BCC: 5.02 4.35 5.02 4.64 63.3 12

Vetysidos, Van de Waals Myös molekulaaisia kiinteitä aineita Jää -- Muovit Pehmeä tiivis aine (soft condensed matte) Molekyylien väliset sidokset: vetysidos: pysyvien dipolien välinen vuoovaikutus (jää, DNA) van de Waals: fluktuaatioiden aiheuttama dipolimomentti attaktiivinen potentiaali veannollinen 6 (vt. 1 Coulombin potentiaali) heikko jalokaasuatomien välillä, huomattava ogaanisille molekyyleille pinnoilla tai havoissa mateiaaleissa kuten gafiitissa 13

Mitä opimme sidoksista? pikainen katsaus ionisidokseen, kovalenttiseen sidokseen, metallisidokseen sekä heikkoihin sidoksiin käytännössä sidokset jonkinasteisia välimuotoja ioni vs. kovalenttinen kovalenttinen vs. metalli 14

Kotitehtävä ensi tiistaiksi Luettava kijasta luvut: 5. siontateoia ja 6. sionta peiodisesta kiteestä Kysymyksiä lyhyt vastaus Lyhyitä laskuja atkaisupeiaate ja lopputulos Palautus MyCouses, DL ensi maanantai klo 16:00 15

Laskuhajoitustehtävä Laskutehtävä, papei palautetaan, DL laskai 24.3. tai laatikko (Y27) 24.3. klo 10:15 yhmätyö sallittua, mutta jokainen palauttaa oman pesoonallisen atkaisun! Tehtävä: H 2+ -molekyylin sitovan ja ei-sitovan tilan ominaisenegiat ja aaltofunktiot 16

Kovalenttinen sidos: H 2 + Sitova ja ei-sitova tila 17 Coutesy by Juha itala B A B A e e e e + = Ψ + = Ψ ) ( ; ) (

Kovalenttinen sidos: H 2 + 0 4 1 ) ( πε = = k k k V B A B A B A A B e e e e = Ψ + = Ψ ) ( ; ) ( B A e T k E E + = 18 Coutesy by Juha itala Sitovalla tilalla ytimien lähestyessä kineettinen enegia pienenee ennen kuin potentiaali enegia nousee Sidos

akentelutehtävä: kidehilat akennetaan atomeista ja sidoksista sinkki-välke- (FCC:n abc-pinous) ja wutsiittihiloja (HCP:n ab-pinous) zb:n (111)-suunnassa ja wutsiitin c- suunnassa Säännöt: -Sidokset ovat eilaisten atomien välillä -Tehdään 4 levyä, jotka voidaan liittää ala- ja yläpuolella oleviin levyihin ( levyt muodostuvat ei-tasomaisista kuusikulmioista) -Liitetään levyt yhteen niin, että muodostuu säännöllinen peiodinen akenne. Syntyikö zb- vai wutsiittihila? -Etsi zb-akenteen kuutiollinen yksikkökoppi ja mekitse se -Muutetaan levyjen pinousta niin, että muodostuukin toinen hila -Mitä yhtäläisyyksiä ja eoja havaitset zb- ja w-hiloissa? -Miksi kasvatettaessa esim. zb-gaas:ia As-atomi voi kovata, vaikkakin havoin, Ga-atomin synnyttäen ns. As Ga antisite hilaviheen? 19

Sinkkivälke: ZnS, GaAs, AlAs zb-akenteessa on 12 zigzag-ketjujen suuntaa, joita pitkin eletoni- ja ioniakenteiden häiiöt etenevät. GaAs:n (zb akenne) johtavuuselektonitiheys N epäpuhtauden ympäillä. Ville Vikkala et al. PB 88, 035204 (2013) 20

Wutsiitti: GaN, ZnS LEDit Wutsiittiakenne johtaa spontaaniin polaisaatioon P c-suunnassa: P:n muutos ( P) ajapinnalla sidotut vaaukset suui sähkökenttä Makoskooppinen vaaustiheys ja potentiaali GaN/GaAlN (w) keosakenteessa. F. Benadini and V. Fioentini, PB, 57, 9427 (1998). -Miten tiheydestä sadaan potentiaali? (missä ovat multipoolikehitelmän monopoli- ja dipolivaaukset?) -Vaikuttaako polaisaatio laitteiden toimintaan (LEDit, Laseit)? 21