Luku 3: Virheetön kide

Samankaltaiset tiedostot
KRISTALLOGRAFIASSA TARVITTAVAA MATEMA- TIIKKAA

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

Materiaalifysiikan perusteet P Ratkaisut 1, Kevät 2017

Luku 3: Kiinteiden aineiden rakenne

KIDETUTKIMUS. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn taustaa

Braggin ehdon mukaan hilatasojen etäisyys (111)-tasoille on

Kidehilan perusominaisuudet

1.Growth of semiconductor crystals

Kidehilan perusominaisuudet

Kiinteän aineen ominaisuuksia I. Kiteisen aineen perusominaisuuksia

1.5 RÖNTGENDIFFRAKTIO

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

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

Chem-C2400 Luento 4: Kidevirheet Ville Jokinen

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

1. Materiaalien rakenne

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

4. Selitä sanoin ja kuvin miten n- ja p-tyypin puolijohteiden välinen liitos toimii tasasuuntaajana?

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

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

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

Metallit jaksollisessa järjestelmässä

TEKNILLINEN TIEDEKUNTA. Rigaku SmartLab:n käyttö terästutkimuksessa. Aino Tirri

Nyt. = R e ik R ψ n (r + R R ) = e ik R [ = e ik R b n ψ n (r R),

Kenguru 2013 Student sivu 1 / 7 (lukion 2. ja 3. vuosi)

Kuva 1. Braggin diffraktio sarjasta atomitasoja.

Kvanttifysiikan perusteet 2017

MATEMATIIKAN KOE, LYHYT OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Ristitulolle saadaan toinen muistisääntö determinantin avulla. Vektoreiden v ja w ristitulo saadaan laskemalla determinantti

763628S Kondensoidun materian fysiikka

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/3

Kertausosa. 5. Merkitään sädettä kirjaimella r. Kaaren pituus on tällöin r a) sin = 0, , c) tan = 0,

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

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

KJR-C2004 materiaalitekniikka. Harjoituskierros 2

763628S Kondensoidun materian fysiikka

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

c) 22a 21b x + a 2 3a x 1 = a,

1.2 Kulma. Kulmien luokittelua. Paralleeliaksiooma

MATEMATIIKAN PERUSKURSSI I Harjoitustehtäviä syksy Millä reaaliluvun x arvoilla. 3 4 x 2,

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Johdatus matematiikkaan

l 1 2l + 1, c) 100 l=0 AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

763333A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 1 Kevät 2014

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

RATKAISUT a + b 2c = a + b 2 ab = ( a ) 2 2 ab + ( b ) 2 = ( a b ) 2 > 0, koska a b oletuksen perusteella. Väite on todistettu.

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

l 1 2l + 1, c) 100 l=0

Tehtävä 1. Oletetaan että uv on neliö ja (u, v) = 1. Osoita, että kumpikin luvuista u ja v on. p 2j i. p j i

Juuri 10 Tehtävien ratkaisut Kustannusosakeyhtiö Otava päivitetty

802320A LINEAARIALGEBRA OSA II

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Luku 4: Hilaviat. Käsiteltäviä aiheita. Mitkä ovat jähmettymismekanismit? Millaisia virheitä kiinteissä aineissa on?

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

Metallien plastinen deformaatio on dislokaatioiden liikettä

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Diffraktio. Luku 36. PowerPoint Lectures for University Physics, Twelfth Edition Hugh D. Young and Roger A. Freedman. Lectures by James Pazun

Monikulmiot 1/5 Sisältö ESITIEDOT: kolmio

Pituus- ja pinta-alayksiköt. m dm cm mm. km hm dam m. a) neljän pienen kohteen pituus millimetreiksi, senttimetreiksi ja desimetreiksi

9. Vektorit. 9.1 Skalaarit ja vektorit. 9.2 Vektorit tasossa

Fononit. Värähtelyt lineaarisessa atomiketjussa Dispersiorelaatio Kaksi erilaista atomia ketjussa Fononit kolmessa dimensiossa

C. Montako prosenttia pinta-ala kasvaa, jos mittakaava suurenee 5%? a) 5 % b) 7 % c) 9 % d) 10 % e) 15 %

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

Kartio ja pyramidi

Havainnollistuksia: Merkitään w = ( 4, 3) ja v = ( 3, 2). Tällöin. w w = ( 4) 2 + ( 3) 2 = 25 = 5. v = ( 3) = 13. v = v.

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

MATEMATIIKAN KOE PITKÄ OPPIMÄÄRÄ

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

OPTIIKAN TYÖ. Fysiikka 1-2:n/Fysiikan peruskurssien harjoitustyöt (mukautettu lukion oppimäärään) Nimi: Päivämäärä: Assistentti:

Mb8 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) sivu 1/2

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Lieriö ja särmiö Tarkastellaan pintaa, joka syntyy, kun tasoa T leikkaava suora s liikkuu suuntansa

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Ympyrä 1/6 Sisältö ESITIEDOT: käyrä, kulma, piste, suora

Työssä mitataan välillisesti elektronien taipumiskulmat ja lasketaan niiden sekä elektronin energian avulla grafiitin hilavakioita.

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Vaihdetaan ryhmässä (1) summausindeksiksi K, jolloin saadaan (E E 0 k K 1

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

Moniulotteisia todennäköisyysjakaumia

Tekijä Pitkä matematiikka

Lineaarikuvausten. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksia. Ydin. Matriisin ydin. aiheita. Aiheet. Lineaarikuvaus. Lineaarikuvauksen matriisi

Epäyhtälöt 1/7 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

1 Ensimmäisen asteen polynomifunktio

12. Derivointioperaattoreista geometrisissa avaruuksissa

Yhtälön oikealla puolella on säteen neliö, joten r. = 5 eli r = ± 5. Koska säde on positiivinen, niin r = 5.

7. Olemassaolo ja yksikäsitteisyys Galois n kunta GF(q) = F q, jossa on q alkiota, määriteltiin jäännösluokkarenkaaksi

Matriisi-vektori-kertolasku, lineaariset yhtälöryhmät

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Transkriptio:

Luku 3: Virheetön kide Suurin osa teknisistä materiaaleista ovat kiteisiä. Materiaalit voidaan kiderakenteensa puolesta jakaa 7:ään kidesysteemiin ja 14:sta piste- eli Bravais-hilaan. Metallien kiderakenne on suhteellisen yksinkertainen jopa niin, että valtaosassa metalleja mahdollisten atomijärjestysten lukumäärä on vain kolme. Keraameilla kiderakenne on yleensä varsin monimutkainen. Lasit puolestaan ovat atomijärjestykseltään amorfisia ja polymeerit koostuvat usein sekä kiteisestä että amorfisesta osasta kiderakenteen ollessa näissä yhtä monimutkainen kuin keraameilla. Kiteisen rakenteen määrittämiseksi on tunnettava/pystyttävä määrittämään atomien paikat kiteessä sekä kidesuunnat ja -tasot. 3.1 Seitsemän systeemiä ja neljätoista hilaa Kiteiselle atomijärjestykselle on ominaista jaksollisuus, jossa tietty perusyksikkö, alkeiskoppi toistuu läpi rakenteen. Alkeiskopin geametria voidaan määritellä kolmen vektorin (ns. siirrosvektorin) muodostamalla suuntaissärmiöllä, jossa vektorit ovat ā, b ja c ja niiden väliset kulmat α, β ja γ, ks. kirjan kuva 3.2. Kiteinen atomijärjestyksen voidaan ajatella rakentuvan kahdessa vaiheessa: 1. Muodostetaan ensin kiteen runko-osa, ristikko eli (piste)hila jakamalla tyhjä tila samankokoisiin ja muotoisiin alkeiskoppeihin. Matemaattisesti tämä tapahtuu käyttäen hilavektoria r = uā + v b + w c jossa ā, b ja c ovat alkeiskopin määrittävät vektorit. Kokonaislukujen u, v ja w saadessa kaikki mahdolliset kokonaislukuarvot 0, ±1, ±2, ±3... hilavektori r määrittää alkeiskoppien nurkkapisteet ja samalla jakaa tilan alkeiskopin kokoisiin yksiköihin. Koska alkeiskoppien pitää täyttää tila 100 %:sti, mah- 1

dollisia koppimuotoja on vain seitsemän = kidesysteemit. Katso taulukko 3.1. Vaikka muotoja on vain seitsemän, voidaan kiteinen järjestys kuitenkin jakaa äärettömän monella tavalla samanmuotoisiin alkeiskoppeihin. 2. Lisätään luotuun imaginaariseen ristikkoon atomit asettamalla jokaiseen hilavektorin r määrittämään pisteeseen motiivi, joka koostuu joko yhdestä atomista (primitiivinen, merkintä P), kahdesta atomista (tilakeskinen, I tai päätypintakeskinen, C) tai neljästä atomista (pintakeskinen, P). Kuva 1: Motiivit. Yhdistämällä hila + motiivi voidaan rakentaa 14 erilaista yksikkökoppia = Bravais-hilat, joita esitetty taulukossa 3.2. Huomaa yksikkökopin ja alkeiskopin ero: alkeiskoppi sisältää yhteensä vain yhden atomin (1/8 atomia 8:ssa nurkkapisteessä), kun taas yksikkökopissa on 1,2 tai 4 atomia. Esimerkiksi pintakeskisessä kuutiollisessa (pkk) on 8 nurkka-atomia (1/8 atomista) ja kuusi sivutahkon keskellä olevaa atomia (1/2 atomista) mistä saadaan 8 1/8 + 6 1/2 = 4 atomia. Yksikkökoppien käyttö helpottaa hahmottamista: Esimerkiksi pintakeskinen kuutiollinen -rakenne voidaan esittää myös rakenteena, joka koostuu trikliinisistä alkeiskopeista, mutta rakenteen hahmottaminen olisi silloin hankalampaa. 3.2 Metallinen rakenne Metallien kiderakenne on yksinkertainen. Yleisimmät Bravais-hilat ovat pintakeskinen kuutiollinen (pkk), tilakeskinen kuutiollinen (tkk) ja tiivispakkauksellinen heksagoninen (tph) 2

Näistä pkk ja tph ovat ns. tiivispakkauksellisia rakenteita eli niissä atomipallot täyttävät 74 % kopin tilavuudesta (ja siten tyhjän tilan osuus on 26 %). Tkk on vain tiiviisti pakattu rakenne täyttöasteella 68 % (tyhjää tilaa siten 32 %). Kun atomit asettuvat tasolle siten, että jokaista atomia ympäröi kuusi naapuria (lettupannun kuvio) saadaan tiivispakkauksellinen atomitaso. Pinoamalla näitä tasoja päällekkäin jaksolla ABCABC... saadaan pkk ja jaksolla ABABAB... saadaan tph, katso kuva 3.7. Korkeampaa matematiikkaa käyttäen voidaan yksikkökopin särmän pituuden a (= hilavakio) ja atomipallon säteen r välille löytää yhteys Taulukko 1: Hilavakio atomisäteen funktiona. Bravais-hila Hilavakio ja atomisäteen yhteys tkk a = 4r/ 3 pkk a = 4r/ 2 tph a = 2r 3.6 Hilapisteet, suunnat ja tasot Kristallografia liityy olennaisena osana useaan alaan kuten metallurgiaan, geologiaan, puolijohdeteollisuuteen. Kaikissa näissä käytetään yhtenäistä systeemiä kidesuuntien ja -tasojen nimeämisessä. Indeksointa selvittävä video löytyy oppimateriaaleista. Kristallografiassa käytetään runsaasti vektorimatematiikkaa. Vaikka jokainen on tietysti perehtynyt tähän matematiikan osa-alueeseen, aihetta kertaava teksti löytyy oppimateriaalista. 3.7 Röntgendiffraktio Materiaalien kiderakenteen analysointi perustuu yleensä röntgendiffraktioon. Monirakeisen materiaalin kiderakenteen analysointi perustuu kahteen yksinkertaiseen kaavaan; Braggin laki 3

n λ = 2d sinθ (1) missä n = 1, 2, 3..., λ on röntgensäteilyn aallonpituus, d heijastavien atomitasojen välinen etäisyys ja θ on heijastuskulma. Toinen tarpeellinen kaava sitoo atomitasojen välisen etäisyyden (d) hilavakion (a) ja tason indeksit (hkl) toisiinsa. Kuutiollisessa rakenteessa tämä kaava on d hkl = a h 2 + k 2 + l 2 (2) Yhdistämällä nämä kaksi saadaan sin 2 θ = λ2 4a 2 }{{} =vakio ( k 2 + k 2 + l 2) (3) Diffraktiomittauksessa muutetaan röntgensäteen tulokulmaa ja rekisteröidään esimerkiksi atomitasoilta (111), (200), (220), (220)... saatavat heijastukset sekä näitä vastaavat heijastuskulmat (θ). Kuten kaavasta 3 nähdään kasvavat heijastuskulmien sin 2 arvot samassa suhteessa kuin heijastavien tasojen indeksien neliöiden summa. Kiderakenteen ratkaiseminen perustuu tähän yhteyteen. Metallikiteen kaikki atomitasot eivät välttämättä anna heijastusta (heijastukset tulevat vain alkeiskopeista). Tästä saadaan heijastusehdot, jotka on esitetty kirjan taulukossa 3.4. Sanastoa Joidenkin termien suomennokset. 4

Englanti GENERAL atomic packing factor Bravais lattice crystal system family of directions family of planes lattice constant lattice direction lattice parameter lattice position linear density Miller-Bravais indices Miller indices planar density point lattice atomien pakkaustiheys Bravaishila kidesysteemi, -järjestelmä suunnan muoto tason muoto hilavakio hilasuunta hilaparametri hilapiste lineaarinen tiheys Miller-Bravais -indeksit Miller -indeksit tasotiheys hilapiste Toisin kuin englanninkielisessä kirjallisuudessa, käsitteitä lineaarinen tiheys ja tasotiehys ei käytetä Suomessa kovinkaan yleisesti. Käsitteen atomien pakkaustiheys (APF) asemesta Suomessa käytetään yleisemmin käsitettä tyhjän tilan osuus = 1-APF. Englanti STRUCTURES body-centered cubic cubic close packed face-centered cubic hexagonal close packed tilakeskinen kuutiollinen kuutiollinen tiivispakkaus pintakeskinen kuutiollinen heksagoninen tiivispakkaus Englanti DIFFRACTION Bragg angle Bragg equation Bragg law diffraction diffraction angle diffractometer interplanar spacing primitive unit cells reflection rules x-radiation x-ray diffraction heijastuskulma Braggin yhtälö Braggin laki diffraktio heijastuskulma diffratometri (atomi)tasojen välinen etäisyys primitiivinen yksikkökoppi heijastusehdot röntgensäteily röntgendiffraktio 5