0. Lite om ämnet och kursen Fasta tillståndets fysik (FTF) Vad är det? FTF förvaltar och utvecklar det centrala kunskapsstoffet rörande fasta ämnens olika egenskaper: - Elektriska - Optiska - Termiska - Magnetiska - Mekaniska egenskaper Förklarar fenomen på mikroskopisk nivå länk mellan atomerna och vardagens värld FTF är det största fysikområdet vad antalet fysiker beträffar Stora industrigrenar är baserade på forskning inom FTF
Historia (http:www.nobel.se) Start med röntgen (bestämning av atomär ordning, 1910-tal) och kvantmekanik (1920-tal). Upptäckten av supraledare. Halvledare, transistorn. Röntgen NP 1901 Onnes NP 1912 von Laue NP 1914 W L Bragg NP 1915 Einstein NP 1921 Bohr NP 1922 Heisenberg NP 1932 Schrödinger och Dirac NP 1933 Bardeen, Brattain och Shockley NP 1956
FTF Mångfalden tenderar dölja enhetligheten Omöjligt att exakt hantera kända lagar för fasta ämnen med 10 23 atomer/cm 3 (Coulombs lag, Fermi-Dirac-statistik för elektroner, Schrödingerekvationen). Hur förklara magnetism, supraledning,...? Drastiska approximationer behövs och används, mer eller mindre välmotiverade Diversifierat stoff. Mångfald fenomen. Ny story för varje kapitel. FTF för F3: Grundkurs för alla materialkurser från elektronmikroskopi, fysikalisk elektronik, ytfysik, vätskekristallfysik. Allmänbildande för civ.ing. Grund för de som vill forska inom området. Kursen är omfattande läs kontinuerligt! Minimum: Satsa på diffraktion, gittervibrationer, frielektrongasen och halvledare
1. Kristallstruktur 1.1 Inledning Kristall - Historiskt sett beteckning på transparent mineral, ofta med regelbundna former, studerade sedan 1600-talet. Kvarts (Bergkristall), SiO 2 Akvamarin, Be 3 Al 2 SiO 3 Kristallglas (G. Ravenscroft, England, 1674) är ett särskilt transparent glas (blymönja i stället för soda blandas med kvartshaltig sand)
N. Stena (dansk) skrev 1669 i sin De solido intrasolidum naturalilar contenta Att kalkspatens kristallytor visserligen växla, men att vinklarna emellan ytorna Är konstanta. Ledtråd till att kristallen byggs upp av identiska byggstenar. Kristall definition 1912-1996: Fast kropp där atomernas position beskrivs av ett punktgitter + en bas av atomer, identiskt ordnade till varje punkt. Punktgittret är ett translationsgitter: R m,n,p = ma 1 + na 2 + pa 3 Jfr tapetmönster! Ex. i 2 dim
Kristall definition 1996- nu: Fast kropp, som ger ett väldefinierat Diffraktionsmönster (mer om detta senare kvasikristaller ) Kristaller bildas av de flesta ämnen alltifrån grundämnen till proteiner och DNA-molekyler (grund för strukturbestämning!) Kristallit = liten kristall = korn Ex. metall bit Mellan kornen finns korngränser med mindre god ordning. Kornens storlek beror på tillverkningsprocessen Etsning gör kornen synliga pga annan reaktionsbenägenhet för korngränserna stål
Enkristaller hela provet är ett enda korn. Kan tillverkas med speciella metoder. Stor tillverkning av enkristallint kisel för halvledarindustrin. Polykristallint kisel smälts Degeln sänks o roteras sakta, ca 1 dm/dygn Produktionen i gång
Diffraktion Bestämning av kristallstrukturen görs med diffraktion (ex. av röntgenstrålning. Sedan 1912, von Laue, Bragg,...) Strålning in Prov Strålning ut endast I vissa riktningar. Mät dessa och fundera ut strukturen Ex. DNA-molekylen (NP1962 till Crick, Watson, Wilkins; Rosalyn Franklin)
Ex. Cs + Cl - Mönsterbit? Enhetscell, här en kub Gitter? Kubiskt gitter, sc (simple cubic) Cl - Bas? Ena jonslaget i (0,0,0) det andra i a/2(1,1,1) Cs +
Ex: Tätpackad struktur I (hexagonal tätpackning, hexagobnal close packed, hcp) ABABABAB... A B A
Ex: Tätpackad struktur II (Ytcentrerad kubisk struktur, face centered cubic, fcc) Koordinationstal? =antalet närmaste grannar=12 Packningstäthet? =atomvolym/cellvolym=0,74
Ex: Rymdcentrerad kubisk struktur (body centered cubic, bcc) Koordinationstal? =antalet närmaste grannar=8 Packningstäthet? =atomvolym/cellvolym=0,68
Fcc och bcc beskrivna som sc: Bas? Bas: en atom i (0,0,0) en atom i a/2(1,1,1) 2 atomer i basen Bas: en i (0,0,0) en i a/2(1,1,0) en i a/2(1,0,1) en i a/2(0,1,1) 4 atomer i basen Primitiva translationsvektorer (a 1,a 2,a 3 ) för bcc, fcc är inritade (till vänster). De spänner den minsta möjliga enhetscellen = den primitiva enhetscellen