slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
Metale

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 92

Metale - PowerPoint PPT Presentation


  • 211 Views
  • Uploaded on

Metale . Doskonałe przewodniki ciepła, elektryczności Są kowalne, ciągliwe Teoria metali zapoczątkowała współczesną teorię ciała stałego. 1897 – J. J. Thomson odkrywa elektron. Sir Joseph John Thomson 1856 - 1940. "Could anything at first sight seem more

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Metale ' - wren


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
metale
Metale
  • Doskonałe przewodniki ciepła, elektryczności
  • Są kowalne, ciągliwe
  • Teoria metali zapoczątkowała współczesną teorię ciała stałego
1897 j j thomson odkrywa elektron
1897 – J. J. Thomson odkrywa elektron

Sir Joseph John Thomson 1856 - 1940

"Could anything at first sight seem more

impractical than a body which is so small

that its mass is an insignificant fraction of

the mass of an atom of hydrogen?"

1900 teoria przewodnictwa drudego
1900 - Teoria przewodnictwa Drudego

Paul Drude Institut, Berlin

Paul Karl Ludwig Drude 1863 - 1906

za o enia modelu
Założenia modelu
  • Elektrony w metalu tworzą „gaz elektronowy” i można je opisać metodami kinetycznej teorii gazów, tzn.:
  • elektrony są sztywnymi identycznymi kulami, które poruszają się prostoliniowo od zderzenia do zderzenia
  • czas trwania zderzenia jest zaniedbywalnie mały
  • siły działają tylko w momencie zderzenia
  • ładunek dodatni związany jest ze znacznie cięższymi i nieruchomymi cząstkami
g sto gazu elektronowego
Gęstość gazu elektronowego

Li 4,70x1022 (/cm3)

Cu 8,47x1022

Be (2e) 24,7x1022

Al (3e) 18,1x1022

Pb (4e) 13,2x1022

Kilka rzędów wielkości większe od gęstości gazów klasycznych w warunkach normalnych!!!

podstawowe za o enia modelu drudego
Podstawowe założenia modelu Drudego
  • Zaniedbuje się oddziaływania pomiędzy elektronami (przybliżenie elektronów niezależnych) i ich oddziaływania z jądrami poza zderzeniami (przybliżenie elektronów swobodnych);
  • Zderzenia są momentalne, a elektrony ulegają zderzeniom z prawdopodobieństwem 1/τ w jednostce czasu; τ nazywamy czasem relaksacji albo czasem swobodnego przebiegu elektronu
co mo e przewidzie teoria drudego
Co może przewidzieć teoria Drudego?
  • Prawo Ohma
  • Zjawisko Halla
  • Przewodnictwo elektryczne prądu zmiennego
  • Przewodnictwo cieplne metali (prawo Wiedemanna-Franza): stosunek przewodności cieplnej i elektrycznej jest wprost proporcjonalny do temperatury, a współczynnik proporcjonalności jest niemal jednakowy dla wszystkich metali
wyniki
Wyniki

Prawo Ohma

Przewodność cieplna

Prawo Wiedemanna-Franza

k opoty teorii drudego
Kłopoty teorii Drudego

W tej teorii rozkład prędkości elektronów swobodnych w metalu opisuje rozkład Maxwella-Boltzmanna:

To założenie dawało zbyt duży wkład elektronów do ciepła właściwego metali.

zakaz pauliego
Zakaz Pauliego

Gaz Fermiego elektronów swobodnych

slide13

Układ N elektronów w objętości V

Równanie Schrödingera

periodyczne warunki brzegowe

slide15

Energia Fermiego

Dla potasu: EF=2.12eV; kF=0.746Å-1

TF=2.46x104K

rozk ad fermiego diraca
Rozkład Fermiego - Diraca

Paul Adrien Maurice Dirac 1902 - 1984

Enrico Fermi 1901 -1954

podej cie chemiczne
Podejście „chemiczne”
  • wykorzystuje teorię orbitali molekularnych
slide23

Każdy orbital atomowy tworzy orbital molekularny;

w miarę jak wzrasta liczba orbitali, maleje przerwa energetyczna między nimi

podej cie fizyczne
Podejście „fizyczne”

Metal jest traktowany jak „studnia potencjału”, a poziomy energetyczne elektronu są analogiczne do rozwiązania problemu cząstki w pudle.

model prawie swobodnych elektron w
Model „prawie swobodnych” elektronów
  • Dodatnio naładowane jony ułożone są w sieć;
  • Energia potencjalna elektronów ma minima w miejscach jonów, a maksima pomiędzy nimi;
  • Rozwiązania równania Schrödingera pokazują, że istnieją energie niedostępne dla elektronów
slide31

V(x)

Ion core

d

x

Potencjał Kroniga-Penneya

William Penney1909-1991

Ralph de Laer Kronig 1904-1995

slide33
Różnice pomiędzy przewodnikami, półprzewodnikami, izolatorami zależą od:

struktury pasmowej każdego z nich

stopnia zapełnienia pasma walencyjnego

wielkości przerwy energetycznej pomiędzy pasmami zapełnionymi i pustymi

nieorganiczne cia a sta e
Nieorganiczne ciała stałe

krzem

Węgiel (diament) 6.0 eV izolator

Krzem 1.1 eV półprzewodnik

German 0.7 eV półprzewodnik

Cyna szara (>13ºC) 0.1 eV półprzewodnik

Cyna biała (<13ºC) 0 eV metal

Ołów 0 eV metal

slide39
NaCl

Na+: 1s22s22p6

Cl-: 1s22s22p63s23p6

3s3p: zapełniona dla Cl, pusta dla Na:

Pasmo walencyjne jest zbudowane z orbitali anionu, a pasmo przewodnictwa – z orbitali kationu

Promocja elektronu to powrotny transfer do Na!

Wiązanie jonowe promuje duże przerwy energetyczne: dla NaCl: 8.5eV.

zwi zki typu iii v
Związki typu III-V

AlP 3.0 InP 1.3

AlAs 2.3 InAs 0.3

AlSb 1.5 InSb 0.2

GaP 2.3

GaAs 1.4

Ga-Sb 0.7

slide41

Związki typu II-VI

ZnO 3.4 PbS 0.37

ZnS 3.8 PbSe 0.27

CdO 2.3 PbTe 0.33

CdSe 1.8 MgO 7.16

CdTe 1.45 BeO ~8

slide42

Związki typu I-VII

LiF 11 KCl 8.5

LiCl 9.5 KBr 7.5

NaF 11.5 KI 5.8

NaCl 8.5

NaBr 7.5

KF 11

zwi zki metali przej ciowych
Związki metali przejściowych
  • Pojawiają się orbitale d, które
  • mogą powodować powstanie pasma d i duże przewodnictwo,
  • Albo też orbitale te mogą się niewiele przekrywać – i będą wtedy zlokalizowane
slide44

10-14Ω-1cm-1

103Ω-1cm-1

empiryczne regu y kiedy tworzenie pasma d jest preferowane
Empiryczne reguły, kiedy tworzenie pasma d jest preferowane
  • Formalny ładunek kationu jest mały (np. TiO jest metaliczny, TiO2 – izolatorem, Cu2O i MoO2 są półprzewodnikami, CuO i MoO3 – izolatorami)
  • Kation jest „wczesnym” metalem przejściowym (np. TiO i VO są metaliczne, NiO i CuO – kiepskimi półprzewodnikami)
  • Kation jest z drugiego albo trzeciego okresu przejściowego (Cr2O3 jest kiepskim przewodnikiem, niskie tlenki Mo i W są dobrymi przewodnikami)
  • Anion jest znacząco elektrododatni (NiO jest kiepskim przewodnikiem, NiS, NiSe i NiTe są dobrymi przewodnikami)
slide46

Fullereny i grafit

Allotropy węgla pokazują jak zmieniają się własności ciała stałego w zależności od stopnia przekrywania orbitali

metale organiczne
Metale organiczne
  • Układy sprzężonych wiązań
  • Kompleksy z przeniesieniem ładunku
uk ady sprz onych wi za
Układy sprzężonych wiązań

10-5Ω-1cm-1

10-9Ω-1cm-1

1.9eV

slide50

Alan MacDiarmid 1927 - 2007

Alan J. Heeger 1936

Hideki Shirakawa 1936

Nagroda Nobla 2000 „for the discovery and development of conductive polymers”

domieszkowany poliacetylen
Domieszkowany poliacetylen
  • Domieszki takie jak Br2, SbF5, WF6 czy H2SO4 (akceptory elektronów) dają np.. (CH)nδ+Brδ-;
  • Metale alkaliczne – donory elektronów
  • Daja przewodności rzędu 103Ω-1cm-1 dla trans-poliacetylenu
  • Domieszki rzędu 1 - 5 mol%
otrzymywanie poliacetylenu
Otrzymywanie poliacetylenu
  • Katalityczna polimeryzacja acetylenu bez dostępu tlenu
  • Katalizator Zieglera-Natty
  • Acetylen jest przepuszczany przez roztwór katalizatora, albo
  • Acetylen jest wpuszczany do szklanej kolby, której powierzchnia jest obłożona katalizatorem
  • Forma trans może być uzyskana bezpośrednio w temp. 100ºC, albo z formy cis po podgrzaniu do ~150ºC.
kompleksy z przeniesieniem adunku charge transfer complexes
Kompleksy z przeniesieniem ładunku (charge-transfer complexes)
  • Dwuskładnikowe układy organiczne, z których jeden jest donorem π-elektronów, a drugi – akceptorem;
  • Dla stabilnego efektu jest istotne, aby zarówno donory jak akceptory tworzyły naprzemianległe stosy.
slide56

chloranil, tetrachlorochinon

TCNQ

p-fenylodiamina

tetratiofulwalen

Bis-etylenoditio-tetratiafulwalen

TTF – TCNQ, 1973; Anderson, Lee, Saitoh

p przewodniki samoistne a domieszkowane
Półprzewodniki samoistne a domieszkowane
  • Półprzewodniki domieszkowane mają w niskich temperaturach większe przewodnictwo niż samoistne (Si w 25ºC – 10-2Ω-1cm-1, domieszkowanie zwiększa je o kilka rzędów wielkości);
  • Przewodnictwo jest precyzyjnie kontrolowane stężeniem domieszek
  • Przewodnictwo domieszkowe może rozciągać się na większe zakresy temperatur
przewodnictwo jonowe
Przewodnictwo jonowe
  • Defekty
  • Temperatura (np. NaCl w temp. pokojowej mniej niż 10-12Ω-1cm-1, ok. 800ºC – 10-3Ω-1cm-1.
  • Mała grupa materiałów – stałych elektrolitów – w których jeden rodzaj jonów może się przemieszczać względnie swobodnie.
sta e elektrolity
Stałe elektrolity
  • Jeden z jonów mobilny
  • Duża ilość nośników ładunku
  • Niska energia „przeskoku”, ~0.1-0.9 eV
  • Stosunkowo rzadkie zjawisko
  • Zachodzi w szkłach, ceramikach, kryształach, żelach
  • Głównie dotyczy jonów F-, O2-, M+
  • Częściowe obsadzenie ruchliwych jonów
  • Mechanizmy kooperacyjne
beta alumina
Beta-alumina

11Al2O3 – x Na2O

x: 1.0 ÷ 1.6

W latach 30-tych struktura kryształu

W latach 70-tych powstała gałąź nauki „przewodniki superjonowe”

dielektryki
Dielektryki
  • Nie przewodzą prądu
  • Mogą być silnie jonowe (MgO), kowalentne (diament), spolaryzowane kowalentne (SiO2)
  • Przyczyną nieprzewodzenia prądu musi być struktura elektronowa: elektrony walencyjne muszą być zlokalizowane albo w wiązaniach, albo w pobliżu jąder atomowych
kondensatory
Kondensatory

ε0=8.85419x10-12 F·m-1

polaryzacja
Polaryzacja

Polaryzacja = (wypadkowy moment dipolowy)/objętość

slide72

elektronowa

jonowa

orientacyjna

polaryzowalno a przenikalno dielektryczna
Polaryzowalność a przenikalność dielektryczna

Wzór Lorentza

Zależność Clausiusa – Mossotti’ego

slide74

Ottaviano Fabrizio Mossotti 1791 - 1863

Rudolf Clausius 1822 - 1888

slide76

1. dielektryk: polaryzacja zmienia się w zależności od przyłożonego pola.

2. piezoelektryk: polaryzacja powstaje w wyniku przyłożonego naprężenia

3. piroelektryk: spontaniczna polaryzacja, która zmienia się w zależności od temperatury

4. ferroelektryk: spontaniczna polaryzacja może by przełączana w polu elektrycznym

w a ciwo ci dielektryczne piezoelektryczno
Właściwości dielektryczne: piezoelektryczność

Zdolność pewnych materiałów do generowania potencjału elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych lub odkształceń.

Indianie Ute (Colorado i Utah) używają ceremonialnych grzechotek napełnionych kryształami kwarcu

1880 Pierre i Jacques Curie

piezoelektryczne grupy punktowe
Piezoelektryczne grupy punktowe

Mechanizm zjawiska wymaga, aby w grupie punktowe nie było środka symetrii, ale może być więcej niż jeden kierunek osi polarnej, to znaczy o rozróżnialnych zwrotach.

Jest 21 takich grup punktowych:

1, 2, m, 222, mm2, 3, 32, 3m, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, 432 i –43m.

slide79

Zastosowanie piezoelektryków

  • Sonar (Paul Langevin, 1917)
  • Gramofony
  • Mikrofony
  • Zegary kwarcowe (1927, Warren Marrison)
  • Zapalniczki
  • Wytwarzanie ultradźwięków
w a ciwo ci dielektryczne piroelektryczno
Właściwości dielektryczne: piroelektryczność

Zdolność pewnych materiałów do generowania potencjału elektrycznego (poprzez migrację ładunków) pod wpływem zmiany temperatury.

Efekt w turmalinie był obserwowany w starożytności (Teofrast, 314 p.Chr.).

Franz Maria Ulrich Theodor Hoch Aepinus (1724-1802)

piroelektryczne grupy punktowe
Piroelektryczne grupy punktowe

Mechanizm zjawiska wymaga, aby w grupie punktowe była jedna oś polarna, to znaczy o rozróżnialnych zwrotach.

Zazwyczaj jest jeden taki kierunek; w niektórych materiałach (ferroelektryki) może być zmieniany zewnętrznym polem elektrycznym (np.. BaTiO3).

Taką oś zawiera 10 grup punktowych:

1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm ( i m).

slide82

Zastosowanie piroelektryków

  • Czujniki temperatury
  • Podczerwone czujniki ruchu
  • Miniaturowe źródła promieniowania rentgenowskiego
  • Noktowizja
ferroelektryki
Ferroelektryki
  • Pośrednie pomiędzy stałymi elektrolitami a dielektrykami (możliwe małe przesunięcia jonów)
  • Te małe przesunięcia prowadzą do powstania polaryzacji i momentu dipolowego
  • Niewielka grupa materiałów
  • Związana z piro- i piezoelektrycznością
mechanizmy piezoelektryczno ci
Mechanizmy piezoelektryczności
  • tworzenie dipoli
  • przemieszczenie dipoli istniejących
przyk ad 1
Przykład 1:

Idealny tetraedr MO4

p=0

slide88

nylon-6

nylon-5

elektrety
Elektrety
  • dielektryk wykazujący stały ładunek elektryczny lub moment dipolowy;
  • elektrostatyczny równoważnik stałego magnesu
piroelektryki
Piroelektryki
  • Posiadają polaryzację spontaniczną
  • Z drugiej strony doświadczenie wskazuje, że kryształy piroelektryczne nie są naładowane…
  • Kryształy piroelektryczne w próżni zachowują ładunki powierzchniowe przez kilka dni
slide91

32 grupy punktowe

11 centrosymetrycznych + grupa 432

20 niecentrosymetrycznychpiezoelektryki

10 grup punktowych bez osi biegunowej

10 grup z osią biegunową piroelektryki i ferroelektryki