Химия на твърдото тяло: определение, синтез, свойства и приложения

Технологията помага на неорганичната химия в твърдо състояние. Химията на твърдото тяло работи за създаване на материали, използвани в търговията. Изследователите служат на индустрията, както и отговарят на академични въпроси. През 20-ти век има много важни открития: зеолитни и платинени катализатори за преработка на петрол през 50-те години на миналия век, силиций с висока чистота като основен компонент на микроелектронните устройства през 60-те години на миналия век и "високотемпературна" свръхпроводимост през 80-те години на миналия век. Уилям Лорънс Браг изобретява рентгеновата кристалография в началото на 1900 г., която води до нови открития.

Карл Вагнер работи върху теорията за скоростта на окисление, контрадифузията на йони и химията на дефектите. Тази работа показва как реакциите протичат на атомно ниво в твърдото състояние. Поради тази причина понякога е наричан "баща на химията на твърдото тяло".

За получаване на твърдотелни съединения се използват разнообразни синтетични методи. За органични материали, като например соли с пренос на заряд, методите работят при температура, близка до стайната, и често са подобни на методите за органичен синтез. Редокс реакциите понякога се провеждат чрез електрокристализация. Например солите на Бехгаард могат да бъдат получени от тетратиафулвален.

Техники за печене

За материали, които могат да издържат на топлина, химиците често използват високотемпературни методи. Например химиците използват тръбни пещи за приготвяне на насипни твърди вещества. Това позволява провеждането на реакции до около 1100 °C (2 010 °F). За по-високи температури до 2 000 °C (3 630 °F) химиците използват специално оборудване, като например пещи, направени с танталова тръба, през която се пропуска електрически ток. Понякога такива високи температури са необходими, за да се предизвика дифузия на реагентите. Но това силно зависи от изследваната система. Някои реакции в твърдо състояние вече протичат при температури, по-ниски от 100 °C (212 °F).

Методи на топене

Химиците често разтопяват реагиращите вещества заедно и по-късно отгряват втвърдената стопилка. Ако става въпрос за летливи реактиви, те често се поставят в ампула и след това се отстранява целият въздух. Често химиците поддържат сместа от реактиви студена (например като държат дъното на ампулата в течен азот) и след това запечатват ампулата. След това запечатаната ампула се поставя в пещ и се подлага на определена термична обработка.

Методи за решаване

Разтворителите могат да се използват за получаване на твърди вещества чрез утаяване или чрез изпаряване. Понякога разтворителят се използва под налягане при температури, по-високи от нормалната температура на кипене (хидротермално). Методите с флуиди добавят сол с относително ниска температура на топене към сместа, за да действа като високотемпературен разтворител, в който може да се осъществи желаната реакция.

Газови реакции

Много твърди вещества реагират лесно с реактивни газове, като хлор, йод, кислород или други. Други твърди вещества образуват адукти с други газове (например CO или етилен). Такива реакции често се провеждат в тръба с отворен край от двете страни, през която преминава газът. Вариант на това е реакцията да се извършва в измервателно устройство, например термогравиметричен анализ (ТГА). В този случай може да се получи стехиометрична информация по време на реакцията. Тази информация помага да се идентифицират продуктите. (Чрез точното измерване на количеството на всеки реактивен елемент химиците могат да определят съотношението на атомите в крайните продукти.)

Специален случай на газова реакция е химичната реакция на пренос. Те често се извършват чрез добавяне на малко количество преносим агент (например йод) в запечатана ампула. След това ампулата се поставя в зонална фурна. Този метод може да се използва за получаване на продукта под формата на монокристали, подходящи за определяне на структурата чрез рентгенова дифракция (XRD).

Химичното отлагане от пари също е широко използван високотемпературен метод за получаване на покрития и полупроводници от молекулярни прекурсори.

Материали, чувствителни към въздух и влага

Много твърди вещества привличат вода (хигроскопични) и/или са чувствителни към кислород. Например много халогениди абсорбират вода и могат да се изследват само в безводната си форма, ако се работи с тях в ръкавична кутия, пълна със сух (и/или безкислороден) газ, обикновено азот.

Нови фази, фазови диаграми, структури

Тъй като при нов синтетичен метод се получава смес от продукти, е важно да може да се идентифицират и охарактеризират специфични материали в твърдо състояние. Химиците се опитват да променят стехиометрията, за да открият кои стехиометрии ще доведат до нови твърди съединения или до твърди разтвори между известни такива. Основен метод за характеризиране на реакционните продукти е праховата дифракция, тъй като при много реакции в твърдо състояние ще се получат поликристални слитъци или прахове. Праховата дифракция ще помогне за идентифицирането на известните фази в сместа. Ако се открие модел, който не е известен в библиотеките с дифракционни данни, може да се направи опит за индексиране на модела, т.е. да се определи симетрията и размерът на единичната клетка. (Ако продуктът не е кристален, характеризирането е много по-трудно.)

След като е известна единичната клетка на нова фаза, следващата стъпка е да се установи съотношението на елементите (стехиометрия) на фазата. Това може да се направи по няколко начина. Понякога съставът на първоначалната смес ще даде насока, ако се открие само един продукт (модел на един прах) или ако се е опитвало да се направи фаза с определен състав по аналогия с известни материали. Но това се случва рядко.

Често химиците работят усилено, за да подобрят синтетичната методология и да получат чиста проба от новия материал. Ако химиците могат да отделят продукта от останалата част от реакционната смес, те могат да използват елементен анализ на изолирания продукт. Други начини включват сканираща електронна микроскопия (SEM) и генериране на характерни рентгенови лъчи в електронния сноп. Най-лесният начин за решаване на структурата е чрез използване на монокристална рентгенова дифракция.

Усъвършенстването на препаративните процедури изисква от химиците да проучат кои фази са стабилни, при какъв състав и каква стехиометрия. С други думи, химиците начертават фазовата диаграма на веществото. Важни инструменти за намиране на данни за фазовата диаграма са термичният анализ, като DSC или DTA, и все по-често, благодарение на появата на синхротроните, температурно-зависимата силова дифракция. По-доброто познаване на фазовите отношения често води до по-нататъшно усъвършенстване на синтетичните процедури, което повтаря цикъла. По този начин новите фази се характеризират с техните температури на топене и техните стехиометрични области. Определянето на стехиометричните области е важно за многото твърди вещества, които са нестехиометрични съединения. Клетъчните параметри, получени от XRD, са особено полезни за характеризиране на диапазоните на хомогенност на нестехиометричните съединения.

Допълнителна характеристика

В много случаи новите твърди съединения се характеризират допълнително с различни техники от физиката на твърдото тяло.

Оптични свойства

За неметалните материали химиците се опитват да получат ултравиолетови/видими спектри. В случая на полупроводниците това ще даде представа за лентовата разлика.

Електрически свойства

Четириточковите (или петточковите) методи на сондиране често се прилагат върху слитъци, кристали или пресовани пелети за измерване на съпротивлението и размера на ефекта на Хол. Това дава информация за това дали съединението е изолатор, полупроводник, полуметал или метал, както и за вида на допирането и подвижността в делокализирани ленти (ако има такива). Така се получава важна информация за химичната връзка в материала.

Магнитни свойства

Магнитната възприемчивост може да се измерва като функция на температурата, за да се установи дали материалът е пара-, феро- или антиферо-магнит. Това показва връзката в материала. Това е особено важно за съединенията на преходните метали. В случай на магнитен порядък може да се използва неутронна дифракция, за да се установи магнитната структура.