고체 화학

Solid-state chemistry

재료 화학이라고도 불리는 고체 화학은 특히 비분자 고체의 합성, 구조 및 성질을 연구하는 학문입니다.따라서 새로운 물질의 합성과 그 특성화에 중점을 두고 고체 물리학, 광물학, 결정학, 세라믹, 야금학, 열역학, 재료 과학 및 전자 공학과 강하게 중복된다.고체는 구성 [1]입자의 배열에 존재하는 질서의 성질에 따라 결정성 또는 비정질로 분류될 수 있다.

역사

전자 장치용 실리콘 웨이퍼

고체 무기 화학은 상업 제품과 직접적인 관련이 있기 때문에 기술에 의해 강하게 추진되어 왔습니다.업계의 요구에 의해, 때로는 [2]학계와의 제휴에 의해서, 이 분야의 진보는 촉진되고 있습니다.20세기에 발견된 응용 분야로는 1950년대 석유 가공용 제올라이트 및 백금 기반 촉매, 1960년대 마이크로 전자 장치의 핵심 성분인 고순도 실리콘, 1980년대 "고온" 초전도 등이 있습니다.1900년대 초 윌리엄 로렌스 브래그에 의한 X선 결정학의 발명은 가능했던 혁신이었다.고체 상태에서 원자 수준에서 반응이 어떻게 진행되는지에 대한 우리의 이해는 산화율 이론, 이온의 역확산, 결함 화학에 대한 칼 바그너의 연구에 의해 상당히 진전되었다.그의 공헌으로 인해, 그는 때때로 고체 [3]화학의 아버지로 불려왔다.

합성 방법

고체 화합물의 다양성을 고려할 때,[1][4] 그 제조에는 동등하게 다양한 배열의 방법이 사용된다.

오븐 기술

열적으로 견고한 재료의 경우 고온 방법을 사용하는 경우가 많습니다.예를 들어, 벌크 고형물은 약 1100°[5]C까지 반응을 수행할 수 있는 튜브 용해로를 사용하여 준비됩니다.전류가 흐르는 탄탈 튜브로 구성된 특수 장비(예: 오븐)는 최대 2000°C의 고온에서도 사용할 수 있습니다.이러한 고온은 반응물의 확산을 유도하기 위해 필요할 수 있다.

염화알루미늄 합성 시 사용되는 튜브로

용융법

자주 사용되는 방법 중 하나는 반응물을 함께 녹인 다음 나중에 응고된 용해물을 소둔하는 것입니다.휘발성 반응물이 포함된 경우 혼합물에서 배출되는 앰플에 종종 반응물을 넣습니다.

앰플 바닥을 액체 질소로 유지한 후 밀봉합니다.밀봉된 앰플을 오븐에 넣고 특정한 열처리를 합니다.용융 플럭스의 존재 하에서 특정 입자는 미세한 결정체 매트릭스 내에서 빠르게 성장할 수 있습니다.이로 인해 비정상적인 입자 성장(AGG)이 발생하며, 이는 바람직하거나 생성된 고형물에 해가 될 수 있습니다.

해결 방법

용제를 사용하여 석출 또는 증발로 고형물을 준비할 수 있습니다.때때로 용제는 정상 끓는점보다 높은 온도에서 압력을 받는 열수로 사용됩니다.이 주제에 대한 변형은 플럭스 방법을 사용하는 것입니다. 이 방법에서는 혼합물에 비교적 낮은 녹는점의 소금을 첨가하여 원하는 반응이 일어날 수 있는 고온 용매 역할을 합니다.이것은 매우 유용할 수 있다.

가스 반응

화학 증기 증착 반응실

많은 고체가 염소, 요오드, 산소 등과 같은 반응성 가스와 강하게 반응합니다.다른 물질은 다른 가스(예: CO 또는 에틸렌)와 부가물을 형성합니다.이러한 반응은 종종 양쪽이 개방된 튜브에서 진행되며, 이 튜브를 통해 가스가 통과합니다.이것의 변형은 TGA와 같은 측정 장치 안에서 반응이 일어나게 하는 것입니다.이 경우 반응 중에 화학량학 정보를 얻을 수 있어 생성물을 식별하는 데 도움이 됩니다.

화학 수송 반응은 물질의 결정을 정제하고 성장시키는 데 사용됩니다.이 과정은 종종 밀폐된 앰플에서 수행됩니다.수송 프로세스에는 소량의 수송제(예: 요오드)가 추가되어 이동(수송)하는 휘발성 중간종이 생성됩니다.앰플은 두 개의 온도대가 있는 오븐에 넣어진다.

화학 증착은 분자 [6]전구체로부터 코팅 및 반도체를 제조하기 위해 널리 사용되는 방법이다.

특성화

새로운 단계, 단계도, 구조

합성 방법론과 특성화는 하나의 반응 혼합물이 아닌 일련의 반응 혼합물이 준비되고 열처리를 받는다는 점에서 종종 병행된다.화학량법은 일반적으로 어떤 화학량계가 새로운 고체 화합물 또는 알려진 화합물 사이의 고체 용액으로 이어질지를 찾기 위해 체계적인 방식으로 변화한다.반응 생성물을 특징짓는 주요 방법은 분말 회절입니다. 왜냐하면 많은 고체 반응들이 폴리크리스탈린 잉곳이나 분말을 생성하기 때문입니다.분말 회절은 혼합물에서 알려진 상(相)을 쉽게 식별할 수 있습니다.회절 데이터 라이브러리에서 알 수 없는 패턴이 발견되면 패턴을 색인화(즉, 단위 셀의 대칭과 크기를 식별하는)할 수 있습니다(제품이 결정적이지 않은 경우 특성화는 일반적으로 훨씬 더 어렵습니다).

주사 전자 현미경(SEM)

새로운 위상의 단위세포가 알려지면 다음 단계는 위상의 화학측정법을 확립하는 것입니다.이 작업은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.때때로 원래의 혼합물의 구성이 단서를 줄 것이다.

단 하나의 제품(단일 분말 패턴)만 발견하거나 알려진 물질과 유추하여 특정 조성의 위상을 만들려고 하는 경우, 그러나 이는 드문 일이다.종종 새로운 재료의 순수한 샘플을 얻기 위해서는 합성 방법론을 정제하는 데 상당한 노력이 필요하다.제품을 나머지 반응 혼합물에서 분리할 수 있는 경우 원소 분석을 사용할 수 있습니다.또 다른 방법으로는 SEM과 전자빔에서의 특징적인 X선 발생이 있습니다.X선 회절도 영상 촬영 능력과 데이터 [7]생성 속도 때문에 사용된다.

후자는 종종 준비 절차를 재검토하고 다듬어야 하며, 이는 어떤 단계가 어떤 구성 및 어떤 화학량학에서 안정적인지에 대한 질문과 관련이 있다.즉, 위상도는 [8]어떤 모습입니까?이를 확립하기 위한 중요한 도구는 DSC 또는 DTA와 같은 열 분석 기술이며, 싱크로트론 온도 의존 분말 회절의 출현으로 인해 점점 더 많아지고 있습니다.단계 관계에 대한 지식이 증가하면 종종 더 많은 문제가 발생합니다.

X선 회절계(XRD)

반복적인 방법으로 합성 절차의 개선.따라서 새로운 상은 녹는점과 화학측정학적 영역에 의해 특징지어진다.후자는 비스토이코메트리 화합물인 많은 고형물에 중요하다.XRD에서 얻은 세포 매개변수는 후자의 균질성 범위를 특징짓는 데 특히 유용하다.

로컬 구조

결정의 큰 구조와 대조적으로, 국소 구조는 가장 가까운 이웃 원자의 상호작용을 설명한다.핵분광학 방법은 특정 핵을 사용하여 핵 주변의 전기장과 자기장을 조사합니다.예: 전계 구배는 격자 팽창/압축(열 또는 압력), 위상 변화 또는 국소 결함으로 인한 작은 변화에 매우 민감합니다.일반적인 방법은 뫼스바우어 분광법과 섭동 각도 상관법이다.

추가 특성 분석

많은 경우(전부는 아니지만) 새로운 고체 화합물은 고체 화학과 고체 물리학을 (강하게) 분리하는 미세한 선을 가로지르는 다양한 기술에 의해 더욱 특징지어집니다[9].재료 과학의 특성화를 참조하십시오.

광학적 특성

비금속 물질의 경우 UV/VIS 스펙트럼을 얻을 수 있는 경우가 많다.밴드 [10]갭에 대한 아이디어를 줄 반도체의 경우.

인용문

  1. ^ a b West, Anthony R. (2004). Solid State Chemistry and Its Applications. ISBN 981-253-003-7.
  2. ^ Kanatzidis, Mercouri G. (2018). "Report from the third workshop on future directions of solid-state chemistry: The status of solid-state chemistry and its impact in the physical sciences". Progress in Solid State Chemistry. 36 (1–2): 1–133. doi:10.1016/j.progsolidstchem.2007.02.002 – via Elsevier Science Direct.
  3. ^ Martin, Manfred (December 2002). "Life and achievements of Carl Wagner, 100th birthday". Solid State Ionics. 152–153: 15–17. doi:10.1016/S0167-2738(02)00318-1.
  4. ^ Cheetham, A. K.; Day, Peter (1988). Solid State Chemistry: Techniques. ISBN 0198552866.
  5. ^ "High Temperature Vacuum Tube Furnace GSL-1100 Operational Manual" (PDF).
  6. ^ Carlsson, Jan-Otto (2010). Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third ed.). William Andrew. ISBN 978-0-8155-2031-3.
  7. ^ Schülli, Tobias U. (September 2018). "X-ray nanobeam diffraction imaging of materials". Current Opinion in Solid State and Materials Science. 22 (5): 188–201. Bibcode:2018COSSM..22..188S. doi:10.1016/j.cossms.2018.09.003.
  8. ^ cf. X선 회절 요소 12장, B.D. Cullity, Addison-Wesley, 1977년 제2판 ISBN 0-201-01174-3
  9. ^ cf. 고체 화학의 새로운 방향 2장.C. N. R. Rao와 J. Gopalakrishnan.케임브리지 U. 프레스 1997 ISBN 0-521-49559-8
  10. ^ Cox, P. A. (1995). Transition Metal Oxides: An Introduction to Their Electronic Structure and Properties. Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-958894-7.

외부 링크

  • Wikimedia Commons 솔리드 스테이트 화학 관련 미디어
  • [1], 사도웨이, 도날드.3.091SC; 고체 화학 입문, 2010년 가을 (Massachusetts Technology Institute of Technology: MIT Open Course Ware)