Кристална структура

Кристална структура је карактеристика чврстих тела, која је одређена правилном структуром честица од којих је тело грађено. Оваква чврста тела чији су атоми или атомске групе правилно просторно распоређене називамо кристалима. Правилности просторне распоређености атома се изражавају и код екстерних особина кристала, нпр. код кристала натријум хлорида (кухињске соли). Видљиво је да сваки кристал натријум хлорида представља готово савршену коцку. У овом случају се та правилност протеже на велики део, односно на цели комад испитиваног материјала, па се та особона назива макрокристалношћу, а материјал - монокристал. У противном случају тј. када се правилност протеже на малу област материјала, тада кристалност постоју у малим размерама па се особина назива поликристалношћу, а материјал - поликристал. Кристална структура даје чврстим материјалима већу механичку чврстину, док са друге стране неправилна (аморфна) структура утиче на жилавост. Процес промене агрегатног стања супстанце, из течног у чврсто, при чему долази до формирања кристала који имају правилну структуру се назива кристализација.

Просторна решетка кристала

Просторна решетка кристала или транслациона група је скуп тачака дефинисаних са вектором транслације решетке. Пошто су атоми, односно атомске решетке група атома правилно распоређене, могуће је у простору дефинисати три вектора елементране транслације: ${\vec {a}}_{1}$ , ${\vec {a}}_{2}$ , ${\vec {a}}_{3}$ . Ови вектори представљају периоде кристалне решетке у три различита правца, називају се ортовима решетке или ортовима вректора транслације решетке који је дат следећом формулом:
${\vec {L}}=n_{1}{\vec {a}}_{1}+n_{2}{\vec {a}}_{2}+n_{3}{\vec {a}}_{3}$

Елементарна ћелија

Просторна решетка кристала се сада уз помоћ вектора транслације добија узимајући све вредности целих бројева за $n_{1}$ , $n_{2}$ и $n_{3}$ , док се паралелопипед који се добија узимајући вредности $n_{1}$ , $n_{2}$ и $n_{3}$ = 1, назива елементарном ћелијом. Треба напоменути да чворови кристала у којима се налазе атоми се не поклапају у општем случају са врховима ортова ${\vec {a}}_{1}$ , ${\vec {a}}_{2}$ и ${\vec {a}}_{3}$ . Оваква нотација дефинисана вектором транслације указује на правилност, али нам не говори у где се налазе атоми. Само у посебним случајевима могу се чворовима решетке приписати и атоми или атомске групе ^[1].

Кристални системи

Кристални систем представља категорију карактерисану на основу врсте просторне решетке кристала. Елементарна ћелија је дефинисана као најмања просторна јединица кристала, њеним правилним померањем у простору за удаљености које су једнака њеним димензијама добијамо просторну решетку. Кристални систем за случај када су ортови ${\vec {a}}_{1}={\vec {a}}_{2}={\vec {a}}_{3}={\vec {a}}$ и када између себе граде праве углове од 90° се назива кубични, и он има највише елемената симетрије. У општем случају ортови нису једнаки и могу чинити међусобне произвољне углове α, β и γ. У зависности од ових вредности извршена је подела на 7 кристалних система за којих има 14 комбинација елементарних ћелија које се другачије називају и Бравеове ћелије.

Класификација

Назив система	a	b	c	α	β	γ	тип решетке
Триклински (T)	a	≥a	≤a	≠90°	≠90°	≠90°
Моноклински (М)	a	b	≤a	≠90°	90°	90°	проста	базноцентрична

Орторомбни (ОР)	a	<a	>a	90°	90°	90°	проста	базноцентрична	просторноцентрична	површинскицентрична

Тетрагонални (ТЕ)	a	a	≠a	90°	90°	90°	проста	просторноцентрична

Ромбни (Р)	a	a	a	α = β = γ ≠ 90°
Хексагонални (Х)	a	a	c	90°	90°	120°
Кубични (К)	a	a	a	90°	90°	90°	Проста	просторноцентрична	површинскицентрична

Неке структуре

Кубични кристални систем

Кухињска со

Структура кухињскe соли или натријум хлорида је таква структура код које одвојено атоми натријума и хлора чине површински центричну кубичну структуру. У овој решетки сваки јон је окружен са шест јона другог елемента; ти јони се налазе у теменима коцке. Ова иста структура се налази код многих других минерала у скоро свим алкалним халогенидима као и многим двовалентним металним оксидима, сулфидима, селенидима и телуридима. Уопштено, у природи постоји велика вероватноћа да се формира оваква структура. Кристалографска група ове структуре се зове "Fm3m" у Херман-Мугиновој нотацији или "225" у Међународној табели за Кристалографију. Координација број сваког атома у овој структури је 6: сваки катјон координира са 6 анјона у теменима октаедра, и слично, сваки анјон је координиран са 6 катјона.

Дијамант

Кристална структура дијаманта је нешто сложенија структура која потпада под Кубични кристални систем. Кад се каже сложенија, мисли се на то да не потпада под једноставне комбијације: прости, базноцентрични, просторноцентрични нити површинскицентрични, већ се представља као модификација једне од ових, тј. површинскицентричне кубичне решетке. Структура дијаманта је важна јер се по њој, осим самог дијаманта, кристалишу полупроводници германијум и силицијум, као и сива модификација калаја која је стабилна на температури нижој од 13°C. Основну улогу у овој структури играју тетраедичне валентне везе којима је сваки атом угљеника везан са четири најближа суседа распоређена у тетраедар. Чврстина и способност дијаманта да прелама светлост су последица његове структуре.

Сфалерит

Кристална стуктура сфалерита (енгл. Zincblende structure) заједно са структуром решетке дијаманта чине две најважније структуре решетки полупроводнчких материјала. Дијамантска структура код силицијума и германијума (Si, Ge), а структура код галијум арсенида (GaAs) се кристализује у стуктуру сфалерита. Обе имају под два атома у основи, док атоми заузимају тетраедарску структуру, тј. сваки атом је окружен са четири најближа суседа који леже у теменима тетраедра. Стуктура сфалерита се као и структура дијаманта може сматрати модификацијом површинско центричне кубичне структуре. Разлика између њих је то што су у дијамантској решетки сви атоми су истог елемента, рецимо сликицјума, док код струкуре сфалерита на пр. код галијум арсенида (GaAs) у ценру тетраедра се налази један елемент који је окружен са четири атома другог елемента. Галијум арсенида припада једињењима елемената III и V групе у периодном систему елемената и већина ових једињења се кристализује у стуктура сфалерита. Међутим велик број полупроводничких материјала укључујући и нека једињења из III-V групе се кристалишу у структуру натријум хлорида.

Хексагонални кристални систем

Графит

Графит је друга алотропска модификација угљеника која има специфичну кристалну структуру. Угљеникови атоми образују шесточлане прстенове који су распоређени у паралелним равнима (слојевима). Веза између C атома у слојевима је јака ковалентна веза, са растојањем између суседних угљеникових атома од 0,145 nm и енергијом везе од 4,3 електрон волти. Између слојева, међутим, делују слабе Ван дер Валсове силе, тако да је растојање између њих 0,341 nm, а енергија везе само 0,07 електрон волти. Овај тип решетке представља слојевиту решетку која графиту даје специфичне особине. Графит је веома мек и служи за подмазивање, за разлику од дијаманта који има атомску кристалну решетку ^[2].

Вурцит

Вурцит је сулфидни минерал хемијског састава (Zn,Fe)S; цинка или гвожђе са анјоном сулфида. Сфалерит је истог хемијског састава, док се Вурцит доста ређе јавља у природном облику. Вурцит је хексагоналне (шестоугаоне) структуре у којој атоми праве везе са тетраедарски распоређеним подједнако удаљеним суседним атомима, слично структури сфалерита. Нека полупроводничка једињења, као што су цинксулфид ZnS и кадмијумсулфид CdS се могу кристализовати у обе структуре; структуру сфалерита и вурцита. Код структуре вурцита дуж C - осе, тј. оптичке осе за разлику од структуре дијаманта јавља се двојно преламање, дихроизам. Другим речима, за CdS је анизотропан материјал, док је рецимо силицијум изотропан.

Види још

Референце

^ Др Димитрије Тјапкин:Физичка електроника и електронска физика чврстог тела, Научна књига, Београд, 1988.
^ Материјали са Рударско-геолошког факултета^{[мртва веза]}, Приступљено 9. 4. 2013.

Спољашње везе

[1] Др Димитрије Тјапкин:Физичка електроника и електронска физика чврстог тела, Научна књига, Београд, 1988.

[2] Материјали са Рударско-геолошког факултета^{[мртва веза]}, Приступљено 9. 4. 2013.

[1]

[2]