3.5 experimentelle bestimmung der kristallstruktur ...ws2013/... · 4.1 defekte in realen...
Post on 24-Oct-2019
10 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 1
3.5 Experimentelle Bestimmung der
Kristallstruktur – Beugungsverfahren
Röntgenbeugungsverfahren
- Laue-Verfahren
- Drehkristall-Verfahren
- Debye-Scherrer-Verfahren
(Pulververfahren)
Elektronenbeugung
Neutronenbeugung
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 2
3.5.1 Das Laue-Verfahren
Strahlung: kontinuierlich
Probe: Einkristall
Prinzip: zu jeder Netzebenenschar (hkl) gibt es im Spektrum eine Wellenlänge für die die Bragg-Bedingung erfüllt ist
Beugungsbild: Laue-Diagramm
(Punktmuster, Symmetrie)
Anwendung: Vororientierung der Kristalle
3
Laue – Verfahren:
- Polychromatische Röntgenstrahlung
- Symmetrieeigenschaften aus Abbildung
sichtbar
k0 Min
k0Max
kMin
kMax
Funktionsweise im
Bild der Ewald Kugel
2
k, ....Min Max
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 4
Röntgenbeugung an DNS
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 5
3.5.2 Das Drehkristall-Verfahren
Strahlung: monochromatisch
Probe: Einkristall; epitaktische Schicht
Prinzip: Vergrößerung des Glanzwinkels Θ bei Mitführung des Detektors um 2 Θ bis Bragg-Bedingung erfüllt ist
Beugungsbild: winkelabhängige Intensitätsmaxima verschiedener Beugungsordnungen
Anwendung: Bestimmung der Gitterkonstanten, Halbwertsbreiten (Rockingkurven)
6
Braggsches
Drehkristallverfahren:
- Monochromatisch
Röntgenstrahlung
- Ewald - Kugel ortsfest
- Reziprokes Gitter
dreht sich unter Ewald
Kugel durch
- Trifft Giterpunkt des
reziproken Gitters auf
Ewald - Kugel -> Reflex
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 7
Euler-Wiege
[ M.Müller]
Φ
χ
ω
2Θ Θ
k0
k Detektor Einfallender
Röntgenstrahl
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 8
3.5.3 Das Debye-Scherrer-Verfahren
Strahlung: monochromatisch
Probe: polykristallines Kristallpulver
Prinzip: Röntgenstrahlen, die an Netzproblemen mit gleichen Indizes reflektiert werden, liegen auf Kegelmantel um einfallenden Strahl (2 Θ)
Beugungsbild: Konzentrische Bogenstücke um den Strahlaustritt
Anwendung: Gitterkonstante, Phasenanalyse, Gitterstörungen
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 9
Debye-Scherrer-Verfahren
[ M.Müller]
- monochromatisch
Röntgenstrahlung
- polykristallines Gefüge
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 10
3.5.4 Elektronenbeugung
wesentlich stärkere Wechselwirkung (größere Streuintensität → geringe Mengen)
oberflächennahe Bereiche und dünne Schichten
Vorteil: * geringere Linienverbreitung
* kürzere Belichtungszeiten
* leichte Atome gut lokalisierbar
Verfahren: LEED, RHEED usw.
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 11
Low-Energy Electron Diffraction
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 12
3.5.5 Neutronenbeugung
thermische Neutronen
schwache Streuung im wesentlichen an Kernen
Probleme: Intensität, Monochromasie
Vorteile: * hohe Nachweisempfindlichkeit
(Isotopen; leichte und schwere)
* Bestimmung der magnetischen Struktur und von Phononenspektren
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 13
Neutronenstreulängen
[ M.Müller ]
14
Neutronenbeugung
Neutronenspinecho -
Spektrometer FZ Jülich
Pyrit oder
Katzengold
Beugungsmuster Pyrit Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 15
Vergleich
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 16
Röntgenstrahlung und Neutronen
[ M.Müller ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 17
4. Gitterfehler
4.1 Defekte in realen Kristallen
- Fehlordnungen (0-, 1-, 2-, 3-D)
- alternative Klassifizierung nach Abmessungen
- Auswirkungen auf Eigenschaften
(Struktur-Eigenschaftsbeziehungen)
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 18
Ideale und reale Kristalle
Idealer Kristall
3D-periodisch, unendlich
groß, fehlerfrei
Realer Kristall
3D-periodisch, endlich groß, enthält
Defekte in der Struktur, bzw.
besteht aus Kristalliten
[ D. Rafaja ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 19
4.2 Leerstellen und Zwischengitteratome
Punktdefekte, Eigenfeldstellen
Schottky-Defekte (Leerstelle)
Frenkel-Defekte
Hantel-Konfiguration
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 20
Walter Schottky
(1886-1976)
1912-15 bei Max Wien
an Uni Jena (3/2-Gesetz)
1923-27 Prof. Uni Rostock
Siemens & Halske Berlin
Schottky-Effekt (Glühemission)
Schottky-Diode
Schottky-Barriere
Schottky-Defekte
Schrotrauschen
[ Siemens ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 21
Jakow Iljitsch Frenkel
(1894-1952)
Prof. in Leningrad und
im WWII in Kazan
Frenkel-Defekte
Frenkel-Exziton
[ www-groups.dcs.st-and.ac.uk ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 22
Punktdefekte im Ionengitter A+B-:
a) Schottky -
Fehlordnung
b) Frenkel -
Fehlordnung
c) Anti-Schottky-
Fehlordnung
d) Anti-Frenkel -
Fehlordnung
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 23
Gitterfehler
Hantelkonfiguration:
kubisch (a) flächen – und (b) raumzentriertes Gitter
a)
b)
Fremdatom in einem kubisch raumzentrierten Gitter:
auf einem (c) Tetraeder- und (d) Oktaederplatz
Fremdatom in einem kubisch flächenzentrierten Gitter:
auf einem (e) Oktaeder- und (f) Tetraederplatz
c) d)
e) f)
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 24
4.3 Fremdatome in Kristallen
subsitutionell
interstitionell
Mischkristallbildung
Dotierungen
4.4 Farbzentren
in Ionenkristallen
optische Eigenschaften
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 25
[ F. Bechstedt ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 26
[ F. Bechstedt ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 27
Karl Baedecker
(1877-1914)
Sohn des Herausgebers der
Reiseführer F. Baedecker
a.o. Prof. für Physik in Jena 1910-
1914!
„Die elektrischen Erscheinungen
in metallischen Leitern“
Ab 1908 Metallschichten nach
Reaktion mit Dämpfen, z.B. CuI
(„Entdecker“ der Dotierung!)
[Hartung]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 28
Dotierung
[ F. Bechstedt ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 29
Robert Wichard Pohl
(1884-1976)
Seit 1920 Uni Göttingen
1925 künstliche Alkali-
halogenidkristalle
1931 „Farbzentren“
1938 Halbleiterverstärker
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 30
e-
e- e-
Farbzentren :
F’ - Zentrum FA - Zentrum
M - Zentrum R - Zentrum
e-
e-
e-
e- e-
VK - Zentrum
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 31
[www.mineralienatlas.de ]
Rauchquarz (V-Zentrum mit Al)
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 32
F-Absorptionsbande in
Alkalihalogeniden
[ Bechstedt ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 33
4.5 Versetzungen (Liniendefekte)
Versetzungslinie
Burgers-Vektor
Stufenversetzung
Schraubenversetzung
Versetzungsdichte
Überlagerung mit Punktdefekten
Wachstumsspiralen
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 34
Johannes Martinus Burgers
(1895-1981)
1918 Promo in Leiden
Burgers-Vektor (1939)
Burgers-Material
Burgers Gleichung der
Fluiddynamik
[ING - Den Haag ]
35
Stufenversetzung in einem
einfach kubischen Gitter
Burgersumlauf bei einer
Stufenversetzung
Versetzungen in Kristallen
Einige mögliche
Platzwechselmechanismen in Festkörpern
Burgersumlauf bei einer
Schraubenversetzung
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 36
4.6 Flächendefekte (2-D-Baufehler)
Korngrenzen (Klein- und Großwinkel)
Disklination
Stapelfehler
Antiphasengrenzen
Zwillinge
37
Korngrenzen :
a) [001] – tilt Korngrenze
b) [100] – tilt Korngrenze
c) [100] – twist Korngrenze
Schema einer 16° [001] tilt KG
einer YBCO Schicht auf der
Oberfläche eines
symmetrischen SrTiO3
Bikristall Substrates
a) 90° [010] twist KG
b) 90° [010] tilt KG
c) 90° [010] symmetrische tilt
KG
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 38
Korngrenzen
Klein- oder Großwinkelkorngrenzen Disklination
[ D. Rafaja ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 39
Disklination
[ D. Rafaja ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 40
Stapelfehler
Kubisch
kfz (fcc)
Reihenfolge
C
B
A
C
B
A
Hexagonal dichteste
Kugelpackung (hcp)
Reihenfolge
B
A
B
A
B
A
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 41
Antiphasengrenzen
[ D. Rafaja ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 42
Zwillingsgrenzen
[ D. Rafaja ]
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 43
Beispiele für Zwillingskristalle
Nach (111) verzweigter
Flußspatzwilling
(Durchdringungszwilling)
Gipskristalllzwilling
(Ebenenzwilling) darunter
perfekter Kristall
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 44
[Berthold Weber]
Quarz: Japaner Zwilling
(Kontaktzwilling an {112})
Prof. Dr. Paul Seidel VL Festkörper MaWi WS 2013/14 45
Polykristalline Werkstoffe
Zufällige Orientierung der
Kristallite (typisch für
„isotrope“ Pulver)
Vorzugsorientierung der Kristallite (typisch für
plättchenförmige Teilchen)
Vorzugsorientierung der Kristallite
(typisch für Nadeln)
[ D. Rafaja ]
top related