Кіріспе

Қатты материалдардың қасиеттері мен құрамын зерттеу. Қатты күйдегі химия, кейде материалдар химиясы деп те аталады, қатты фазадағы материалдардың синтезі, құрылымы және қасиеттерін зерттейді. Сондықтан ол қатты күй физикасы, минералогия, кристаллография, керамика, металлургия, термодинамика, материалтану және электроникамен тығыз байланысты, жаңа материалдарды синтездеу және оларды сипаттауға баса назар аударылады. Керамикалық әдіс және химиялық бумен жағу сияқты әртүрлі синтез әдістері қатты материалдарды жасауға мүмкіндік береді. Қатты денелер құрамындағы бөлшектердің орналасу ретіне қарай кристалликалық немесе аморфты деп жіктеледі. Олардың элементтік құрамы, микроқұрылымы және физикалық қасиеттері әртүрлі талдау әдістері арқылы сипатталуы мүмкін.

Тарих

Коммерциялық өнімдермен тікелей байланысы болғандықтан, қатты күйдегі бейорганикалық химия технологиямен күшті түрде дамыды. Бұл саланың прогресі көбінесе өнеркәсіптің қажеттіліктерімен, кейде академиялық қауымдастықпен бірлесіп жұмыс істеу арқылы итермеленді. 20-шы ғасырда ашылған қолданыстарға 1950 жылдары мұнай өңдеуге арналған цеолит және платинаға негіделген катализаторлар, 1960 жылдары микроэлектрондық құрылғылардың негізгі құралы ретінде жоғары таза кремний, ал 1980 жылдары "жоғары температуралық" суперөткізгіштік жатады. Уильям Лоуренс Брэггтің 20-шы ғасырдың басында рентгендік кристаллографияны ойлап табуы маңызды жаңалық болды. Карл Вагнердің тотығу жылдамдығы теориясы, иондардың кері диффузиясы және дефект химиясы жөніндегі жұмыстары қатты күйдегі атомдық деңгейде реакциялардың қалай жүретінін түсінуді едәуір жетілдірді. Оның үлесі үшін ол кейде қатты күйдегі химияның әкесі деп аталады.

Синтетикалық әдістер

Қатты дене қосылыстарының әртүрлілігін ескере отырып, оларды дайындау үшін сондай-ақ әртүрлі әдістер қолданылады. Синтез жоғары температуралық әдістерден, мысалы, керамикалық әдістен бастап, газ әдістеріне дейін, мысалы, химиялық будың тұнуына дейін ауысуы мүмкін. Көбінесе, осы әдістер ақаулардың пайда болуын алдын алады немесе жоғары таза өнімдерді қамтамасыз етеді.

Керамикалық әдіс

Керамикалық әдіс – синтездің ең көп қолданылатын техникаларының бірі. Синтез толығымен қатты фазада жүзеге асырылады. Егер араластыру жеткіліксіз болса, ко-даладау және золь-гель сияқты техникаларды қолдануға болады.

Балқытылған ағынды синтез

[[Файл:Ағытылған флюс синтезіне қатысы бар қадамдар.jpg|center|thumb|440x440px|Ағытылған флюс синтезінің қадамдары. Мөрленген колбаға қосылған тасымалдағыш агент, қатты реагенттен ұшқыш аралық қосылыс түзеді. Қабатты қатты денеде қабаттарды бірге ұстап тұратын әлсіз молекулалық байланыстар бар.]

Ерітінді әдістері

Қатты заттарды тұндыру немесе булану арқылы дайындау үшін еріткіштерді қолдануға болады. Басқа қатты заттар CO немесе этилен сияқты қосылыстарды жасайды. Мұндай реакциялар газдар өтетін ашық түтікшелерде жүргізіледі. Сондай-ақ, бұл реакциялар TGA сияқты өлшеу құрылымының ішінде де жүруі мүмкін. Ондай жағдайда реакция барысында стехиометриялық мәліметтерді алуға болады, бұл өнімдерді анықтауға көмектеседі.

Химиялық бу жинақтауы

Химиялық будың шайылуы молекулалық прекурсорлардан қаптамалар мен жартылай өткізгіштерді дайындау үшін кеңінен қолданылатын әдіс. Көмекші газ бу тәрізді прекурсорларды жабылатын материалға жеткізеді.

Қасиеттері

Бұл материалдың химиялық құрамы, құрылымы және физикалық қасиеттерін анықтау үшін түрлі талдау техникаларын қолданатын процесс.

Жаңа кезеңдер

Синтетикалық әдістеме және сипаттама көбінесе бірге жүреді, яғни бір емес, бірнеше реакциялық қоспалар дайындалып, оларға жылумен әсер етеді. Реактивтер мен өнімдер мөлшері арасындағы сандық қатынас – стехиометрия, әдетте жүйелі түрде өзгертіледі. Жаңа қатты қосылыстарды немесе белгілі қосылыстар арасындағы қатты ерітінділерді тудыратын стехиометрияны анықтау маңызды. Реакция өнімдерін сипаттаудың басты әдісі – ұнтақ дифракциясы, себебі көптеген қатты күйдегі реакциялар поликристалликалық үлгілер немесе ұнтақтар түзеді. Ұнтақ дифракциясы қоспадағы белгілі фазаларды анықтауға көмектеседі. Егер дифракциялық деректер базасында белгісіз сурет табылса, оны индекстеуге талпынуға болады. Материалдың қасиеттерін сипаттау кристалдық құрылымы бар өнім үшін әдетте жеңілдеу болады.

Қосымша ақпарат

Рентген сәулелерінің дифракциясы бейнелеу мүмкіндіктері мен деректерді жылдам алу себепті де қолданылады. Соңғысы жиі дайындық процедураларын қайта қарау және жетілдіруді қажет етеді, бұл қай фазалар қандай құрамда және стехиометрияда тұрақты деген сұрақпен байланысты. Яғни, фазалық диаграмма қалай көрінеді деген сұрақпен. Мұны анықтау үшін DSC немесе DTA сияқты термиялық талдау әдістері маңызды құралдар болып табылады, сондай-ақ синхротрондардың пайда болуына байланысты температураға тәуелді ұнтақ дифракциясы да қолданылады. Фазалық қатынастар туралы білімнің артуы синтез процедураларын итеративті түрде одан әрі жетілдіруге мүмкіндік береді. Жаңа фазалар олардың балқу температурасы және стехиометриялық аймақтары арқылы сипатталады. Соңғысы стехиометриялық емес қосылыстар болып табылатын көптеген қатты денелер үшін маңызды. XRD арқылы алынған жасуша параметрлері соңғылардың біртектілік диапазондарын сипаттауға ерекше көмектеседі.

Жергілікті құрылым

Кристаллдардың ірі құрылымдарынан өзгеше, жергілікті құрылым ең жақын көрші атомдардың өзара әрекеттесуін сипаттайды. Ядролық спектроскопия әдістері ядроның айналасындағы электр және магнит өрістерін зерттеу үшін нақты ядроларды пайдаланады. Мысалы, электр өрісі градиенттері тордың кеңеюі/қысылуынан (термиялық немесе қысымдық), фазалық өзгерістерден немесе жергілікті кемшіліктерден туындаған шағын өзгерістерге өте сезімтал. Көп қолданылатын әдістер – Мёссбауэр спектроскопиясы және бұрыштық корреляция.

Оптикалық қасиеттері

Металл материалдар үшін олардың оптикалық қасиеттері өткізгіш электрондардың ұжымдық қозғалысынан туындайды. Электромагниттік сәулелену әсерімен электрондардың когерентті тербелісі және оған байланысты электромагниттік өрістің когерентті тербелісі беткі плазмондық резонанс деп аталады. Плазмондық резонанстың толқын ұзындығы мен жиілігі бөлшектің мөлшері, пішіні, құрамы және жергілікті оптикалық орта туралы мәліметтер береді.

Қосымша сипаттама

Көп жағдайда жаңа қатты қосылыстар, қатты күйдегі химия мен қатты күйдегі физиканы ажырататын жіңішке шекараны бағатын түрлі әдістермен қосымша сипатталады. Материалтанудағы сипаттама туралы толық ақпаратты қараңыз.