Кіріспе
Кристаллографиядағы математикалық сипаттама Конденсацияланған материя физикасы мен кристаллографияда статикалық құрылым факторы (немесе қысқаша құрылым факторы) - материалдың түсу сәулесін қалай шашыратуының математикалық сипаттамасы. Құрылымдық фактор рентген сәулелері, электронды және нейтронды дифракциялық эксперименттерден алынған шашырау үлгілерін (интерференциялық үлгілерді) түсіндіруде маңызды құрал болып табылады. Бір қызығы, математикалық тұрғыдан екі түрлі термин қолданылады, екеуі де "құрылымдық фактор" деп аталады. Бірі әдетте жазылады; ол жалпыға бірдей жарамды және атомға шашыраған интенсивті бір шашырату бірлігімен байланыстырады. Екіншісі әдетте жазылады немесе және тек ұзақ аралықтағы позициялық реттік кристалдары бар жүйелер үшін жарамды. Бұл өрнек кристалл жазықтықтарының дифракцияланған сәуле амплитудасы мен фазасын (жарықтардың Миллер индекстері) бастапқы бірлік жасушасының ұшындағы бір шашырату бірлігімен байланыстырады. ; - бұл ерекше жағдай емес, шашыраудың интенсивтілігін береді, бірақ амплитудасын береді. Бұл шашыраудың интенсивтілігін беретін модульдің квадраты. Бұл норма кристаллдың толықтай толығымен қалыптасуы үшін анықталады, және кристаллографияда қолданылады, ал тәртіпсіз жүйелер үшін өте пайдалы. Кристалликалық полимерлер сияқты ішінара реттелген жүйелер үшін, әрине, бір-біріне сәйкес келеді, ал сарапшылар қажет болған жағдайда бір өрнектен екіншісіне ауысады. Статикалық құрылым коэффициенті шашыраған фотондар/электрондар/нейтрондардың энергиясын шешпей өлшенеді. Энергиялық ажыратылған өлшемдер динамикалық құрылым коэффициентін береді.
In condensed matter physics and crystallography, the static structure factor (or structure factor for short) is a mathematical description of how a material scatters incident radiation. The structure factor is a critical tool in the interpretation of scattering patterns (interference patterns) obtained in X ray, electron and neutron diffraction experiments. Confusingly, there are two different mathematical expressions in use, both called 'structure factor'. One is usually written ; it is more generally valid, and relates the observed diffracted intensity per atom to that produced by a single scattering unit. The other is usually written or and is only valid for systems with long range positional order — crystals. This expression relates the amplitude and phase of the beam diffracted by the planes of the crystal ( are the Miller indices of the planes) to that produced by a single scattering unit at the vertices of the primitive unit cell. is not a special case of ; gives the scattering intensity, but gives the amplitude. It is the modulus squared that gives the scattering intensity. is defined for a perfect crystal, and is used in crystallography, while is most useful for disordered systems. For partially ordered systems such as crystalline polymers there is obviously overlap, and experts will switch from one expression to the other as needed. The static structure factor is measured without resolving the energy of scattered photons/electrons/neutrons. Energy resolved measurements yield the dynamic structure factor.
Цинк-бленді кристалдық құрылымы
Цинк-бленді құрылымы алмаз құрылымына ұқсас, бірақ ол бір элементтің емес, екі түрлі бір-біріне енетін fcc торларының құрамасы. Құрамындағы екі элементті және , арқылы белгілеп , алынған құрылым коэффициенті
Бір және екі өлшемді кемелді кристалдар
Өзара тор бір өлшемде оңай құрастырылады: периодты сызықтағы бөлшектер үшін өзара тор - аралықтары бар нүктелердің шексіз массиві. Екі өлшемде Брауэстің тек бес торлары бар. Тиісті өзара торлардың симметриясы тікелей тормен бірдей. 2D торлары төмендегідей жазық экранда қарапайым дифракциялық геометрияны көрсету үшін өте жақсы. Құрылымдық фактор үшін (1) 7) теңдеулер шектеулі өлшемді шашырау векторымен қолданылады және кристаллографиялық құрылым факторы 2D-де мынадай түрде анықталуы мүмкін. Алайда, графен сияқты нақты 2D кристалдары 3D-де бар екенін еске түсірейік. Жазық қабаттағы 3D кеңістікте бар 2D алты бұрышты табақтың өзара торлары - бұл ор оське параллель сызықтардың алты бұрышты массиві, ол алты бұрышты нүктелер массивіне кез келген тұрақты жазықтықты кеңейтіп қисайды. Суретте 2D өзара тордың бір векторының құрылысы және оның шашырау экспериментімен байланысы көрсетілген. Паралель сәуле, толқын векторы параметрдің квадраттық торға түседі. Шашыраған толқын белгілі бір бұрышта анықталады, ол шығыс сәуле толқын векторын анықтайды (эластикалық шашыратуды болжамдай отырып). Шашырау векторын да анықтап, гармониялық үлгісін де құрастыруға болады. Суреттелген мысалда, осы үлгілердің арақашықтығы бөлшектер қатары арасындағы қашықтықпен сәйкес келеді: , сондықтан барлық бөлшектердің шашырауына үлестері фазада (конструктивті кедергі). Осылайша, бағыт бойынша жалпы сигнал күшті және кері торға жатады. Бұл конфигурация Брэгг заңының орындалғанын оңай көрсетеді.
However, recall that real 2 D crystals such as graphene exist in 3 D. The reciprocal lattice of a 2 D hexagonal sheet that exists in 3 D space in the plane is a hexagonal array of lines parallel to the or axis that extend to and intersect any plane of constant in a hexagonal array of points. The Figure shows the construction of one vector of a 2 D reciprocal lattice and its relation to a scattering experiment. A parallel beam, with wave vector is incident on a square lattice of parameter The scattered wave is detected at a certain angle, which defines the wave vector of the outgoing beam, (under the assumption of elastic scattering, ). One can equally define the scattering vector and construct the harmonic pattern In the depicted example, the spacing of this pattern coincides to the distance between particle rows: , so that contributions to the scattering from all particles are in phase (constructive interference). Thus, the total signal in direction is strong, and belongs to the reciprocal lattice. It is easily shown that this configuration fulfills Bragg's law.
Кемел кристалдар
Техникалық тұрғыдан алғанда, кемелді кристалл шексіз болуы керек, сондықтан шекті өлшем - бұл кемелсіздік. Нағыз кристаллдар әрқашан өздерінің шекті мөлшерінен басқа өздерінің тәртіптерінің кемелсіздігін көрсетеді, және бұл кемелсіздер материалдың қасиеттеріне терең әсер етуі мүмкін. Андре Гвиниер кристаллдың ұзақ мерзімді тәртібін сақтайтын кемелсіздіктер мен оны екінші түрдегі бұзылу деп аталатын бұзылушылықты жою арасындағы кеңінен қолданылатын айырмашылықты ұсынды. Біріншісі - жылулық тербеліс, екіншісі - дислокациялардың тығыздығы. Кез келген кемшіліктің әсерін қосу үшін жалпы қолданылатын құрылым факторын пайдалануға болады. Кристаллографияда бұл әсерлер құрылым факторынан бөлек ретінде қарастырылады, сондықтан өлшем немесе жылу әсерлері үшін бөлек факторлар шашыраңқы интенсивтілік өрнегіне енгізіліп, кристалл құрылымының толық факторы өзгермейді. Сондықтан осы мақалада кристаллографиялық құрылымды модельдеу және дифракция арқылы құрылымды анықтаудағы осы факторларды егжей-тегжейлі сипаттау орынсыз.
Шекті өлшемді әсерлер
Бұл әсерді ең оңай 1D нүктелер торымен көрсетуге болады. Фазалық факторлардың қосындысы геометриялық қатар болып табылады және құрылым коэффициенті: Бұл функция Суретте әр бөлшектен шашырау фазада болған кезде, яғни шашырау өзара тор нүктесінде болған кезде, амплитудалардың қосындысы болуы керек және сондықтан интенсивтілік бойынша максимумдар жоғарыда көрсетілген өрнекті алып, шекті шамалау, мысалы, L'Hôpital ережесін қолдану) Суретте көрсетілгендей. Орта нүктеде (тікелей бағалау арқылы) және шыңның шыңдығы төмендейді, мысалы, үлкен шекте, шыңдар шексіз өткір Дирак дельта функциялары, 1 D тораптың өзара тораптары болады. Кристаллографияда, үлкен болса, дифракцияға формальды өлшем әсері ретінде алынады, бұл жоғарыда көрсетілгенге ұқсас, өзара тор нүктелеріне жақын. Конвольсияны пайдаланып, біз шекті нақты кристалл құрылымын [тор] [негізгі] тікбұрышты функция ретінде сипаттауға болады, мұнда тікбұрышты функция кристалдың ішінде 1 және оның сыртында 0 мәнін алады. [Кристалл құрылымы] = [жатырша] [негізгі] [тұғын төрт бұрышты функция]; яғни, шашырау [өзара жатырша] [құрылым факторы] [синк функция]. Осылайша, кемшіліксіз кристаллдың орналасуының дельта функциясы болып табылатын интенсивтілік, ең үлкені , ені , ауданы бар әрбір нүктеге қатысты функцияға айналады.
This function is shown in the Figure for different values of When the scattering from every particle is in phase, which is when the scattering is at a reciprocal lattice point , the sum of the amplitudes must be and so the maxima in intensity are Taking the above expression for and estimating the limit using, for instance, L'Hôpital's rule) shows that as seen in the Figure. At the midpoint (by direct evaluation) and the peak width decreases like In the large limit, the peaks become infinitely sharp Dirac delta functions, the reciprocal lattice of the perfect 1 D lattice. In crystallography when is used, is large, and the formal size effect on diffraction is taken as , which is the same as the expression for above near to the reciprocal lattice points, Using convolution, we can describe the finite real crystal structure as [lattice] [basis] rectangular function, where the rectangular function has a value 1 inside the crystal and 0 outside it. Then [crystal structure] = [lattice] [basis] [rectangular function]; that is, scattering [reciprocal lattice] [structure factor] [ sinc function]. Thus the intensity, which is a delta function of position for the perfect crystal, becomes a function around every point with a maximum , a width , area .
Идеалдық газ
Қарым-қатынассыз шектеу жағдайында жүйе идеалдық газ болып табылады және құрылым факторы мүлдем ерекшеліксіз: , өйткені әр түрлі бөлшектердің орналасуы мен арасындағы байланыстылық жоқ (олар тәуелсіз кездейсоқ айнымалылар), сондықтан теңдеудегі диагональдан тыс терминдер нөлге тең: .
Жоғары шек
Тіпті өзара әрекеттесетін бөлшектерде де, жоғары шашырау векторында құрылым коэффициенті 1-ге дейін барады. Бұл нәтиже теңдеуден туындайды, өйткені "дәстүрлі" функцияның Фурье түрлендіруі болып табылады және осылайша аргументтің жоғары мәндері үшін нөлге барады. Бұл ойлау кемелді кристалл үшін жарамсыз, онда үлестіру функциясы шексіз өткір шыңдарды көрсетеді.
Қатты сфералы сұйықтықтар
Қатты сфералық модельде бөлшектер радиусы бар өткізбейтін сфералар ретінде сипатталады; осылайша, олардың орталығынан ортаға дейінгі арақашықтық және олар осы арақашықтықтан тыс өзара әрекеттесуді сезінбейді. Олардың өзара әрекеттесу потенциалын былай жазуға болады: Бұл модельде PercusYevick шамасында талдамалық шешім бар. Бұл өте қарапайым болса да, сұйық металдардан бастап коллоидты суспензияларға дейінгі жүйелерді жақсы сипаттауды қамтамасыз етеді. Суретте қатты сфералы сұйықтық үшін құрылым коэффициенті 1% -дан 40% -ға дейінгі көлемді фракциялар үшін көрсетілген.
This model has an analytical solution in the Percus–Yevick approximation. Although highly simplified, it provides a good description for systems ranging from liquid metals to colloidal suspensions. In an illustration, the structure factor for a hard sphere fluid is shown in the Figure, for volume fractions from 1% to 40%.
Полимерлер
Полимерлік жүйелерде жалпы анықтама қолданылады; элементарлық құрамдас бөліктер қазір тізбектерді құрайтын мономерлер болып табылады. Алайда, құрылым факторы бөлшектердің орналасуы арасындағы байланысты өлшейтін болғандықтан, осы байланыстың сол тізбекке немесе әртүрлі тізбектерге жататын мономерлер үшін әртүрлі болады деп күтуге болады. Көлiкте бiрдей молекулалар бар деп алайық, олардың әрқайсысы мономерлерден тұрады, мысалы (осы полимерленудiң дәрежесi деп те аталады). Біз оны былайша жаза аламыз: әр молекуланың әр түрлі мономерлері мен әр түрлі молекулаларды белгілейтін индекстер. Оң жағында молекулааралық және молекулааралық терминдерді бөлдік. Тізбектердің теңдестігін пайдаланып, оңайлатуға болады: жалғыз тізбектің құрылым факторы қайда?
where indices label the different molecules and the different monomers along each molecule. On the right hand side we separated intramolecular and intermolecular terms. Using the equivalence of the chains, can be simplified:
where is the single chain structure factor.