Введение
Химия твердого состояния, также иногда называемая химией материалов, – это изучение свойств и состава твердых материалов, включая их синтез и структуру. Она тесно связана с физикой твердого тела, минералогией, кристаллографией, керамикой, металлургией, термодинамикой, материаловедением и электроникой, с особым акцентом на синтез новых материалов и их характеристику. Разнообразные методы синтеза, такие как керамический метод и химическое осаждение из паровой фазы, используются для получения твердотельных материалов. Твердые тела классифицируются как кристаллические или аморфные в зависимости от степени упорядоченности в расположении составляющих их частиц. Их элементный состав, микроструктура и физические свойства могут быть определены с помощью различных аналитических методов.
Solid state chemistry, also sometimes referred as materials chemistry, is the study of the synthesis, structure, and properties of solid phase materials. It therefore has a strong overlap with solid state physics, mineralogy, crystallography, ceramics, metallurgy, thermodynamics, materials science and electronics with a focus on the synthesis of novel materials and their characterization. A diverse range of synthetic techniques, such as the ceramic method and chemical vapour depostion, make solid state materials. Solids can be classified as crystalline or amorphous on basis of the nature of order present in the arrangement of their constituent particles. Their elemental compositions, microstructures, and physical properties can be characterized through a variety of analytical methods.
История
Из-за прямой связи с коммерческими продуктами, твердотельная неорганическая химия в значительной степени определялась технологическими потребностями. Прогресс в этой области часто стимулировался запросами промышленности, порой в сотрудничестве с академическими кругами. К открытиям, сделанным в XX веке, относятся цеолитные и платиновые катализаторы для переработки нефти (1950-е годы), высокочистый кремний как ключевой компонент микроэлектронных устройств (1960-е годы) и высокотемпературная сверхпроводимость (1980-е годы). Изобретение рентгеновской кристаллографии в начале 1900-х годов Уильямом Лоуренсом Брэггом стало основополагающим достижением. Значительно углубить наше понимание механизмов реакций на атомном уровне в твердом теле позволила работа Карла Вагнера в области теории скорости окисления, встречной диффузии ионов и химии дефектов. Благодаря его вкладу, его нередко называют отцом твердотельной химии.
Синтетические методы
Учитывая разнообразие твердых соединений, для их получения используется столь же разнообразный спектр методов. Синтез может варьироваться от высокотемпературных методов, таких как керамический, до газофазных методов, таких как химическое осаждение из паровой фазы. Зачастую эти методы предотвращают образование дефектов или позволяют получать продукты высокой чистоты.
Керамический метод
Керамический метод – один из самых распространенных способов синтеза. Синтез протекает исключительно в твердой фазе. Если смешивание недостаточное, можно применять такие методы, как совместное осаждение и золь-гель.
Синтез расплавленного потока
[[Файл:Стадии, участвующие в синтезе расплавленного потока.jpg|center|thumb|440x440px|Стадии синтеза расплавленного потока. Транспортирующий агент, добавленный в герметичную ампулу, образует летучее промежуточное соединение из твердого реагента. Слоистые твердые вещества имеют слабые межмолекулярные связи, удерживающие слои вместе.]
Методы растворения
Можно использовать растворители для получения твердых веществ путем осаждения или испарения. Другие твердые вещества образуют аддукты, такие как CO или этилен. Такие реакции проводят в открытых трубках, через которые пропускают газы. Также эти реакции могут протекать внутри измерительного прибора, например, термогравиметрического анализатора (TGA). В этом случае можно получить стехиометрические данные в ходе реакции, что помогает идентифицировать продукты.
Химическое осаждение паром
Химическое осаждение из газовой фазы — широко используемый метод получения покрытий и полупроводников из молекулярных предшественников. Газ-носитель транспортирует газообразные предшественники к материалу, на который наносится покрытие.
Характеристика
Это процесс, в ходе которого определяются химический состав, структура и физические свойства материала с применением различных аналитических техник.
Новые этапы
Синтетическая методология и характеристика часто неразрывно связаны, поскольку готовят не одну, а серию реакционных смесей, которые затем подвергаются термической обработке. Стойхиометрия, то есть количественное соотношение между реагентами и продуктами реакции, обычно варьируется систематически. Важно определить, какие стойхиометрические соотношения приведут к образованию новых твердых соединений или твердых растворов на основе известных веществ. Основным методом для характеристики продуктов реакции является порошковая дифракция, поскольку многие реакции в твердой фазе приводят к образованию поликристаллических образцов или порошков. Порошковая дифракция помогает идентифицировать известные фазы в смеси. Если обнаружена дифракционная картина, отсутствующая в базах данных, предпринимается попытка ее индексации. Характеризация свойств материала, как правило, проще для продуктов с кристаллической структурой.
Дополнительная информация
Дифракция рентгеновских лучей также используется благодаря своим возможностям визуализации и скорости получения данных. Последнее часто требует пересмотра и уточнения процедур приготовления образцов, связанных с вопросом о том, какие фазы стабильны при определенном составе и стехиометрии. Иными словами, каков вид фазовой диаграммы. Важным инструментом для установления этого являются методы термического анализа, такие как DSC или DTA, а также, с развитием синхротронов, дифракция порошка при переменных температурах. Углубленное понимание фазовых соотношений часто приводит к дальнейшей оптимизации синтетических процедур в итерационном режиме. Таким образом, новые фазы характеризуются точками плавления и областями стехиометрии. Последнее особенно важно для многих твердых тел, являющихся нестехиометрическими соединениями. Параметры элементарной ячейки, полученные с помощью рентгеноструктурного анализа, особенно полезны для определения диапазонов гомогенности таких соединений.
Местная структура
В отличие от крупномасштабной структуры кристаллов, локальная структура описывает взаимодействие ближайших атомов. Методы ядерной спектроскопии используют конкретные ядра для зондирования электрических и магнитных полей вблизи ядра. Например, градиенты электрического поля очень чувствительны к малым изменениям, вызванным расширением или сжатием кристаллической решетки (термическим или под давлением), фазовыми переходами или локальными дефектами. Распространенными методами являются спектроскопия Мёссбауэра и спектроскопия нарушенной угловой корреляции.
Оптические свойства
Для металлических материалов их оптические свойства обусловлены коллективным возбуждением электронов проводимости. Когерентные колебания электронов под воздействием электромагнитного излучения, наряду с соответствующими колебаниями электромагнитного поля, называются поверхностными плазмонными резонансами. Длина волны и частота возбуждения плазмонных резонансов предоставляют информацию о размере, форме, составе и локальном оптическом окружении частицы.
Дальнейшая характеристика
Во многих случаях новые твердые соединения подвергаются дальнейшей характеристике с использованием разнообразных методов, находящихся на стыке химии твердого тела и физики твердого тела. Подробную информацию можно найти в разделе "Характеризация в материаловедении".