Kiderakenne
Kide on atomien, ionien tai molekyylien pitkän kantaman jaksollinen järjestys. Rakenne määrää tiheyden, diffraktiokuvion, dislokaatioiden liikkeen, monia sähköisiä ominaisuuksia ja faasimuutoksia.
Hila ja kanta
Bravais-hila kuvaa jaksolliset pisteet ja kanta kertoo, mitkä atomit liitetään kuhunkin pisteeseen. Yhdessä ne muodostavat fyysisen rakenteen. Sama hila voi siksi esiintyä eri kemiallisissa kiteissä.
Alkeiskoppi
Alkeiskoppi toistuu translaatioilla. Kuutiokopin kulma-atomi jakautuu kahdeksan kopin kesken ja pinta-atomi kahden. Oikea tehollinen atomimäärä tarvitaan tiheyden laskemiseen.
BCC, FCC ja HCP
Monet metallit ovat BCC-, FCC- tai HCP-rakenteisia. FCC ja HCP ovat tiiviisti pakkautuneita koordinaatiolla 12 mutta eri kerrosjärjestyksillä; BCC:n lähin koordinaatio on 8.
Koordinaatio
Koordinaatioluku kertoo lähimpien naapureiden määrän. Se liittyy paikalliseen sidontaan, diffuusioon ja plastiseen muodonmuutokseen.
Diffraktio
Jaksolliset atomitasot antavat konstruktiivisen interferenssin tietyissä kulmissa. Braggin laki 2d sinθ=nλ yhdistää tasovälin ja huippujen paikat, jolloin röntgen- tai neutronidiffraktio paljastaa rakennetta.
Virheet
Vakanssit, välisija-atomit, substituutiot, dislokaatiot ja raerajat ovat todellisessa kiteessä olennaisia. Ne voivat hallita lujuutta, ionijohtavuutta ja puolijohteen toimintaa.
Polymorfia
Sama koostumus voi muodostaa eri rakenteita. Timantti ja grafiitti ovat molemmat hiiltä, mutta erilainen sidostopologia antaa täysin erilaiset mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet.
Käänteishila
Diffraktio voidaan kuvata käänteishilan avulla. Kun sirontavektori vastaa käänteishilan vektoria, saadaan konstruktiivinen interferenssi. Menetelmä yleistää Braggin lain monimutkaisille kiteille ja liittyy myös elektronien vyörakenteeseen.
Dislokaatiot
Plastinen muodonmuutos tapahtuu usein dislokaatioiden liikkeellä tietyissä liukujärjestelmissä. Kiderakenne määrää, kuinka helposti ne liikkuvat. Raerajat ja seosaineet voivat estää liikettä ja lujittaa materiaalia.
Pakkaustiheys
FCC- ja HCP-rakenteiden ideaalinen kovapallopakkaus täyttää noin 74% tilasta, BCC vähemmän. Kovapallomalli ei kuvaa elektronisidosta täydellisesti, mutta se havainnollistaa koordinaatiota, aukkoja ja tiheyseroja.
Hilan värähtely
Atomit eivät ole paikallaan hilapisteissä vaan värähtelevät niiden ympärillä. Kollektiiviset värähtelyt eli fononit vaikuttavat lämpökapasiteettiin, lämmönjohtavuuteen ja elektronien sirontaan. Kiderakenne määrää siis myös dynaamisen värähtelyspektrin.
Harjoitus
Montako atomia on tehollisesti FCC-alkeiskopissa?
Ratkaisu
Kulmista tulee 8×1/8=1 ja pinnoista 6×1/2=3, yhteensä 4.