Kristal Lattice Stability

Klasik bir lattice, atomların, iyonların veya moleküllerin sağlam bir şekilde dengelendiği dönemsel, metalik veya van der Waals) tarafından tanımlanır ve lattice'nin stabilitesi, lattice enerjisinin daha yüksek ısıtılması için onları zorlayan ve daha yüksek sıcaklıkların artmasıyla dengeleyici bir şekilde dengelenebilir.

Made akciğer konsepti, iyonik kristallerde daha fazla stabilite gösterir. Bu sabit, lattice enerjisinin geometrisine bağlıdır ve elektrostatik enerjiyi etkiler. Sıcaklık dalgalanmaları, organik olmayan mesafeleri termal genişleme ile değiştirir. Örneğin, araştırmacıların yüksek doğrulukla sıcaklık artışları ile ilgili olarak, yüksek hızlarda sıcaklık artışları ile daha da artar.

Termal genişleme ve Lattice Distortion

Termal genişleme, artan vibrasyonel amplitüdün doğrudan bir sonucudur. harmonik osilatörde, ortalama kontratürel mesafe sıcaklıkla değişmemektedir. Bununla birlikte, gerçek konatomik potansiyeller aharmonikdir: Potansiyel enerjinin eğriliği bu değişikliği ölçen bir özelliktir.In anarotropik kristaller, örneğin depremsel hızlar, ısı geçişi ile yol açan ısıtılır.

Lattice de işaret hatalarının oluşumu olarak ortaya çıkıyor. Yüksek sıcaklıklarda, boşluk konsantrasyonu (kömülmeler) bir Arrhenius yasalarını ve mekanik özelliklerini etkileyen faktörlere bağlı olarak, E f / k B T), E f'in yüksek sıcaklıkları tahıl sınırları boyunca gecikmeliliğe dayanıyor.

Faz Geçişleri: Termodinamik Perspektif

Bir faz geçişi, bir maddeden veya bir kristalografik düzenlemeden diğerine bir değişiklik gerçekleştiğinde, ısı, basınç veya kompozisyon gibi termodinamik değişkenlerde bir değişiklik meydana gelir. Verilen bir fazın istikrarı Gibbs ücretsiz enerji G = H - TS, H'nin ental, sıvının, verilen bir sıcaklık ve baskı ile karşılaştırıldığında, en düşük Gibbs ücretsiz enerji termodinamik olarak stabilizasyonun stabilitesi neden daha önemli hale gelir.

Faz geçişleri Gibbs serbest enerji türevlerinin davranışı tarafından sınıflandırılmaktadır. İlk sipariş geçişleri G (e.g., volume V = ( ⁇ G/ ⁇ P) T ve entropi S = - ( ⁇ G/ ⁇ T) P) Sürekli bir ısı değişimi, ikinci aşamaya geçiş için enerjiden kaynaklanan bir ısınır.

Nucleation ve Büyümenin Rolü

En ilk sipariş aşaması geçişleri nükleksiyon ve büyüme yoluyla devam eder. Yeni fazın küçük kümeleri (nükle) ısıtılması nedeniyle kendiliğinden ebeveyn aşamasındadır.Bir nükleksiyonu hayatta kalmak için, kritik bir boyuta geçmelidir; daha küçük nükleksiyonlar çünkü yüzey enerjisinin serbestleştirilmesi, katılaşma oranı, sıcaklık açısından son derece hassastır ve klasik nüklementalasyon teorisi ile tanımlanabilir.

Yeni fazın büyümesi, atomik taşıma ile devam eder. Büyüme oranı, seramik veya yüksek seviyeli metaller gibi, bir Arrhenius yasasını takip eden atomik geçişle ilgilidir. Katı-devlet dönüşümleri, diffüzyon genellikle büyüme oranını sınırlandırır, özellikle de yavaş atom taşıma sistemleri, seramikler veya yüksek seviyeli metaller gibi.

Kristal Katılarda Faz Geçişleri Türleri

İlk-Order Transitions

Kristallerdeki ilk sipariş geçişleri geniş bir fenomen yelpazesini içerir:

  • [FONT:0]Melting/freezing:[Dönetici:[Dönetici: 0) Katı-kırıklık eğrisinin çoğu için, son derece ısısı birkaç kJ /mol siparişindedir.
  • [FONT:0]Allotropic/polimorphic dönüşümleri: Birçok element ve bileşikler farklı sıcaklıklar altında farklı kristal yapıları kabul edebilir. Örneğin, karbon'un grafiksel (hexagonal) ve elmas (kırık); tin gri tenekeden (α-Sn, elmas metre) beyaz tenekeye (sıratıcı) kadar beyaz renkte bir dönüşüme sahiptir.
  • [FONT:0)Order-disorder geçişleri: [Dönder: 1) CuAu gibi alt kurumlarda sağlam çözümler, atomlar yüksek sıcaklıklarda rastgele ayarlanabilir (taraflı faz) ancak düşük sıcaklıklarda (tahkemli fazda değişkenli aşamaya göre sıralanır).

İkinci-Order ve Sürekli Geçişler

Sürekli faz geçişleri, genellikle Landau teorisi tarafından tarif edilir, T c'in sürekli olarak sıfırdan gelen bir düzen parametresinin ortaya çıkışıyla işaretlenir.

  • Demirmanya geçişine (örneğin, 7 °C'de demir, 358°C'de nikel).
  • Ferroelektrik paraelektrik geçişi için (örneğin, BaTiO3 120°C).
  • Normal geçişe Giriş (zero direniş:0)vs.[DDK: 1) Sonlu direniş) kritik sıcaklık T c.
  • SrTiO3'te 105 K'de, Yastık uçlu geçiş gibi yumuşak fon modlar tarafından yönlendirilir.

İkinci sipariş geçişleri genellikle geri dönüşümlüdür ve geç ısı göstermez, ancak belirli ısı C - |T - T c|^{-α ⁇ evrensellik sınıfı - sistemin büyüklüğü ve düzenin simetrisi tarafından belirlenir - kritik expones olarak değişir.

Diğer Türler: Martensitic ve Diffüzyonsız Geçişler

Martensitik geçişler ilk siparişin özel bir sınıfıdır, difüzyonsuz, şekil işaretli alaşımlarda görülen dönüşümler (örneğin, NiTi) ve çelikler. Çok yüksek hızlarda (işman ve termal sensörlerde kollektif bir yer değiştirme içerir.

Sıcaklık-Driven Polymorphism ve Yetkin Fazlar

Polymorphism, oda sıcaklığı ve basıncında verilen kimyasal bir bileşik yeteneğini açıklar, ancak yüksek basınç veya yukarıda yüksek sıcaklıklara dönüştürür. Örneğin, kalsiyum karbonat (CaCO3), oda sıcaklığı ve basıncında calcite (trigonal) vardır, ancak biyomineralizasyon (örneğin, deniz kabuğu) ve jeolojik ayrımı için çok önemlidir.

İlaçlarda, polimorfizm biyoyayılabilirliği etkiler. Aktif farmasötik madde (API) farklı çözünürlük ve istikrarla kristalize edilebilir. Örneğin, ilaç Ritonaviri, orijinal formülasyonunu etkisiz hale getiren geç aşama polimorph geçişini deneyimledi.

Yetkilendirme aşamaları da spinodal decomposition gibi ince etkilere yol açabilir, bazı alaşımlarda mekanik özellikleri güçlendiren (örneğin Cu-Ni-Sn).

Landau Faz Geçişleri Teorisi

Lev Landau'nun filolojik teorisi sürekli (saniye sıra) faz geçişlerini bir sipariş parametresi ⁇ ve ücretsiz enerji genişlemesi açısından tanımlamak için güçlü bir çerçeve sunar: F = F = F 0 + a(T - T c) ⁇ 2 + b ⁇ 4 + ... ⁇ 2 için - T c, ⁇ 2 kat daha iyi olur, bu yüzden en az ücretsiz enerji miktarı ⁇ = 0 (önemli faz).

Landau teorisi ayrıca, bir sonraki nesil hafıza cihazları için elektrik-field kontrollerini sağlar. Örneğin, multiferroic malzemelerde, manyetik ve ferroelektrik sipariş parametreleri arasındaki darbe, bir sonraki nesil bellek cihazları için yoğun araştırma konusu.

Deneysel Probes ve Karakterizasyon

Kristal lattices üzerindeki sıcaklık etkilerini anlamak deneysel yöntemler bir setine dayanır:

  • [FONT:0)Differential Scanning Calorimetri (DSC): [Dönder: [Dönder: 1] Sıcaklık ısı akışları ısı geçişi sırasında ısı akışları ve ilişkili entalpi değişiklikleri tespit etmek için. İlk sipariş geçişleri keskin zirveler gösterirken, ikinci sipariş geçişleri temelde bir adım gösterir.
  • [FONT=0)X-ray Diffraction (XRD) değişken sıcaklıkta:[Dönemli parametreler ve kristal yapıdaki değişiklikler sıcaklık değişir. Yüksek sıcaklık XRD termal genişleme katlarını, faz sınırları ve sipariş geçişlerini ortaya çıkarır.
  • [FONT:0)Neutron Diffraction:[Dönetici: [Dönetici: 0,4, manyetik sipariş ve ışık atomları için hassastır (örneğin, hidrojen). sık sık hipin ve batarya malzemelerinin manyetik faz geçişlerini ve yapısal modifikasyonlarını incelemek için kullanılır.
  • [FONT:0]Raman ve Brillouin Spectroskopu: Probe lattice vibrasyonları (fonon modunun yumuşaklaştırılması (sıcak sıfıra yaklaşıyor) perovskites'in küp-tetragonal geçişinde görüldüğü gibi sinyalleri gösterir.
  • [0]Transmission Electron Microscopy (TEM) in situ ısıtma ile:) Doğrudan hata dinamiklerini, tahıl gelişimini ve nano ölçekli faz dönüşümlerini gözlemler.

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği için Implikasyonlar

Sıcaklık yoluyla faz geçişlerini kontrol etme yeteneği, malzeme işlemeye merkezidir. Çeliklerin ısı tedavisi istenen mikroyapıları elde etmek için hassas sıcaklık sıralarını içerir: jet motorlarında kullanılan austenite ( ⁇ ) fazını azaltmak (örneğin, yüksek çözünürlükte ısıtmak için ısıtmak için ısıtmak için ısıtmak), ve sıcaklıkları azaltmak için hassas ısıtmak için uygundur.

Seramiklerde, sıcaklık odaklı faz dönüşümleri faydalı veya felaket olabilir.Dönderlik içindeki tetragonal dönüşüm kısmen stabilleştirilmiş zirkonia (PSZ) dönüşüme dayanıklı seramiklerde kullanılır: geçiş noktaları ile ilişkili hacim genişlemesi, sertliği artırmak. Tersine, soğuma ile ilişkili olan bir değişim, ⁇ dönüşümün üzerinde soğutma ile birlikte rerakter tuğlaları doğru şekilde parçalayabilir.

Yarı iletken işleme kontrollü ısıtma ve soğutmaya çok bağlıdır. Örneğin, ısıtıcı sırasında silikon dioksit tabakalarının oluşumu, hidroksitoksitlerin hızlı ısıtılması (RTA) ve bileşik büyüme sıcaklıklarının epit aksiyel büyümesi, tümünde sabit sıcaklık yönetimi, ancak çinko fikresi ve farmakülitatif yağ asitlerinin stabilitesi, galyum nitrit çinko (GaN) etkiler optoelektronik verimliliği; tipik büyüme sıcaklıklarında (~1000 °C), urtzite fazı stabildirilebilir, ancak çinko ürserdisyon ve basınç koşulları altında stabilleştirilebilir.

Enerji depolamasında, katı elektrolit Interfaksiyon (SEI) lityum-iyon aküleri kapasiteyi etkileyen sıcaklık bağımlı değişikliklerden geçerler ve böylece o olkan sıcaklıklar SEI dekompozisyon ve lityum kaplama, hücre başarısızlığının aşamasını anlamaya yardımcı olur.

Sıcaklıklı Indüktörlerdeki Vaka Çalışmaları

Demir-Carbon Sistemi

Demir karbon faz diyagramı, 912°C'den 1394 °C'ye kadar α-Fe (vücut olmayan küpler, ferritik) ⁇ -Fe (yüzlü bir mil boyunca, austenitic) ve 727 °C'den 1394 °C'ye kadar hidroksitoidin yeniden yapılandırılmasına olanak sağlar.

Barium Titanate (BaTiO3)

BaTiO3, bir dizi faz geçişine sahip klasik bir ferroelektriktir (5°C) ve sonunda yüksek sıcaklık (>120°C) ile paraelektriktir. Upon soğutma, o zaman bir tetragonal ferroelektrik fazına (120°C), o zaman veya son derece seramik kapasitörler (MLCC) için gerekli olan ve her geçiş, dielektrik sabit, polarizasyon ve pastaneyere sahiptir.

Şekil Memory Alloys: Nitinol (NiTi)

Yakın-equiatomic NiTi, yüksek sıcaklıklı austenite fazından (B2, metre) düşük sıcaklık martenisite aşamasına (B19) göre, monokliniği ( dönüşüm sıcaklığı) veya daha yüksek sıcaklık kontrolleri için aşırı dereceden bir şekilde ayarlandığında, mikronfilli bir şekilde kontrol edilen bir yerde (örneğin,) süper-siletmeler için üst düzeye çıkarıldığından (örneğin,) bir sonraki ısıtılabilir.

Outlook ve Future Yol

Devam eden araştırmalar, ultrafast elektron diffraction, X-ray ücretsiz lazerler (XFELs) ve situ TEM'u atomik çözünürlükte kullanarak, gerçek zamanlı olarak geçiş dinamiklerini yakalayabilecektir - örneğin, lattice kusurları veya piktiyosanları içindeki sınırların yayılımı.Bu tür bilgiler, uygun faz-değişiklikler ile malzemelerin tasarımını etkinleştiren faz-değişim özelliklerini kullanarak gerçekleştirir.

Makine öğrenimi ve yüksek-katılım hesaplaması, yeni polimorfların ve metastable fazların keşfini hızlandırıyor. Serbest enerji yüzeylerini sıcaklık ve basınç işlevi olarak hesaplayarak, araştırmacılar karmaşık sistemler için faz diyagramlarını tahmin edebiliyorlar, rehberlik deneysel sentez.Bu yaklaşımların entegrasyonu, malzemelerin “tasarım” ile hassas sıcaklık bağımlısı davranışlarla, sinojenik elektroniklerden hipersonik araç termal koruma sistemlerine kadar.

Özetle, sıcaklık temel olarak kristal lattices'in istikrarı ve dönüşümünü yönetir. Bu etkilerden ustaca bilim adamları ve mühendisler malzeme özelliklerini manipüle etme, yapısal alaşımların gücünden seramiklerin ve geçiş hızlarının elektriksel yanıtlarına kadar.