METODE KARAKTERIZACIJE MATERIJALA (metala)METODE PRIPREME/SINTEZE MATERIJALA I KARAKTERIZACIJA

O kolegiju i literaturaPostoje interna skripta: razgovor, razni pojmovi, neke metode, odlazak u razne grupe radi skupljanja informacija o sintezi/pripremanju materijala, priređivanju uzoraka za konkretna mjerenja određenim metodama-karakterizacije; da bi se dobilo odgovor na pitanje…..? Napisati kratki referat/seminar.

Razlika između:Fizike čvrstog stanja (predmet Fizika čvrstog stanja na dodiplomskom) Fizike kondenzirane materije (predmet Fizika kondenzirane materije na PDS-u) Fizike materijala ili znanosti o materijalima (Material Science)Fizika čvrstog stanja (FČS)- ime sve kažeFizika kondenzirane materije (FKM) uključuje i tekućine I FČS i FKM bavi se više teorijskim modelima kojima se pokušaju objasniti eksperimentalno izmjerena svojstva materijala i povezuju ih se sa unutarnjom strukturom, ali se ne odgovara na pitanje kako je ta struktura određena, niti kako je takav materijal napravljen, niti kako su svojstva izmjerena (to je područje fizike/znanosti o materijalima).

Tokom studija na Fizičkom odsjeku studenti upoznaju razne fizičke zakone (kolegij Opća fizika), teorijske modele objašnjenja određenih fizičkih svojstava (primjerice objašnjenje supravodljivosti, faznih pretvorbi, objašnjenje toplinskog kapaciteta-kolegij Fizika čvrstog stanja), u praktikumima se upoznaju s osnovnim metoda mjerenja određenih fizičkih veličina (primjerice mjerenje indeksa loma ili mjerenje procjepa u dopiranom germaniju), itd.

Međutim, ako se primjerice kod supravodljivih svojstava spominje MgB2 kao materijal za kojeg je 2000.g. utvrđeno da ima iznenađujuću visoku temperaturu supravodljivog prijelaza od 39 K, te da se dopiranjem određenim elementima temperatura prijelaza može malo i povećati, studentima ostaje nepoznanica, odnosno većina ih se pri tom o tome i ne pita, niti nastavnici o tome govore, kako je takav materijal priređen/sintetiziran, kako je utvrđena njegova struktura, gdje su u kristalnoj rešetki MgB2 smještaju dopirani elementi i kako metodama se mjere supravodljiva svojstva.

Cilj ovog kolegija je da studente upozna s osnovnim metodama/načinima pripremanja/sinteze materijala/uzoraka za mjerenje određenih fizičkih svojstva kao i sa osnovnim metodama karakterizacije materijala kako bi se unutarnja struktura materijala mogla povezati s mjerenim/opažanim svojstvima.

U kolegiju ćemo pokušati pokazati: Pripremanje/sinteza materijalaPripremanje uzoraka za mjerenje/karakterizaciju Metode karakterizacije: određivanje kemijskog sastava i strukture (mikro i nanostrukture) i drugih potrebnih parametara radi objašnjenja mjerenih fizikalnih svojstava

Početak bavljenja znanstvenim istraživanjimaTeorijska fizika Eksperimentalna fizika Fermi!!!Kako odabrati područje?Kako početi?Dolazak u neku grupu dobro formirano područje rada (‘’stari’’ ili novi instrumenti); početak novog područja (formiranje novog laboratorija) tema rada, što treba istraživati odabir materijala (kako do uzoraka)Literatura?

Gersten, F. W. Smith, Chapter 21 Synthesis and Processing of Materials in The Physics and Chemistry of Materials, Wiley&Sons, New York, 2001; također Topics at the Web site: ftp://ftp.wiley.com/public/sci_tech_med/materials/ C21.pdf

•I. Gersten, F. W. Smith, Chapter 22 Characterization of Materials in The Physics and Chemistry of Materials, Wiley&Sons, New York, 2001: također • ftp://ftp.wiley.com/public/sci_tech_med/materials/ C22.pdf

•P. E. J. Flewitt, R. K. Wild, Physical Methods for Materials Characterization, Institute of Physics Publishing, Bristol, 2003.

•R. W. Cahn, Concise Encyclopedia of Materials Characterization, Elsevier, 2005.

•M. Furić, ''Moderne eksperimentalne metode, tehnike i mjerenja u fizici, Školska knjiga ,Zagreb, 1992.

•A. R. West: Basic State Chemistry, Wiley&Sons, New York, 2002. A. Tonejc: Metode pripreme i karakterizacije materijala-interna skripta (www i knjižnica Odsjeka) A. Tonejc: Nanomaterijali-interna skripta (www i knjižnica Odsjeka)

•Napomena: sa bold su označene knjige koje se stalno nalaze u biblioteci Fizičkog odsjeka ili se mogu ‘’skinuti’’ sa interneta.

Objašnjenje nekih pojmova (zašto je to potrebno?!)

Kako dijelimo čvrsta tijela/materijale? Kristalna tijela/materijali: metali (bakar, aluminij, željezo,….), poluvodiči (Si, Ge, ..), izolatori (korund,…), keramike , …., kuhinjska sol (NaCl), dijamant, razni minerali, kristalno staklo, led, školska kreda,…. Amorfna tijela/materijali: obično staklo, plastike i ostali polimeri (oprez-mogu biti i kristalni), smole (jantar), guma, amorfne tvari organskog porijekla,…. Nanokristali/nanoamorfni materijali/nanomaterijali: Nisu ni pravi kristalni ni amorfni. Često se kaže da su ‘’treće stanje čvrstog stanja’’ Kvazikristali: Metalne slitine posebne ‘’zabranjene’’ kristalne strukture.

Međuatomske sile?Realni model?

Uređenje/raspored atoma u 3D!KRISTALI: monokristali, polikristali (mikrokristali, nanokristali)

STAKLA-AMORFNI MATERIJALI (nanostakla)KVAZIKRISTALI

Vanjski izgled ↔Unutarnje uređenje ?(minerali-kreda-žica-staklo)

Vrste uređenja: Potpuna neuređenost (a): plin, tekućina, čvrsto tijelo Uređenje kratkog dosega (short range order): (b) tekućina; (c): čvrsto tijelo-amorfna struktura (zamrznuta tekućina/talina) Uređenje dugog dosega (long range order), uključuje i krat. dosega: (d): čvrsto tijelo (kristalna struktura)

No order Short range

Short range Long range

Što kristale čini kristalima: mikroskopska pravilna struktura (periodična rešetka)

Dvo-dimenzijski primjer kristalne i amorfne strukture SiO2

Fizikalna svojstva amorfnih i kristalnih tijela uočljivo se razlikuju

Razliku između amorfnih i kristalnih materijala smo već razjasnili na početku kolegija

Monokristali i polikristali

Idealni kristal je beskonačan

Realni kristali su konačnih dimenzija, ali uslijed 1/N mogu se smatrati idealnima (monokristali). U praksi materijali su pojavljuju kao polikristali=veliki broj međusobno spojenih malih monokristala

Nastanak polikristalatekućina/talina jezgra kristalizacije

Kristalno zrno=kristalitGranica kristalitaSpojno mjesto triju kristalita

(‘’triple junction’’)

Monokristali i polikristali (razlika?)

Monokristali i polikristali: razlika u fizikalnim svojstvima (mekaničkim, optičkim, magnetskim, transportnima, difuzije, kinetici faznih pretvorbi, površinskim svojstvima,….) i to u korist polikristalnih materijala (najviše uslijed postojanja granica zrna). Općenito vrijedi: što manji kristaliti, to bolja svojstva Nanomaterijali!!!!! nanotehnologija

Podjela polikristalnih materijalaVeličina kristalita Naziv1-1000 m mikrokristalni250-1000 nm sitno zrnati1 - 250 nm nanokristalni (podjela nije strogo definirana)

Pd 2-8 nm HRTEM(linijsko i točkasto razlučivanje)

mjed: oko 1 m optički

mikroskop

Al 50 – 200 nm TEM

Zašto bi nanomaterijali uslijed velikog broja granica trebali imati posebna svojstva? Nanokristalni Nanoamorfni

Svi atomi isti atomi ● čine kristalite (uređenje dugog dosega) atomi ○ čine granice (nema ni kratkog dosega)

raspored atoma u graničnom području A (razmaci atoma a-b-c) ≠ u području B (razmaci atoma d-e-f) nigdje korelacije između najbližih atoma

Nema strukturne razlike u graničnim područjima kristalne i amorfne strukture granična područja različita od ‘’prave ‘’ amorfne struktureGranično područje- treće stanje strukture materijala (odnosno četvrto, ako kažemo da su kvazikristali treće (kristalno i amorfna - prva dva moguća stanja materijala)

Potvrđuju eksperimenti Procjena volumnog udjela atoma u granicama i na mjestima spajanja triju kristalita (‘’triple junction’’!

Za udjel atoma međukristalnih područja dobiva u postocima oko 40-50%, za veličinu nanokristala oko 5 nm; 15-30% za zrna od 10 nm odnosno oko 3% za zrna veličine oko 100 nm. Mjesta gdje se sastaju tri kristalita i koje se naziva trojni spoj (''triple junctions'‘, u nanokristalnom materijalu ima jako mnogo. Ako se procijeni volumni udjel atoma u granicama kristalita (za širinu 1 nm) i na mjestima trojnog spoja, uočit ćemo vrlo brzi porast udjela atoma za veličine kristalita ispod 10 nm u granicama kristalita (međukristalne granice/područja) i još brži porast oko trojnog spoja, tako da ti udjeli postaju međusobno usporedivi.Mnoga fizička svojstva materijala (čvrstoća,elastičnost, plastičnost, difuzija, toplinski kapacitet, itd. ovise i o međusobnom slaganju atoma u strukturi nanomaterijali bi morali imati različita svojstva u usporedbi s ''klasičnim'‘polikristalnim materijalima istog kemijskogsastava (potvrdilo se!!), čak i bolja za primjenu; zato ne iznenađuje veliki interes istraživanja i tehnološku primjenu nanomaterijala.

Tipičan znanstveni rad

U uvodu autori opisuju zašto su izabrali u naslovu članka definiranu problematiku. Uočen je znanstveni problem: nanokristalni tanki filmovi Fe4N imaju posebna strukturna, feromagnetska i toplinska svojstva i autori se pitaju ne bi li tanki filmovi Co4N mogli imati još bolja svojstva radi primjene u integriranim krugovima. Da bi se ideja mogla realizirati potrebno je kao prvo pripremiti tanke filmove Co4N, odrediti kemijski sastav, strukturu i magnetska svojstva.

Sažetak

Iz sažetka njihovog rada:

je vidljivo da su tanke filmove pripremili filmove pripremili metodom magnetronskog rasprašivanja, kemijski sastav rendgenskom fotoelektronskom spektroskopijom, strukturu rentgenskom difrakcijom i transmisijskom elektronskom mikroskopijom, a magnetska svojstva SQUID-om.

Još jedan primjer:

U sažetku se uočavaju korištene metode i rezultat, dok bi se čitanjem uvodnog dijela članka saznalo da su uzorci dobiveni posebnom metodom ekstremno brzog kaljenja iz tekuće faze (taljevine/taline). Ovaj članak je ujedno tipični primjer suradnje različitih znanstvenih institucija jer praksa pokazuje da je vrlo često nemoguće načiniti sva potrebna mjerenja u jednom laboratoriju ili znanstvenoj instituciji, već je često potrebna i međunarodna suradnja. U gore spomenutom članku sinteza uzoraka te metode XRD, DSC, TGM su rađene na Fizičkom odsjeku Sveučilišta u Barceloni, TEM, HREM i ED je napravljeno na Fizičkom odsjeku PMF-a, a STM na Institutu Jožef Stefan u Ljubljani.

Ukratko, istraživanje eksperimentalnih fizičara sastoji se iz: 1. Uočavanje problematike 2. Pripreme uzoraka 3. Karakterizacije uzoraka 4. Mjerenje fizikalnih svojstava 5. Usporedba rezultata s postojećim

eksperimentalnim rezultatima i teorijskim modelima 6. Objavljivanje rezultataNakon toga slijedi odluka: a) problematika je iscrpljena b) potrebni su dodatni uzorci, eventualno drugog

kemijskog sastava i dimenzija te dodatne metode karakterizacije, itd……….

POPIS METODA KARAKTERIZACIJE (podjela?)

CT-AFM ‘’Conductive atomic force microscope’’ZFC ‘’zero field cooled’’ magnetska susceptibilnostFC ‘’field cooled’’ magnetska susceptibilnostREM ‘’Remnant magnetic moment’’ mjerenja REM Reflection electron microscopy