بلور و بلورشناسی
بلور و بلورشناسی
بلور و بلورشناسی
تهیه کننده : مجید مکاری
منبع : راسخون
منبع : راسخون
بلور شکلی از ماده جامد است که در آن مولکولها ٬ اتمها و یونها با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار دارد . تکرار این آرایش منظم در سه جهت فضایی سبب بزرگتر شدن بلور می شود . نظم بیرونی بلورها ٬ بر اثر نظم درونی آنهاست. بدلیل همین نظم ٬ سطحهای خارجی بلورها صاف و هموار هستند . این سطحهای صاف با یکدیگر زاویه هایی می سازند که اندازه های آنها در بلورهای یک ماده همواره ثابت است . یکی از راههای تشخیص بلورها ٬ از یکدیگر اندازه گیری زاویه بین سطحهای آنهاست . بلورها به شکلهای مکعب ٬ منشور ٬ هرم و چند وجهی های مختلف هستند و معمولا" سطحها و زاویه های هر شکلی از آنها مشابه و قرینه یکدیگرند.
هنگامی که دما یافشار تغییر می کند و یا تبخیر روی می دهد و شرایط مناسب تبلور ایجاد می شود ٬ اتمهای مواد به یکدیگر می پیوندند . این اتمها معمولا" در اطراف ذرات موجود در محیط جمع می شوند . این ذرات هسته تبلور نامیده می شوند . هسته تبلور از ذرات ناخالص یا بلورهای خرد شده یک ماده تشکیل می شود . گاهی نیز شماری از اتمهای ماده اصلی کنار هم قرار می گیرند و هسته تبلور را می سازند . اتمهای دیگر نیز به تدریج در اطراف این هسته جمع می شوند و با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند . کوچکترین واحد ساختاری منظم هر بلور را سلول اولیه آن بلور می نامند .
پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می‌شود که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر میشوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می‌کند، به این پدیده پیزوالکتریک می‌گویند.
گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می‌کند و سبب می‌شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد. در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی بوجود می‌آید. همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض میشوند و بر اثر ارتعاش ٬ صوت تولید می‌کنند. از این خاصیت برای تولید صوت ٬ ماورای صوت ٬ نوسانهای الکتریکی ٬ ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می‌شود.
خواص نیم رسانایی
بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ٬ سیلیسیم و کربن خاصیت نیم رسانایی دارند و تا اندازه‌ای جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. اگر بلورهای نیم رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم٬ مقاومت الکتریکی آنها کم می‌شود و الکتریسیته را بهتر عبور می‌دهد. نیم رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات بصورت دیود و ترانزیستور و قطعه‌های دیگر الکترونیکی بکار می‌روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می‌شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب بکار می‌رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیم رسانا تشکیل می‌شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب بکار می‌رود. دیودها و ترانزیستورها از قسمتهای اصلی گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیو و تلویزیون هستند.
پدیده دو شکستی
بعضی از بلورها نور را به دو دسته پرتو تقسیم می‌کنند، بر اثر این پدیده در کانیهای شفاف ٬ مانند کربنات کلسیم شکست مضاعف ایجاد می‌شود. اگر نوشته‌ای را زیر کربنات کلسیم قرار دهیم بصورت دو نوشته دیده می‌شود.
بعضی از بلورها خاصیت جذب انتخابی دارند. مانند بلور تورمالین که پرتوهای نور را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک دسته آنها را جذب می‌کند و دسته دیگر را از خود عبور می‌دهد. از این خاصیت برای ساختن فیلمها و عدسیهای قطبنده (پلاریزان) و برای کاهش شدت نور چراغهای اتومبیل استفاده می‌شود. عدسیهای قطبنده را در ساختن ابزارهای نوری مانند میکروسکوپهای قطبنده (پلاریزان) را از ورقه نازک پولاروید (ورقه شفاف و نازک نیترات سلولز) می‌پوشانند.
خواص ساختاری
▪ یونی :
این کریستالها ، کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس از یک اتم به اتم دیگر انتقال داده شده و نتیجه کریستالی است که از یونهای مثبت و منفی تشکیل گردیده است. مانند NaCl.
▪ کووالانت :
کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس بطور یکسان بین اتمهای مجاور به اشتراک گذارده شده‌اند. مانند الماس.
▪ فلزی :
عناصر فلزی در حالت آزاد تشکیل کریستالهای فلزی می‌دهند که وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در این کریستالها از مشخصات آنهاست.
▪ مولکولی :
گازهای نادر و مولکولهای تکمیل شده در حالت جامد بوسیله نیروهای ضعیفی بنام نیروهای واندوالسی بستگی پیدا می‌کنند.
ـ تبصره :
در اکثر کریستالها و بلورها ممکن است ۲ یا چند پیوند اشاره شده در بالا شرکت داشته باشند.
یک کریستال خوب از نظر اپتیکی ، کریستالی است که در داخل آن حباب ، یا رگه و ناخالصی خیلی خیلی کم باشد.
برای قرار دادن نقاط در شبکه‌های فضایی بطوری که تمام نقاط شبکه درست توسط همان نقاط مجاورشان احاطه شده باشند، فقط چهارده طریق که در هفت دسته تقارنی تعریف میشوند، وجود دارد که به شبکه‌های براوه معروفند. این هفت دسته به نامهای تری کلینیک ، مونوکلینیک ، اورتورمبیک ، تتراگونال ، مکعبی ، تری گونال معروفند. اجزا تقارنی که در این هفت دسته وجود دارند، به ترتیب زیر هستند:
ـ محور چرخشی
ـ صفحات تقارن
ـ نقطه انعکاسی
ـ نقطه انعکاسی چرخشی.
▪ شبکه‌های کریستالی C.P
در این شبکه‌ها ، لایه‌ها طوری روی هم چیده میشوند که اگر لایه اول A و لایه دوم B باشد، لایه سوم ممکن است به یکی از دو صورت زیر قرار گیرد:
درست بالای لایه A که به نام AB ، AB ، AB نامیده میشوند. دارای ساختمان هگزاگونال است و به H.C.P مشهور است.
لایه سوم (C) در محل سومی چیده می‌شود که آن را به صورت ABC ، ABC ، … نشان می‌دهند که همان ساختمان مکعبی F.C.C است.
▪ کریستالهای ساده :
در این نوع کریستالها ضریب شکست ثابت بوده و دارای یک عدد معینی است
▪ کریستالهای دوشکستی :
کریستالهایی که برای یک پرتو تابش ، دو نوع شکست ایجاد می‌کنند، یعنی یک پرتو را به دو پرتو به نامهای (پرتو عادی و پرتو غیر عادی) تجزیه می‌کنند، کریستالهای دوشکستی نامیده میشوند.
ـ تبصره :
ضریب شکستهای ی (ضریب شکست پرتو عادی) و (ضریب شکست پرتو عادی) به این صورت به دست می‌آیند که یک امتداد در نظر می‌گیریم، یک بار پرتو عادی را در این امتداد می‌زنیم و یک با هم پرتو غیر عادی را در این امتداد می‌اندازیم و ضریب شکست آنها را اندازه می‌گیریم.
▪ کریستال دوشکستی مثبت است، هر گاه
▪ کریستال دوشکستی منفی است هر گاه
▪ کربنات کلسیم (سنگ گچ یا ) یک کریستال دوشکستی منفی است و کوارتز هم نمونه‌ای از یک کریستال مثبت است.
ـ تبصره :
کریستالهای دو شکستی می‌توانند منبع تولید نور قطبی از نور غیر قطبی باشند (قطبش نور) که در زیر به نمونه‌هایی از آنها اشاره می‌شود.
▪ تیغه ربع موج یا چارک موج :
تیغه ربع موج از یک کریستال دو شکستی تشکیل شده است که می‌تواند قطبش خطی را به قطبش بیضوی یا دایروی تبدیل کند.
▪ تیغه نیم موج :
این تیغه نور ما را نسبت به یکی از محورهای عمود بر هم (E یا D) قرینه می‌کند.
بلور ایده آل از تکرار بی پایان واحدهای ساختاری همانند در فضا بوجود می‌آید. در ساده‌ترین بلورها ، مانند مس ، نقره ، آهن و فلزات قلیایی ، این واحدهای ساختاری یک تک اتم است. در اکثر مواد واحد ساختاری شامل چندین اتم یا ملکول است. در بلورهای معدنی این تعداد تا حدود 100 و در بلورهای پروتئین به 10000 می‌رسد. ساختار تمام بلورها بر حسب شبکه‌ای که به هر نقطه آن گروهی از اتمها متصل هستند، توصیف می‌گردد، این گروه اتمها را پایه می‌گویند، پایه در فضا تکرار می‌شود تا ساختار بلور را تشکیل دهد.
ساختار بلوری غیر ایده آل
از نظر بلورنگاران کلاسیک ، بلور ایده‌آل از تکرار دوره‌ای واحدهای یکسان در فضا شکل می‌گیرد. ولی هیچ دلیل عمومی وجود ندارد که بلور ایده‌آل حالت مینیمم انرژی اتمها در صفر مطلق باشد. در طبیعت ساختارهای بسیاری وجود دارند که با آنکه منظم هستند، کاملا دوره نیستند. نظر ایده‌آل بلورنگاران لزوما یک قانون طبیعت نیست. بعضی از ساختارهای غیر دوره‌ای ممکن است فقط فرا پایدار باشند و طول عمر بسیار درازی داشته باشند.
انوع ساختار بلوری
انواع مختلف ساختارهای بلوری وجود دارند که چند مورد از ساختارهای بلوری ساده و مورد توجه همگانی عبارتند از:
• بلور مکعبی مرکز سطحی (fcc) :
در این حالت سلول یاخته بسیط ، لوزی رخ است. بردارهای انتقال بسیط نقطه شبکه واقع در مبدا را به نقاط شبکه واقع در مراکز وجوه وصل می‌کنند.
• بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) :
در این حالت یاخته بسیط لوزی رخی است که هر ضلع آن برابر است و زاویه بین اضلاع مجاور است.
• بلور کلرید سدیم Nacl :
در این حالت پایه شامل یک اتم Na و یک اتم Cl است که به اندازه نصف تعداد اصلی مکعب یکه از هم فاصله دارند.
• بلور کلرید سزیم CsCl :
در این حالت در هر یاخته بسیط یک مولکول وجود دارد. هر اتم در مرکز مکعبی متشکل از اتمهای نوع مخالف قرار دارد.
• ساختار بلوری تنگ پکیده شش گوش (hcp) :
در این ساختار مکانهای اتمی یک شبکه فضایی را بوجود نمی‌آورند. شبکه فضایی یک شش گوشی ساده است که به هر نقطه شبکه آن پایه‌ای با دو اتم یکسان مربوط می‌شود.
رشد بلور
بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده میشوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده میشوند.
معایب رشد بلور در ظرف ذوب
در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.
روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.
ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصیها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.
ساختار الماسی :
در این حالت شبکه فضایی fcc است. این ساختار نتیجه پیوند کووالانسی راستایی است.
• ساختار مکعبی سولفید روی ZnS :
ساختار الماس را می‌توان بصورت دو ساختار fcc که نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم قطر اصلی جابجا شده‌اند، در نظر گرفت. ساختار مکعبی سولفید روی از قرار دادن اتمهای Zn روی یک شبکه fcc و اتمهای S رویی شبکه fcc دیگر نتیجه می‌شود.
• ساختار شش گوشی سولفید روی (و ورلستاین):
اگر فقط اتمهای همسایه اول را در نظر بگیرید، نمی‌توان بین دو حالت ZnS مکعبی و شش گوشی فرق گذاشت. اما اگر همسایه‌های دوم را در نظر بگیریم می‌توان این دو حالت را از هم تمییز داد.
علت مطالعه ساختارهای بلوری
از آنجا که بیشترقطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور و ... از بلورها ساخته می‌شود. همچنین به دلیل گسترش روز افزون وسایل الکترونیکی و توجه بیش از حد به ساختن ریزتراشه‌های کامپیوتری با ابعاد بسیار کم ، توجه فوق العاده به سمت بلور شناسی و مطالعه ساختارهای بلوری شده است. و دانشمندان مختلف در سطح جهان مطالعات وسیعی را در این زمینه انجام می‌دهند، که از آن جمله می‌توان به فعالیتهای انجمن نانوتکنولوژی اشاره کرد.
ساختار بلوری جامدات
دید کلی
از لحاظ ترمودینامیکی پایدارترین الگوهای انباشتگی متعاق به گونه ای است که انرژی آزاد آن در دما و فشار مورد نظر حداقل باشد.ارزیابی انرژی آزاد معمولا مشکل است،اما تجزیه و تحلیل سهم های مر بوط بر حسب اندر کنشهای کولمبی بین یونهاکاملا ممکن می باشد.از آنجائیکه فاکتورهایی که یک ساختمان را بر دیگری مطلوب می کنند نهایتا بایکدیگر متعادل میشوند،بسیاری از جامدات بلوری در فرمهای متفاوت وجود دارندیا اصطلاحا پلی مورف می باشند.پلی مورفیسم خاصیتی از تمام جامدات و نه تنها تر کیبات یونی است.مثالی از این خاصیت ،وجود فازهای سفید وسیاه از فسفر عنصری و فازهای کلسیت و آرگونیت و از کربنات کلسیم است.
1-پیوند کوالانسی:
زمانی این پیوند ایجاد می شود که اوربیتال لایه ظرفیت در اتم های غیر فلز به گونه ای هم پوشانی کنند که دانسیته الکترون بین اتم ها افزایش یابد (همپوشانی مثبت ) چون این اتم ها جاذبه مشابه یا یکسانی برای الکترونها دارند انتقال الکترون ازیک اتم به اتم دیگر صورت نمی گیرد بلکه الکترونها بین آنها به اشتراک گذاشته می شود . یک پیوند کوالانسی مشتمل بر یک جفت الکترون با اسپین های مخالف است و دو اتم در آن نیز سهیم هستند این نیرو در حقیقت نیروی نگهدارنده بین اتم ها در یک مولکول است.
2-پیوند یونی :
پیوند حاصل از نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی (کولمبی ) بین یک فلز و یک غیر فلز است. در پیوند های یونی خالص بین اتم ها اشتراک الکترون وجود ندارد مثلاً در واکنش بین سزیم وفلوئور یک الکترون از یک اتم سزیم به یک اتم فلوئور منتقل می شود و ذرات بارداری به نام یون تولید می شود.
3-پیوند اندروالس:
این پیوند را نیروی پراکندگی لندن می نامند و در مولکولهای فاقد دو قطبی دائمی موجب می شود به صورت مایع درآیند منشاء این نیرو حرکت الکترونها است از واپیچش ابر الکترونی مولکول دو قطبی لحظه ای به وجود می آید و در هر لحظه موقعیت قطبهای مثبت و منفی به دلیل حرکت الکترونها تغییر می کند.
در نتیجه مولکول در کل فاقد گشتاور دو قطبی است.نیروی لندن شامل جاذبه بین این دو قطبی های لحظه ای است. این نیرو در مولکولهای بزرگ و پیچیده ای که دارای ابر الکترونی بزرگی هستند و به راحتی قطبیده (پلاریزه )می شوند به سرعت افزایش می یابد نیروی اصلی افزایش می یابد نیروی اصلی در آرگون و تتراکلرید کربن جامد همین نیرو است.
4-پیوند فلزی:
این نوع پیوند شبکه های منظم از اتم هایی که کمبود الکترون دارند یا گروهی از اتم ها مانند فلز است و آلیاژها را در کنار یکدیگر نگه می دارند بارزترین خصوصیت این پیوند این است که الکترونهای پیوندی در تمام سطوح کریستال به طور نسبتاً سستی به اتم وابسته اند و آزادانه در سراسر بلور فلزی حرکت می کنند زیرا پتانسیل یونیزاسیون و الکترونگاتیوی فلزات بسیار کم است . یونهای مثبت فلزی نقاط شبکه ای ثابت را در بلور اشغال می کنند و ابر منفی الکترونهای آزاد بلور را به هم نگه می دارد .
تقسیم بندی بلور ها :
بهترین تقسیم بندی بلور ها بر حسب نوع ذرات تشکیل دهنده و نیروهای نگهدارنده آنهاست:
کوالانسی، یونی، و اندوالسی، فلزی
1-بلورهای کوالانسی ،(مشبک):
ذرات تشکیل دهنده این بلور اتم ها هستند که با شبکه ای از پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل هستند این مواد بسیار دیر گداز و سخت بوده و برای از بین بردن ساختار بلوری باید تعداد زیادی پیوند کوالانسی شکسته شود الماس که در آن اتم های کربن به وسیله پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل شده و ساختار سه یعدی به وجود می آورد. نمونه ای از این نوع بلورها است.شکل زیر یک نوع بلور کوالانسی را که مربوط به کوارتز (سیلسیم دیوکسید sio2</SUB )
بلورهای یونی:
عامل نگهدارنده یونهای مثبت و منفی در ساختار بلورها وجاذ به الکترواستاتیکی است و به دلیل قوی بودن این نیرو ها نقطه ذوب بالایی دارند سخت و شکننده اند در حالت مذاب یا محلول رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته اند اما در حالت جامد یونها آزادی حرکت ندارند. و نارسانا هستند.شکل زیر بلور یونی فلورئوریت را نشان می دهد.
بلورهای مولکولی:
ذرات تشکیل دهنده این بلور ها مولکول هستند و قدرت نگهدارنده آنها به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی در بلورهای یونی نیست و در نتیجه بلورهای مولکول نرم هستند و دمای ذوب پایین تر از300 دارند.
نیروهای پراکندگی لندن مولکول های غیر قطبی را در ساختار بلوری نگه می دارد و بلور مولکولهای قطبی نیروهای دو قطبی_ دو قطبی و همچنین نیروهای لندن وجود دارند و دمای ذوب این ترکیبات بیش تر از ترکیبات غیر قطبی با ساختمان یکسان است.
برخی از ترکیبات مولکولی مانند آب به مقدار ناچیز تفکیک شده و رسانای ضعیف جریان الکتریسیته هستند به طور کلی بلورهای مولکولی رسانای جریان الکتریسیته در حالت مذاب یا مایع نیستند.شکل زیر بلور مولکولی ،برف دانه آب را نشان می دهد.
بلورهای فلزی:
الکترونهای لایه ظرفیت اتم های فلز در ساختار بلور فلزی حرکت می کنند و بقیه اتم های فلز یعنی یون های مثبت در بلور موقعیت ثابتی دارند ابر منفی الکترون های در حال حرکت که دریای الکترون نامیده می شود اجزای بلور را به یکدیگر متصل می کنند این نیروی اتصال دهنده قوی به پیوند فلزی مشهور است دمای ذوب و چگالی اغلب فلزات بالا است و یون های مثبت تشکیل دهنده ساختار آنها آرایش فشرده دارند. برخلاف بلورهای یونی موقعیت بلورهای مثبت در بلورهای فلزی را می توان بدون از بین بردن بلور تغییر داد زیرا بار منفی الکترونها آزاد به طور یکنواختی پراکنده شده است به همین دلیل اغلب بلورهای فلزی چکش خوار (شکل پذیر) و مفتول پذیر (قابل تبدیل به سیم) هستند اغلب فلزات رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند.شکل زیر بلور فلزی روی را نشان می دهد.
انباشتگی کره ها
ساختمان اغلب جامدات برحسب انباشتگی کره هایی که نمایشگر یونها یا اتمها هستند قابل توضیح است. فلزات بویژه از این نقطه نظر بسیار ساده اند زیرا (برای فلزاتی نظیر سدیم و آهن)، تمام اتمها مساوی هستند. در بسیاری از موارد، اتمها آزادند تا حدی که هندسه آنها اجازه دهد به یکدیگر متراکم شوند، به همین دلیل گفته می شود که فلزات ساختار، انباشتگی نزدیک دارند، ساختمانهایی که دارای حداقل فضای زائد و حداکثر تعداد همسایه برای هر کره می باشند.
عدد کئوردیناسیون برای هر اتم عبارتست از تعداد نزدیکترین همسایه ای که در شبکه دارا می باشد. عدد کئودیناسیون معمولا برای فلزات بزرگ (8 تا 12) است، برای جامدات یونی متوسط (4 تا 8) و برای جامدات مولکولی پایین (1 تا 6) می باشد.
الف) انباشتگی نزدیک کره ها: ساختار انباشتگی نزدیک کره ها یکسان معمولا به صورت چیدن لایه های انباشته ـ نزدیک بر بالای یکدیگر می باشد. ساختمان توسط جای دادن هر کره در فرورفتگی میان دو کره مماسی، به طوری که یک مثلث را تشیل دهندشکل (1) شروع می شود. لایه اول با ادامه پیدا کردن این فرایند تشکیل می شود. لایه انباشته ـ نزدیک کامل شامل کره هایی است که هر یک در تماس با شش همسایه از نزدیکترین فاصله در صفحه می باشند لایه توسط قراردادن کره ها بر روی فرورفتگی های لایه اول تشکیل می شود.
سومین لایه در یکی از دو طریق ممکن تشکیل می شود که تمام ساختارهای و در دوبعد کاملا یکسان می باشند.
عدد کئوردیناسیون برای هر ساختار 12 می باشد. در یک ساختار، کره های لایه سوم مستقیما در بالای کره های لایه اول است. الگویABAB.... لایه ها شبکه ای با سل واحد شش گوشه ای می دهد و بنابراین انباشتگی ـ نزدیک ش گوشه ای یا hcp نامیده می شود.(شکل 3a ) درنوع دیگر، کره های لایه سوم در بالای شکاف های لایه اول قرار داده می شود. بنابراین دومی لایه نیمی از حفره های موجود در لایه اول را می پوشاند و لایه سوم در بالای حفره های غیر پوشیده باقیمانده قرار می گیرد. این آرایش منجر به الگویABCABC..... می شود و مطابق با شبکه ای است با سل واحد مکعبی مرکز وجه ـ پر که انباشتگی ـ نزدیک مکعبی(ccp) با ویژه تر، مکعبی مرکز وجه ـ پر(fcc) نامیده می شود.
ب ) حفره ها در ساختار های انباشته ـ نزدیک: یک مشخصه از هر ساختار انباشته ـ نزدیک که توسط مجموعه ای از کره های سخت ایجاد می شود، وجود دو نوع حفره هست. حفره به معنای فضای غیر اشغال شده می باشد. ( فضای ترسیم شده توسط حفرات در واقع خالی نیست زیرا دانسیته الکترونی همچنانکه مدل کره سخت پیشنهاد می کند پایان ندارد). نوع حفره ها و توزیع آنها اهیمت دارد، زیرا بسیاری از ساختمانها، شامل ساختارهای برخی از آلیاژها و بسیاری از ترکیبات یونی، به گونه ای هستند که در آنها اتمها با یونهای اضافی برخی از حفره ها را اشغال می کنند.
یک نوع از حفره ها، حفره هشت وجهی می باشد.(شکل4a) چنین حفره ای میان دو مثلث مسطح از کره ها که در لایه های مجاور به طور معکوس جهت یافته اند قرار می گیرد. اگرN اتم در کریستال وجود داشته باشد. حفره اکتاهدرال نیز وجود خواهد داشت.
یک حفره چهار وجهی ،T(شکل4b) توسط یک مثلث مسطح از کره های مماس که یک کره منفرد بر روی فرورفتگی میان آنها قرار می گیرد، تشکیل می شود. در کریستال محور چهار وجهی ممکن است به سمت بالا(T) و یا پایین(T) باشد. از هر نوع حفره چهار وجهی، Nتاوجود دارد.(مجموعا 2Nحفره چهار وجهی)
بلور مایع
بلور مایع (Liquid Crystals)
بلورهای مایع موادی هستند که خواص ساختاری و مکانیکی آنها چیزی بینابین خواص مایعات و بلورهاست. فهم و درک این حالت ماده برای دانشمندان قرن‌های نوزدهم و بیستم کار ساده‌ای نبوده است. در اوایل دهه 1970میلادی اولین دسته از مواد بلورهای مایع پایدار به صورت تجاری ساخته شدند و از آن در ساخت صفحه‌های Liquid Crystal Display استفاده شد.
نگاه اجمالی
فاز بلور مایعی جسم را گاهی (فروفاز) (به معنی فاز بینابینی) یا فاز فرومورنیک نیز می‌نامند. در بلورها ، اتمها یا مولکولها در شبکه‌های تناوبی منظم آرایش می‌یابند. بدین ترتیب در مقیاس میکروسکوپیکی ، بلورها نظم بسیار زیادی دارند. اگر مکان یک مولکول مشخص شود مکان مولکولهای دیگر را می‌توان با اطمینان فراوانی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد.
بلورها در مقابل در مایعات تقریبا آزادانه حرکت می‌کنند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم هستند. با این حال هنوز هم اندازه‌ای نظم کوتاه برد ناشی از دافعه کوتاه برد میان اتمها یا مولکولها در آنها دیده می‌شود. بطوری که اگر مکان یک اتم یا یک مولکول مشخص شود، مکان مولکولهای دیگر را می‌توان با اطمینان نسبتا زیادی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد. از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایعات وجود ندارد مایعات در برابر تغییر شکل برشی مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تأثیر وزن یا نیروی دیگر به آزادی جریان پیدا می‌کنند.
تاریخچه کشف
بلورهای مایع در سال 1888 میلادی توسط Friedrich Reinitzer هنگام مطالعه و بررسی کلسترول در گیاهان کشف شد ولی نه تنها خود کاشف آن از ماهیت آنچه مشاهده کرده بود کاملا آگاه نبود بلکه تا همین دهه‌های اخیر به صورت یک پدیده جالب توجه به آن نگاه می‌شد.
ساختار بلور مایع
نظم ساختاری بلور مایع ، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است. تغییرات فاز بین فازهای جامد مایع و مایع ، از طریق گرما کردن در مورد بلورهای مایع توموتروپ و یا مخلوط کردن ماده دوم (در مورد بلورهای مایع لیوتروپ میسر می‌شود. بلورهای مایع ترموتروپ معمولا از مولکولهای آلی (کربن دار) تشکیل میشوند. این مولکولها یا خطی هستند و قسمت مرکزی شان سخت است و دنباله‌های انعطاف پذیر در یک سر و یا در دو سرشان دارند یا دایره‌ای هستند و قسمت مرکزی شان قرصی و سخت است. و 4 تا 8 دنباله انعطاف پذیر بطور شعاعی از آن خارج میشوند. بلورهای مایع ترموتروپ به دسته‌های زیر تقسم میشوند:
بلور مایع نیماتیک
بلور نیماتی معمولا از مولکولهای آلی میله‌ای شکل ساخته می‌شود. همانند مایعات ، این نوع بلورهای مایع فقط از لحاظ مولکولی دارای نظم کوتاه برد هستند. برخلاف مایعات در این محورهای بلند مولکولها همگی بطور متوسط هم سو هستند. از اینرو بلور نیماتیم را می‌توان بلور جهت دار دانست. این بلور مایع همانند مایع سلولی جریان پیدا می‌کند. اما از نظم بسیار بیشتری برخوردار است.
بلور مایع اسمکتیک
بلور مایع اسمکتیک هم از مولکولهای میله‌ای ساخته می‌شود، ولی نظم مولکولها در آن بصورت لایه و هم صفحه‌ای است. در هر لایه ، مولکول فوق نظم کوتاه برد مایع گونه دارند. بدین سان ، بلور مایع اسکمتیک را می‌توان تناوبی یا بلور بین در یک بعد و بی نظم یا مایعی در دو بعد دیگر داشت. بلور اسکمتیک مانند بلور سیستماتیک تحت تأثیر وزن جریان پیدا می‌کنند. بسته به اینکه میله‌ها در هر لایه مثلا بصورت مایل یا راست ایستاده باشند. با زیر دسته‌های متعددی از فاز اسکمتیک رو برو می‌شویم.
بلور مایع کوکستریک
بلور مایع کوکستریک شبیه نیماتیک است. اما بجای اینکه میله‌ها در همه جا یکسان باشد، در نقاط مختلف دست خوش تغییر جهت می‌شود که این امر در نهایت ساختاری مارپیچی پدید می‌آورد. اگر صفحاتی عمود بر محور مایع در نظر بگیریم در هر صفحه سمتگیری منظمی همانند فاز نیماتیک رو برو می‌شویم. جهت موضعی این سمت گیری در هر صفحه نسبت به صفحات مجاورتی کمی چرخیده است.
بلور مایع دیسکوتیک دیاستوئی
بلور مایع دیسکوتیک یاستونی از مولکولهای قرص شکل تشکیل شده است. مولکولها در ستونهایی مرتب میشوند که نسبتا شبیه به ستونهای میله یا مهره‌های تخته نرم هستند، در هر ستون فقط نظم کوتاه برد وجود دارد. اما ستونها بطور تناوبی در دو بعد مرتب میشوند و ترکیب آنها معمولا بصورت شبکه شش گوش است. بدین سان ، بلور مایع دیسکونیک در دو بعد منظم و در یک بعد بی نظم است.
اساس فیزیکی مایع تریوتروپ
در بلورهای مایع ترموتروپ ، گرم کردن ماده جامد منجر به فاز آی بلور مایع بیشتر می‌شود، منظور این است که بجای تبدیل مستقیم از فاز جامد به فاز مایع همسانگرد ، این مواد گرم شدن از یک یا چند فاز بلور مایع عبور می‌کنند.
بلور ------> نیماتیک ------> اسمکتیک ------> مایع همسانگرد
اساس فیزیکی مایع اسکمتیک
در تبدیل از بور به اسکمتیک ، جسم بسیار نرم می‌شود و تحت برش جریان پیدا می‌کند. اگر چه اغلب اگر گذارهای بین فازهای متمایز اجسام ناپیوسته‌اند. فاز اسمکتیک بطور پیوسته به فاز نیماتیک تبدیل می‌شود که آنرا گدازهای مرتبه دوم می‌گویند. نیماتیکها معمولا نسبت به فازهای اسمکتیک چسبندگی کمتری دارند. و اگر اقدامات خاص برای جهت دادن آنها صورت نگیرد، ظاهری کدر یا گل آلود دارند که این هم بخاطر حضور ناحیه‌های متعددی است که هر ک سمتگیری مولکولی خاص خود را دارد. این کدری به هنگام تبدیل بلور مایع اسمکتیک به مابع همسانگری ناگهان از بین می‌رود. به همین دلیل نقطه گذار نیماتیک - اسمکتیک را گاهی نقطه شفاف شدگی می‌نامند.
خواص برجسته بلور مایع
• در مایع‌ها اتمها و مولکول ها تقریبا آزادنه حرکت می‌کنند و روی یکدیگر می‌لغزند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم‌اند. اما به دلیل نیروی دافعه کوتاه برد میان اتمها یا مولکولهای مایع ، تا اندازه‌ای در مایع‌ها نظم کوتاه بردی دیده می‌شود.
• از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایع‌ها وجود ندارد ، مایع‌ها در مقابل تغییر شکل برشی ، مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تاثیر وزن یا نیروهای دیگر به آزادی جریان می‌یابند.
• نظم ساختاری بلورهای مایع ، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است . شکل زیر تفاوت بین سه حالت مختلف جامد ، بلور مایع و مایع را نشان می‌دهد.
کاربرد بلور مایع
• به دلیل شکل میله‌ای مولکولهای تشکیل دهنده بلورهای مایع نیماتیک و اسمکتیک در برابر نور و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی پاسخی ناهمسانگرد دارند، بدین سان می‌توان از میدان الکتریکی برای کنترل حتی از مولکولهای بلور مایع نیماتیک می‌گیرند استفاده کرد و این امر به نوبه خود میزان نور بازتابیده یا گذرنده را تغییر می‌دهد، استفاده از این اثر در صفحات نمایی بلور مایع که در ماشینهای حساب ، ساعت دیجیتالی و حتی تلویزیونهای مینیاتوری کاربرد دارد رایج است.
• ساختار مارپیچی مشخصه بلورهای مایع کوسترتیک به عنوان توری برای نور مرئی قابل استفاده است. ترکیبات کولسترتیک معمولا با رنگ روشن و براق دیده میشوند. چون میزان براق بودن آنها به دما بستگی دارد، از رنگ وابسته به دمای این بلورهای مایه در بعضی دماسنجها بهره برداری می‌شود.
مطالعه بلورها به دوران یونانیها و رومیها و مطالعات کوارتزهای گوناگون ، توسط ننوفراستو و پلینیو ، باز می‌گردد. در سده هفدهم نخستین تلاشها برای توصیف نظم ساختاری بلورها به عمل آمد. رابرت هوک اظهار داشت که مشکل کوارتز را با فرض این که کوارتز از آرایش تناوبی کره‌هایی تشکیل شده باشد، می‌توان توضیح داد. کریستیان هویگنس به منظور توصیف پدیده دو شکستی نور ، فرض کرد که کلسیت از آرایش تناوبی بیضیهای دوار تشکیل شده است. در سال 1784 ، ژنه ژوست هادی این فرض را مطح کرد که در بلورها مولکولها در گروههایی به شکل متوازی السطوح قرار گرفته‌اند. در آرایش فضایی این گروهها می‌تواند شکل بلوری ماکروسکوپیکی مشاهده شده را توضیح دهد.
در سال 1827 اوگوست کوشی معادله مربوط به کشسانی را بدست آورد و با این مطالعات و با استفاده از بیست و یک پارامتر توانست شرح دهد، چگونه جسم جامد تحت اثر کنش خارجی معلوم کرنش می‌کند. او به مطالعات خود ادامه داد و دریافت که برای توصیف بلورها با توجه به طبیعت شبکه‌ای آنها به پارامترهای کمتری نیاز است. پنج سال بعد توانست ارنست نویمن این نتیجه‌ها را برابر مطالعه برهمکنش میان نورد ماده بر اساس مکانیک بکار برد. او فرض کرد که نور از ذرات خردی درست شده است. دانشجوی وی والدر سار فوگست که بعدها استاد دانشگاه کوتینگتون شد، نخستین کسی بود که تمام اطلاعات و دستاوردهای مربوط به ارتباط میان خواص فیزیکی و ساختار بلورها را در تناوبی گرد آورد.
بلورشناسی نوین
در سال 1912 ، بلورشناسی نوین متولد یافت. در آن سال ماکس و گروهش تصویری از پراش پرتوهای ایکس توسط بلور 3ns بدست آوردند. این آزمایشها سرشت موجی پرتوهای ایکس را ، که ویلهم کنراد رونتگن در اواخر سده نوزدهم کشف کرده بود و همچنین آرایش تناوبی خوشه‌های اتمها را در دوران بلور به اثبات رساند. ویلیام لارش براک و پدرش ، ویلیام هنری براگ در همین زمینه به پژوهش پرداختند و معادله مشهور زیر را بدست آوردند:
2sinӨ = nλ
که در آن d فاضله میان صفحه‌ای خانواده معینی از صفحه‌های بلوری ، n که مرتبه بازتاب نامیده می شود، عدد طبیعی λ طول موج ایکس مورد استفاده و Ө زاویه فرود و زاویه بازتاب باریکه است. این معادله می‌گوید که کدام زاویه برای بازتاب با طول موج و خانواده صفحه‌های خاص مناسب است، بازتابهایی که از لحاظ هندسی مجازند در طبیعت یافت میشوند.
بلور شناسی با پرتو ایکس
اگر نمونه‌ای از تک بلور را با استفاده از پرتوهای سفید ایکس ، پرتوهایی که نه یک طول موج ، بلکه گستره‌ای از طول موجها را در بردارد مورد مطالعه قرار دهیم. نقش خون لاوه بدست می‌آید تحت این شرایط در معادله 2dsinӨ = nλ می‌تواند مقادیری زیاد داشته باشد. اما Ө زاویه‌ای میان پرتو فرودی و صفحه ، برای یک خانواده صفحات خاص مقداری ثابت است. معمولا طول موجی مانند λ وجود دارد که در معادله براگ صدق می‌کنند و بازتاب رخ می‌دهد.
اگر نمونه‌ای را با فیلم عکاسی یا آشکارسازی جدید دیگری احاطه کنیم. در نقاط مختلف روی فیلم لکه‌هایی بدست می آوردیم که به پرتوهای بازتابیده از خانواده‌های مختلف صفحات بلور مربوط میشوند. با پردازش این داده‌ها به طریق ریاضی به آنچه نقش پراشی را بوجود می‌آورد می‌توان پی برد. در نتیجه ، ساختار میکروسکوپی بلور را معین می‌کند، یعنی می‌توان فهمید شبکه بلوری این ساختار چگونه است و چه اتمهایی در تلاقی شبکه‌ای قرار دارند.
روش پودری
برای مطالعه بلور شناسی توسط اشعه ایکس روشهای استاندارد دیگری هم وجود دارند که در این میان روش پودر از همه رایجتر است. در روش پودر بجای تک بعدی از نمونه‌ای استفاده می‌شود که بصورت بلورهای کوچکی به ابعاد 1µm یا کمتر خرده شده است. در این روش باریکه تک فام از پرتوهای ایکس به نمونه تابیده می‌شود. و در این حال برای هر خانواده خاصی از صفحات تعداد زیادی بلورک با سمتگیری مناسب پیدا میشوند که بازتاب براگ فرودی است. اما تند چتری که هر تکه از پارچه آن با دسته چتر زاویه‌ای یکسان می‌سازند. باریکه‌های بازتابیده روی مخروطی قرار می‌گیرند که گشودگی آن دو برابر گشودگی مخروط قبلی است. زیرا باریکه بازتابیده نسبت به باریکه اولیه زاویه 2Ө می‌سازد و این در حالی است که زاویه بین صفحه و باریکی اولیه برابر Ө است.
اگر فیلم عکاسی را در راه باریکه خروجی قرار دهیم، از تلاقی مخروط اخیر با صفحه عکاسی یک دایره بدست می‌آید: فیلم عکاسی را معمولا به شکل نوار باریک دایره‌ای در می‌آوردند و آنرا روی صفحه‌ای که شامل باریکه خروجی است قرار می‌دهیم. فیلم را سوراخ می‌کنند تا باریکه بتواند به نمونه برسد. از تلاقی مخروطهای بازتابشی مربوط به صفحه‌های مختلف بلور فیلم نقش پراشی خطی بدست می‌آید.
بلور شناسی به روش پراش الکترون
در آغاز دهه 1990 روشهای جدیدی پیدا شدند که مشاهده مستقیم سطحهای بلورین را امکان می‌سازند. درک تغییرات ریخت شناسی که هنگام رویاندن بلور برای کاربردهای الکترونیک روی می‌دهند. با استفاده از پراش الکترون بجای پرتو ایکس و تحت زاویه‌ای کم از سطح بلورها حاصل شده است. با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی برای نخستین بار ، امکان مشاهده مستقیم ساختار شبکه‌ای بلورها از طریق مشاهده اتم منفرد فراهم شد .
دستگاههای بلورشاختی
در طبیعت شکل سلول اولیه در بلور کانیهای مختلف تفاوت دارد . به طور کلی شش نوع سلول اولیه در نتیجه شش نوع بلور کانی وجود دارد . هر یک از این شش نوع بلور متعلق به یک دستگاه بلور شناختی است . دستگاههای بلور شناختی عبارتند از (مکعبی ٬مربعی ٬راست لوزی ٬تک شیب ٬سه شیب ٬. شش وجهی .
در دستگاه مکعبی هر سه محور ( سه جهت فضایی ) یا هم مساوی و بر هم عمود هستند مانند بلورهای نمک طعام و سولفید آهن .
دستگاه مربعی
:فقط دو محور با هم مساوی هستند اما اندازه محور سوم با آنها یکی نیست . این سه محور نیز بر هم عمود هستند . در این دستگاه ساده ترین بلور به شکل منشور است که سطح قاعده آن مربع است مانند بلورهای اکسید قلع و اکسید تیتان .
دستگاه راست لوزی
:محورها نا مساوی اما بر یکدیگر عمود هستند . ساده ترین بلور در این دستگاه منشوری است که قاعده آن به شکل لوزی یا مستطیل است . مانند بلورهای گوگرد و کربنات کلسیم .
دستگاه تک شیب
:سه محور نابرابرند و دو تا از آنهابر هم عمودند مانند بلورهای میکا٬ تالک و گچ آبدار.
دستگاه سه شیب
:سه محور نابرابرند و هیچیک بر هم عمود نیستند . در بلور ساده سه شیب همه وجه ها متوازی الاضلاع هستند . مانند بلورهای گروهی از فلدسپاتها .
دستگاه شش وجهی
:چهار محور وجود دارد که طول سه محور آن برابر است . این سه محور در یک صفحه قرار دارندو با هم زاویه ١٢٠ درجه می سازند . محور چهارم عمود بر آنهاست مانند بلورهای کوارتز .
در هر یک از دستگاهها ٬ بلورها را بر اساس تقارن موجود در آنها به رده هایی تقسیم
می کنند . در شش دستگاه بلور شناختی ٣٢ رده بلوری تشخیص داده شده است .
هنگام تشکیل بلورها ٬ اگر فضا و زمان و شرایط مناسب وجود داشته باشد بلورهای درشتی بوجود می آیند . این بلورها را بصورت تک بلور می توان مشاهده و بررسی کرد و رده و دستگاه بلور شناختی آنها را مشخص کرد . اگر شرایط مناسب نباشد ٬ بلورها به اندازه های کوچکتر و بصورت مجموعه ها و توده های ریز تشکیل می شوند . گاهی بلورها به قدری ریزهستند که نمی توان آنها را با چشم دید و برای مطالعه آنهاازذره بین ٬
میکروسکوپهای نوری و الکترونی و اشعه ایکس استفاده می شود .
منابع :
بلور http://daneshnameh.roshd.ir
بلور http://www.ngdir.ir
انواع بلور http://aftab.ir
انواع بلور http://www.mibosearch.com
بلور http://fa.wikipedia.org
بلور شناسی http://forum.p30world.com
ساختار بلوری http://daneshnameh.roshd.ir
/الف
تبلور
هنگامی که دما یافشار تغییر می کند و یا تبخیر روی می دهد و شرایط مناسب تبلور ایجاد می شود ٬ اتمهای مواد به یکدیگر می پیوندند . این اتمها معمولا" در اطراف ذرات موجود در محیط جمع می شوند . این ذرات هسته تبلور نامیده می شوند . هسته تبلور از ذرات ناخالص یا بلورهای خرد شده یک ماده تشکیل می شود . گاهی نیز شماری از اتمهای ماده اصلی کنار هم قرار می گیرند و هسته تبلور را می سازند . اتمهای دیگر نیز به تدریج در اطراف این هسته جمع می شوند و با آرایشی منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند . کوچکترین واحد ساختاری منظم هر بلور را سلول اولیه آن بلور می نامند .
خواص بلورها
پدیده ناهمسانگردی سبب پیدایش خواصی در بلورها می‌شود که کاربردهای مختلف و مهمی در صنعت دارند. مثلا" اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر میشوند. اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می‌کند، به این پدیده پیزوالکتریک می‌گویند.
گرما در بعضی از بلورها الکتریسته ایجاد می‌کند و سبب می‌شود یک سوی آنها بار مثبت و سوی مقابل بار منفی بیابد. در نتیجه میان این دو سو اختلاف پتانسیل الکتریکی بوجود می‌آید. همچنین اگر به این بلور جریان الکتریکی متناوب وصل کنیم، بلورها به تناوب منبسط و منقبض میشوند و بر اثر ارتعاش ٬ صوت تولید می‌کنند. از این خاصیت برای تولید صوت ٬ ماورای صوت ٬ نوسانهای الکتریکی ٬ ساختن میکروفونهای بلوری و سوزن گرامافون استفاده می‌شود.
خواص نیم رسانایی
بعضی از بلورها مانند بلور عنصرهای ژرمانیم ٬ سیلیسیم و کربن خاصیت نیم رسانایی دارند و تا اندازه‌ای جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند. اگر بلورهای نیم رسانا را گرما دهیم و یا در مسیر تابش نور قرار دهیم٬ مقاومت الکتریکی آنها کم می‌شود و الکتریسیته را بهتر عبور می‌دهد. نیم رساناها در صنایع الکترونیک و مخابرات بصورت دیود و ترانزیستور و قطعه‌های دیگر الکترونیکی بکار می‌روند. دیود یا یکسو کننده از دو قطعه بلور نیمه رسانا ساخته می‌شود و برای یکسو کردن جریانهای متناوب بکار می‌رود. ترانزیستور از سه قطعه بلور نیم رسانا تشکیل می‌شود و برای تقویت جریانهای ضعیف و یکسو کردن جریان متناوب بکار می‌رود. دیودها و ترانزیستورها از قسمتهای اصلی گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیو و تلویزیون هستند.
پدیده دو شکستی
بعضی از بلورها نور را به دو دسته پرتو تقسیم می‌کنند، بر اثر این پدیده در کانیهای شفاف ٬ مانند کربنات کلسیم شکست مضاعف ایجاد می‌شود. اگر نوشته‌ای را زیر کربنات کلسیم قرار دهیم بصورت دو نوشته دیده می‌شود.
بعضی از بلورها خاصیت جذب انتخابی دارند. مانند بلور تورمالین که پرتوهای نور را به دو دسته تقسیم می‌کند. یک دسته آنها را جذب می‌کند و دسته دیگر را از خود عبور می‌دهد. از این خاصیت برای ساختن فیلمها و عدسیهای قطبنده (پلاریزان) و برای کاهش شدت نور چراغهای اتومبیل استفاده می‌شود. عدسیهای قطبنده را در ساختن ابزارهای نوری مانند میکروسکوپهای قطبنده (پلاریزان) را از ورقه نازک پولاروید (ورقه شفاف و نازک نیترات سلولز) می‌پوشانند.
خواص ساختاری
انواع بلور
▪ یونی :
این کریستالها ، کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس از یک اتم به اتم دیگر انتقال داده شده و نتیجه کریستالی است که از یونهای مثبت و منفی تشکیل گردیده است. مانند NaCl.
▪ کووالانت :
کریستالهایی هستند که در آنها الکترونهای والانس بطور یکسان بین اتمهای مجاور به اشتراک گذارده شده‌اند. مانند الماس.
▪ فلزی :
عناصر فلزی در حالت آزاد تشکیل کریستالهای فلزی می‌دهند که وجود تعداد زیادی الکترون آزاد در این کریستالها از مشخصات آنهاست.
▪ مولکولی :
گازهای نادر و مولکولهای تکمیل شده در حالت جامد بوسیله نیروهای ضعیفی بنام نیروهای واندوالسی بستگی پیدا می‌کنند.
ـ تبصره :
در اکثر کریستالها و بلورها ممکن است ۲ یا چند پیوند اشاره شده در بالا شرکت داشته باشند.
یک کریستال خوب از نظر اپتیکی ، کریستالی است که در داخل آن حباب ، یا رگه و ناخالصی خیلی خیلی کم باشد.
● انواع کریستالها بر حسب ساختار شبکه‌ای
برای قرار دادن نقاط در شبکه‌های فضایی بطوری که تمام نقاط شبکه درست توسط همان نقاط مجاورشان احاطه شده باشند، فقط چهارده طریق که در هفت دسته تقارنی تعریف میشوند، وجود دارد که به شبکه‌های براوه معروفند. این هفت دسته به نامهای تری کلینیک ، مونوکلینیک ، اورتورمبیک ، تتراگونال ، مکعبی ، تری گونال معروفند. اجزا تقارنی که در این هفت دسته وجود دارند، به ترتیب زیر هستند:
ـ محور چرخشی
ـ صفحات تقارن
ـ نقطه انعکاسی
ـ نقطه انعکاسی چرخشی.
▪ شبکه‌های کریستالی C.P
در این شبکه‌ها ، لایه‌ها طوری روی هم چیده میشوند که اگر لایه اول A و لایه دوم B باشد، لایه سوم ممکن است به یکی از دو صورت زیر قرار گیرد:
درست بالای لایه A که به نام AB ، AB ، AB نامیده میشوند. دارای ساختمان هگزاگونال است و به H.C.P مشهور است.
لایه سوم (C) در محل سومی چیده می‌شود که آن را به صورت ABC ، ABC ، … نشان می‌دهند که همان ساختمان مکعبی F.C.C است.
● انواع کریستالها از نقطه نظر اپتیکی
▪ کریستالهای ساده :
در این نوع کریستالها ضریب شکست ثابت بوده و دارای یک عدد معینی است
▪ کریستالهای دوشکستی :
کریستالهایی که برای یک پرتو تابش ، دو نوع شکست ایجاد می‌کنند، یعنی یک پرتو را به دو پرتو به نامهای (پرتو عادی و پرتو غیر عادی) تجزیه می‌کنند، کریستالهای دوشکستی نامیده میشوند.
ـ تبصره :
ضریب شکستهای ی (ضریب شکست پرتو عادی) و (ضریب شکست پرتو عادی) به این صورت به دست می‌آیند که یک امتداد در نظر می‌گیریم، یک بار پرتو عادی را در این امتداد می‌زنیم و یک با هم پرتو غیر عادی را در این امتداد می‌اندازیم و ضریب شکست آنها را اندازه می‌گیریم.
● انواع کریستال دوشکستی
▪ کریستال دوشکستی مثبت است، هر گاه
▪ کریستال دوشکستی منفی است هر گاه
▪ کربنات کلسیم (سنگ گچ یا ) یک کریستال دوشکستی منفی است و کوارتز هم نمونه‌ای از یک کریستال مثبت است.
ـ تبصره :
کریستالهای دو شکستی می‌توانند منبع تولید نور قطبی از نور غیر قطبی باشند (قطبش نور) که در زیر به نمونه‌هایی از آنها اشاره می‌شود.
● منشور نیکول :
▪ تیغه ربع موج یا چارک موج :
تیغه ربع موج از یک کریستال دو شکستی تشکیل شده است که می‌تواند قطبش خطی را به قطبش بیضوی یا دایروی تبدیل کند.
▪ تیغه نیم موج :
این تیغه نور ما را نسبت به یکی از محورهای عمود بر هم (E یا D) قرینه می‌کند.
● کاربرد کریستالها بطور کلی
ساختار بلوری
بلور ایده آل از تکرار بی پایان واحدهای ساختاری همانند در فضا بوجود می‌آید. در ساده‌ترین بلورها ، مانند مس ، نقره ، آهن و فلزات قلیایی ، این واحدهای ساختاری یک تک اتم است. در اکثر مواد واحد ساختاری شامل چندین اتم یا ملکول است. در بلورهای معدنی این تعداد تا حدود 100 و در بلورهای پروتئین به 10000 می‌رسد. ساختار تمام بلورها بر حسب شبکه‌ای که به هر نقطه آن گروهی از اتمها متصل هستند، توصیف می‌گردد، این گروه اتمها را پایه می‌گویند، پایه در فضا تکرار می‌شود تا ساختار بلور را تشکیل دهد.
ساختار بلوری غیر ایده آل
از نظر بلورنگاران کلاسیک ، بلور ایده‌آل از تکرار دوره‌ای واحدهای یکسان در فضا شکل می‌گیرد. ولی هیچ دلیل عمومی وجود ندارد که بلور ایده‌آل حالت مینیمم انرژی اتمها در صفر مطلق باشد. در طبیعت ساختارهای بسیاری وجود دارند که با آنکه منظم هستند، کاملا دوره نیستند. نظر ایده‌آل بلورنگاران لزوما یک قانون طبیعت نیست. بعضی از ساختارهای غیر دوره‌ای ممکن است فقط فرا پایدار باشند و طول عمر بسیار درازی داشته باشند.
انوع ساختار بلوری
انواع مختلف ساختارهای بلوری وجود دارند که چند مورد از ساختارهای بلوری ساده و مورد توجه همگانی عبارتند از:
• بلور مکعبی مرکز سطحی (fcc) :
در این حالت سلول یاخته بسیط ، لوزی رخ است. بردارهای انتقال بسیط نقطه شبکه واقع در مبدا را به نقاط شبکه واقع در مراکز وجوه وصل می‌کنند.
• بلور مکعبی مرکز حجمی (bcc) :
در این حالت یاخته بسیط لوزی رخی است که هر ضلع آن برابر است و زاویه بین اضلاع مجاور است.
• بلور کلرید سدیم Nacl :
در این حالت پایه شامل یک اتم Na و یک اتم Cl است که به اندازه نصف تعداد اصلی مکعب یکه از هم فاصله دارند.
• بلور کلرید سزیم CsCl :
در این حالت در هر یاخته بسیط یک مولکول وجود دارد. هر اتم در مرکز مکعبی متشکل از اتمهای نوع مخالف قرار دارد.
• ساختار بلوری تنگ پکیده شش گوش (hcp) :
در این ساختار مکانهای اتمی یک شبکه فضایی را بوجود نمی‌آورند. شبکه فضایی یک شش گوشی ساده است که به هر نقطه شبکه آن پایه‌ای با دو اتم یکسان مربوط می‌شود.
رشد بلور
بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده میشوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
دیدکلی
تاریخچه
روشهای رشد بلور
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده میشوند.
معایب رشد بلور در ظرف ذوب
در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.
روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.
ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصیها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.
ساختار الماسی :
در این حالت شبکه فضایی fcc است. این ساختار نتیجه پیوند کووالانسی راستایی است.
• ساختار مکعبی سولفید روی ZnS :
ساختار الماس را می‌توان بصورت دو ساختار fcc که نسبت به یکدیگر به اندازه یک چهارم قطر اصلی جابجا شده‌اند، در نظر گرفت. ساختار مکعبی سولفید روی از قرار دادن اتمهای Zn روی یک شبکه fcc و اتمهای S رویی شبکه fcc دیگر نتیجه می‌شود.
• ساختار شش گوشی سولفید روی (و ورلستاین):
اگر فقط اتمهای همسایه اول را در نظر بگیرید، نمی‌توان بین دو حالت ZnS مکعبی و شش گوشی فرق گذاشت. اما اگر همسایه‌های دوم را در نظر بگیریم می‌توان این دو حالت را از هم تمییز داد.
علت مطالعه ساختارهای بلوری
از آنجا که بیشترقطعات الکترونیکی مانند دیود ، ترانزیستور و ... از بلورها ساخته می‌شود. همچنین به دلیل گسترش روز افزون وسایل الکترونیکی و توجه بیش از حد به ساختن ریزتراشه‌های کامپیوتری با ابعاد بسیار کم ، توجه فوق العاده به سمت بلور شناسی و مطالعه ساختارهای بلوری شده است. و دانشمندان مختلف در سطح جهان مطالعات وسیعی را در این زمینه انجام می‌دهند، که از آن جمله می‌توان به فعالیتهای انجمن نانوتکنولوژی اشاره کرد.
ساختار بلوری جامدات
دید کلی
از لحاظ ترمودینامیکی پایدارترین الگوهای انباشتگی متعاق به گونه ای است که انرژی آزاد آن در دما و فشار مورد نظر حداقل باشد.ارزیابی انرژی آزاد معمولا مشکل است،اما تجزیه و تحلیل سهم های مر بوط بر حسب اندر کنشهای کولمبی بین یونهاکاملا ممکن می باشد.از آنجائیکه فاکتورهایی که یک ساختمان را بر دیگری مطلوب می کنند نهایتا بایکدیگر متعادل میشوند،بسیاری از جامدات بلوری در فرمهای متفاوت وجود دارندیا اصطلاحا پلی مورف می باشند.پلی مورفیسم خاصیتی از تمام جامدات و نه تنها تر کیبات یونی است.مثالی از این خاصیت ،وجود فازهای سفید وسیاه از فسفر عنصری و فازهای کلسیت و آرگونیت و از کربنات کلسیم است.
تقسیم بندی پیوند ها
1-پیوند کوالانسی:
زمانی این پیوند ایجاد می شود که اوربیتال لایه ظرفیت در اتم های غیر فلز به گونه ای هم پوشانی کنند که دانسیته الکترون بین اتم ها افزایش یابد (همپوشانی مثبت ) چون این اتم ها جاذبه مشابه یا یکسانی برای الکترونها دارند انتقال الکترون ازیک اتم به اتم دیگر صورت نمی گیرد بلکه الکترونها بین آنها به اشتراک گذاشته می شود . یک پیوند کوالانسی مشتمل بر یک جفت الکترون با اسپین های مخالف است و دو اتم در آن نیز سهیم هستند این نیرو در حقیقت نیروی نگهدارنده بین اتم ها در یک مولکول است.
2-پیوند یونی :
پیوند حاصل از نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی (کولمبی ) بین یک فلز و یک غیر فلز است. در پیوند های یونی خالص بین اتم ها اشتراک الکترون وجود ندارد مثلاً در واکنش بین سزیم وفلوئور یک الکترون از یک اتم سزیم به یک اتم فلوئور منتقل می شود و ذرات بارداری به نام یون تولید می شود.
3-پیوند اندروالس:
این پیوند را نیروی پراکندگی لندن می نامند و در مولکولهای فاقد دو قطبی دائمی موجب می شود به صورت مایع درآیند منشاء این نیرو حرکت الکترونها است از واپیچش ابر الکترونی مولکول دو قطبی لحظه ای به وجود می آید و در هر لحظه موقعیت قطبهای مثبت و منفی به دلیل حرکت الکترونها تغییر می کند.
در نتیجه مولکول در کل فاقد گشتاور دو قطبی است.نیروی لندن شامل جاذبه بین این دو قطبی های لحظه ای است. این نیرو در مولکولهای بزرگ و پیچیده ای که دارای ابر الکترونی بزرگی هستند و به راحتی قطبیده (پلاریزه )می شوند به سرعت افزایش می یابد نیروی اصلی افزایش می یابد نیروی اصلی در آرگون و تتراکلرید کربن جامد همین نیرو است.
4-پیوند فلزی:
این نوع پیوند شبکه های منظم از اتم هایی که کمبود الکترون دارند یا گروهی از اتم ها مانند فلز است و آلیاژها را در کنار یکدیگر نگه می دارند بارزترین خصوصیت این پیوند این است که الکترونهای پیوندی در تمام سطوح کریستال به طور نسبتاً سستی به اتم وابسته اند و آزادانه در سراسر بلور فلزی حرکت می کنند زیرا پتانسیل یونیزاسیون و الکترونگاتیوی فلزات بسیار کم است . یونهای مثبت فلزی نقاط شبکه ای ثابت را در بلور اشغال می کنند و ابر منفی الکترونهای آزاد بلور را به هم نگه می دارد .
تقسیم بندی بلور ها :
بهترین تقسیم بندی بلور ها بر حسب نوع ذرات تشکیل دهنده و نیروهای نگهدارنده آنهاست:
کوالانسی، یونی، و اندوالسی، فلزی
1-بلورهای کوالانسی ،(مشبک):
ذرات تشکیل دهنده این بلور اتم ها هستند که با شبکه ای از پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل هستند این مواد بسیار دیر گداز و سخت بوده و برای از بین بردن ساختار بلوری باید تعداد زیادی پیوند کوالانسی شکسته شود الماس که در آن اتم های کربن به وسیله پیوند های کوالانسی به یکدیگر متصل شده و ساختار سه یعدی به وجود می آورد. نمونه ای از این نوع بلورها است.شکل زیر یک نوع بلور کوالانسی را که مربوط به کوارتز (سیلسیم دیوکسید sio2</SUB )
بلورهای یونی:
عامل نگهدارنده یونهای مثبت و منفی در ساختار بلورها وجاذ به الکترواستاتیکی است و به دلیل قوی بودن این نیرو ها نقطه ذوب بالایی دارند سخت و شکننده اند در حالت مذاب یا محلول رسانای خوبی برای جریان الکتریسیته اند اما در حالت جامد یونها آزادی حرکت ندارند. و نارسانا هستند.شکل زیر بلور یونی فلورئوریت را نشان می دهد.
بلورهای مولکولی:
ذرات تشکیل دهنده این بلور ها مولکول هستند و قدرت نگهدارنده آنها به اندازه نیروهای الکترواستاتیکی در بلورهای یونی نیست و در نتیجه بلورهای مولکول نرم هستند و دمای ذوب پایین تر از300 دارند.
نیروهای پراکندگی لندن مولکول های غیر قطبی را در ساختار بلوری نگه می دارد و بلور مولکولهای قطبی نیروهای دو قطبی_ دو قطبی و همچنین نیروهای لندن وجود دارند و دمای ذوب این ترکیبات بیش تر از ترکیبات غیر قطبی با ساختمان یکسان است.
برخی از ترکیبات مولکولی مانند آب به مقدار ناچیز تفکیک شده و رسانای ضعیف جریان الکتریسیته هستند به طور کلی بلورهای مولکولی رسانای جریان الکتریسیته در حالت مذاب یا مایع نیستند.شکل زیر بلور مولکولی ،برف دانه آب را نشان می دهد.
بلورهای فلزی:
الکترونهای لایه ظرفیت اتم های فلز در ساختار بلور فلزی حرکت می کنند و بقیه اتم های فلز یعنی یون های مثبت در بلور موقعیت ثابتی دارند ابر منفی الکترون های در حال حرکت که دریای الکترون نامیده می شود اجزای بلور را به یکدیگر متصل می کنند این نیروی اتصال دهنده قوی به پیوند فلزی مشهور است دمای ذوب و چگالی اغلب فلزات بالا است و یون های مثبت تشکیل دهنده ساختار آنها آرایش فشرده دارند. برخلاف بلورهای یونی موقعیت بلورهای مثبت در بلورهای فلزی را می توان بدون از بین بردن بلور تغییر داد زیرا بار منفی الکترونها آزاد به طور یکنواختی پراکنده شده است به همین دلیل اغلب بلورهای فلزی چکش خوار (شکل پذیر) و مفتول پذیر (قابل تبدیل به سیم) هستند اغلب فلزات رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند.شکل زیر بلور فلزی روی را نشان می دهد.
انباشتگی کره ها
ساختمان اغلب جامدات برحسب انباشتگی کره هایی که نمایشگر یونها یا اتمها هستند قابل توضیح است. فلزات بویژه از این نقطه نظر بسیار ساده اند زیرا (برای فلزاتی نظیر سدیم و آهن)، تمام اتمها مساوی هستند. در بسیاری از موارد، اتمها آزادند تا حدی که هندسه آنها اجازه دهد به یکدیگر متراکم شوند، به همین دلیل گفته می شود که فلزات ساختار، انباشتگی نزدیک دارند، ساختمانهایی که دارای حداقل فضای زائد و حداکثر تعداد همسایه برای هر کره می باشند.
عدد کئوردیناسیون برای هر اتم عبارتست از تعداد نزدیکترین همسایه ای که در شبکه دارا می باشد. عدد کئودیناسیون معمولا برای فلزات بزرگ (8 تا 12) است، برای جامدات یونی متوسط (4 تا 8) و برای جامدات مولکولی پایین (1 تا 6) می باشد.
الف) انباشتگی نزدیک کره ها: ساختار انباشتگی نزدیک کره ها یکسان معمولا به صورت چیدن لایه های انباشته ـ نزدیک بر بالای یکدیگر می باشد. ساختمان توسط جای دادن هر کره در فرورفتگی میان دو کره مماسی، به طوری که یک مثلث را تشیل دهندشکل (1) شروع می شود. لایه اول با ادامه پیدا کردن این فرایند تشکیل می شود. لایه انباشته ـ نزدیک کامل شامل کره هایی است که هر یک در تماس با شش همسایه از نزدیکترین فاصله در صفحه می باشند لایه توسط قراردادن کره ها بر روی فرورفتگی های لایه اول تشکیل می شود.
سومین لایه در یکی از دو طریق ممکن تشکیل می شود که تمام ساختارهای و در دوبعد کاملا یکسان می باشند.
عدد کئوردیناسیون برای هر ساختار 12 می باشد. در یک ساختار، کره های لایه سوم مستقیما در بالای کره های لایه اول است. الگویABAB.... لایه ها شبکه ای با سل واحد شش گوشه ای می دهد و بنابراین انباشتگی ـ نزدیک ش گوشه ای یا hcp نامیده می شود.(شکل 3a ) درنوع دیگر، کره های لایه سوم در بالای شکاف های لایه اول قرار داده می شود. بنابراین دومی لایه نیمی از حفره های موجود در لایه اول را می پوشاند و لایه سوم در بالای حفره های غیر پوشیده باقیمانده قرار می گیرد. این آرایش منجر به الگویABCABC..... می شود و مطابق با شبکه ای است با سل واحد مکعبی مرکز وجه ـ پر که انباشتگی ـ نزدیک مکعبی(ccp) با ویژه تر، مکعبی مرکز وجه ـ پر(fcc) نامیده می شود.
ب ) حفره ها در ساختار های انباشته ـ نزدیک: یک مشخصه از هر ساختار انباشته ـ نزدیک که توسط مجموعه ای از کره های سخت ایجاد می شود، وجود دو نوع حفره هست. حفره به معنای فضای غیر اشغال شده می باشد. ( فضای ترسیم شده توسط حفرات در واقع خالی نیست زیرا دانسیته الکترونی همچنانکه مدل کره سخت پیشنهاد می کند پایان ندارد). نوع حفره ها و توزیع آنها اهیمت دارد، زیرا بسیاری از ساختمانها، شامل ساختارهای برخی از آلیاژها و بسیاری از ترکیبات یونی، به گونه ای هستند که در آنها اتمها با یونهای اضافی برخی از حفره ها را اشغال می کنند.
یک نوع از حفره ها، حفره هشت وجهی می باشد.(شکل4a) چنین حفره ای میان دو مثلث مسطح از کره ها که در لایه های مجاور به طور معکوس جهت یافته اند قرار می گیرد. اگرN اتم در کریستال وجود داشته باشد. حفره اکتاهدرال نیز وجود خواهد داشت.
یک حفره چهار وجهی ،T(شکل4b) توسط یک مثلث مسطح از کره های مماس که یک کره منفرد بر روی فرورفتگی میان آنها قرار می گیرد، تشکیل می شود. در کریستال محور چهار وجهی ممکن است به سمت بالا(T) و یا پایین(T) باشد. از هر نوع حفره چهار وجهی، Nتاوجود دارد.(مجموعا 2Nحفره چهار وجهی)
بلور مایع
بلور مایع (Liquid Crystals)
بلورهای مایع موادی هستند که خواص ساختاری و مکانیکی آنها چیزی بینابین خواص مایعات و بلورهاست. فهم و درک این حالت ماده برای دانشمندان قرن‌های نوزدهم و بیستم کار ساده‌ای نبوده است. در اوایل دهه 1970میلادی اولین دسته از مواد بلورهای مایع پایدار به صورت تجاری ساخته شدند و از آن در ساخت صفحه‌های Liquid Crystal Display استفاده شد.
نگاه اجمالی
فاز بلور مایعی جسم را گاهی (فروفاز) (به معنی فاز بینابینی) یا فاز فرومورنیک نیز می‌نامند. در بلورها ، اتمها یا مولکولها در شبکه‌های تناوبی منظم آرایش می‌یابند. بدین ترتیب در مقیاس میکروسکوپیکی ، بلورها نظم بسیار زیادی دارند. اگر مکان یک مولکول مشخص شود مکان مولکولهای دیگر را می‌توان با اطمینان فراوانی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد.
بلورها در مقابل در مایعات تقریبا آزادانه حرکت می‌کنند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم هستند. با این حال هنوز هم اندازه‌ای نظم کوتاه برد ناشی از دافعه کوتاه برد میان اتمها یا مولکولها در آنها دیده می‌شود. بطوری که اگر مکان یک اتم یا یک مولکول مشخص شود، مکان مولکولهای دیگر را می‌توان با اطمینان نسبتا زیادی حتی در فواصل دور هم تعیین کرد. از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایعات وجود ندارد مایعات در برابر تغییر شکل برشی مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تأثیر وزن یا نیروی دیگر به آزادی جریان پیدا می‌کنند.
تاریخچه کشف
بلورهای مایع در سال 1888 میلادی توسط Friedrich Reinitzer هنگام مطالعه و بررسی کلسترول در گیاهان کشف شد ولی نه تنها خود کاشف آن از ماهیت آنچه مشاهده کرده بود کاملا آگاه نبود بلکه تا همین دهه‌های اخیر به صورت یک پدیده جالب توجه به آن نگاه می‌شد.
ساختار بلور مایع
نظم ساختاری بلور مایع ، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است. تغییرات فاز بین فازهای جامد مایع و مایع ، از طریق گرما کردن در مورد بلورهای مایع توموتروپ و یا مخلوط کردن ماده دوم (در مورد بلورهای مایع لیوتروپ میسر می‌شود. بلورهای مایع ترموتروپ معمولا از مولکولهای آلی (کربن دار) تشکیل میشوند. این مولکولها یا خطی هستند و قسمت مرکزی شان سخت است و دنباله‌های انعطاف پذیر در یک سر و یا در دو سرشان دارند یا دایره‌ای هستند و قسمت مرکزی شان قرصی و سخت است. و 4 تا 8 دنباله انعطاف پذیر بطور شعاعی از آن خارج میشوند. بلورهای مایع ترموتروپ به دسته‌های زیر تقسم میشوند:
بلور مایع نیماتیک
بلور نیماتی معمولا از مولکولهای آلی میله‌ای شکل ساخته می‌شود. همانند مایعات ، این نوع بلورهای مایع فقط از لحاظ مولکولی دارای نظم کوتاه برد هستند. برخلاف مایعات در این محورهای بلند مولکولها همگی بطور متوسط هم سو هستند. از اینرو بلور نیماتیم را می‌توان بلور جهت دار دانست. این بلور مایع همانند مایع سلولی جریان پیدا می‌کند. اما از نظم بسیار بیشتری برخوردار است.
بلور مایع اسمکتیک
بلور مایع اسمکتیک هم از مولکولهای میله‌ای ساخته می‌شود، ولی نظم مولکولها در آن بصورت لایه و هم صفحه‌ای است. در هر لایه ، مولکول فوق نظم کوتاه برد مایع گونه دارند. بدین سان ، بلور مایع اسکمتیک را می‌توان تناوبی یا بلور بین در یک بعد و بی نظم یا مایعی در دو بعد دیگر داشت. بلور اسکمتیک مانند بلور سیستماتیک تحت تأثیر وزن جریان پیدا می‌کنند. بسته به اینکه میله‌ها در هر لایه مثلا بصورت مایل یا راست ایستاده باشند. با زیر دسته‌های متعددی از فاز اسکمتیک رو برو می‌شویم.
بلور مایع کوکستریک
بلور مایع کوکستریک شبیه نیماتیک است. اما بجای اینکه میله‌ها در همه جا یکسان باشد، در نقاط مختلف دست خوش تغییر جهت می‌شود که این امر در نهایت ساختاری مارپیچی پدید می‌آورد. اگر صفحاتی عمود بر محور مایع در نظر بگیریم در هر صفحه سمتگیری منظمی همانند فاز نیماتیک رو برو می‌شویم. جهت موضعی این سمت گیری در هر صفحه نسبت به صفحات مجاورتی کمی چرخیده است.
بلور مایع دیسکوتیک دیاستوئی
بلور مایع دیسکوتیک یاستونی از مولکولهای قرص شکل تشکیل شده است. مولکولها در ستونهایی مرتب میشوند که نسبتا شبیه به ستونهای میله یا مهره‌های تخته نرم هستند، در هر ستون فقط نظم کوتاه برد وجود دارد. اما ستونها بطور تناوبی در دو بعد مرتب میشوند و ترکیب آنها معمولا بصورت شبکه شش گوش است. بدین سان ، بلور مایع دیسکونیک در دو بعد منظم و در یک بعد بی نظم است.
اساس فیزیکی مایع تریوتروپ
در بلورهای مایع ترموتروپ ، گرم کردن ماده جامد منجر به فاز آی بلور مایع بیشتر می‌شود، منظور این است که بجای تبدیل مستقیم از فاز جامد به فاز مایع همسانگرد ، این مواد گرم شدن از یک یا چند فاز بلور مایع عبور می‌کنند.
بلور ------> نیماتیک ------> اسمکتیک ------> مایع همسانگرد
اساس فیزیکی مایع اسکمتیک
در تبدیل از بور به اسکمتیک ، جسم بسیار نرم می‌شود و تحت برش جریان پیدا می‌کند. اگر چه اغلب اگر گذارهای بین فازهای متمایز اجسام ناپیوسته‌اند. فاز اسمکتیک بطور پیوسته به فاز نیماتیک تبدیل می‌شود که آنرا گدازهای مرتبه دوم می‌گویند. نیماتیکها معمولا نسبت به فازهای اسمکتیک چسبندگی کمتری دارند. و اگر اقدامات خاص برای جهت دادن آنها صورت نگیرد، ظاهری کدر یا گل آلود دارند که این هم بخاطر حضور ناحیه‌های متعددی است که هر ک سمتگیری مولکولی خاص خود را دارد. این کدری به هنگام تبدیل بلور مایع اسمکتیک به مابع همسانگری ناگهان از بین می‌رود. به همین دلیل نقطه گذار نیماتیک - اسمکتیک را گاهی نقطه شفاف شدگی می‌نامند.
خواص برجسته بلور مایع
• در مایع‌ها اتمها و مولکول ها تقریبا آزادنه حرکت می‌کنند و روی یکدیگر می‌لغزند و در مقیاس میکروسکوپیکی بسیار نامنظم‌اند. اما به دلیل نیروی دافعه کوتاه برد میان اتمها یا مولکولهای مایع ، تا اندازه‌ای در مایع‌ها نظم کوتاه بردی دیده می‌شود.
• از آنجا که نظم مکانی دور برد در مایع‌ها وجود ندارد ، مایع‌ها در مقابل تغییر شکل برشی ، مقاومتی از خود نشان نمی‌دهند و تحت تاثیر وزن یا نیروهای دیگر به آزادی جریان می‌یابند.
• نظم ساختاری بلورهای مایع ، چیزی بینابین نظم ساختاری مایع و جامد است . شکل زیر تفاوت بین سه حالت مختلف جامد ، بلور مایع و مایع را نشان می‌دهد.
کاربرد بلور مایع
• به دلیل شکل میله‌ای مولکولهای تشکیل دهنده بلورهای مایع نیماتیک و اسمکتیک در برابر نور و میدانهای الکتریکی و مغناطیسی پاسخی ناهمسانگرد دارند، بدین سان می‌توان از میدان الکتریکی برای کنترل حتی از مولکولهای بلور مایع نیماتیک می‌گیرند استفاده کرد و این امر به نوبه خود میزان نور بازتابیده یا گذرنده را تغییر می‌دهد، استفاده از این اثر در صفحات نمایی بلور مایع که در ماشینهای حساب ، ساعت دیجیتالی و حتی تلویزیونهای مینیاتوری کاربرد دارد رایج است.
• ساختار مارپیچی مشخصه بلورهای مایع کوسترتیک به عنوان توری برای نور مرئی قابل استفاده است. ترکیبات کولسترتیک معمولا با رنگ روشن و براق دیده میشوند. چون میزان براق بودن آنها به دما بستگی دارد، از رنگ وابسته به دمای این بلورهای مایه در بعضی دماسنجها بهره برداری می‌شود.
بلور شناسی
مطالعه بلورها به دوران یونانیها و رومیها و مطالعات کوارتزهای گوناگون ، توسط ننوفراستو و پلینیو ، باز می‌گردد. در سده هفدهم نخستین تلاشها برای توصیف نظم ساختاری بلورها به عمل آمد. رابرت هوک اظهار داشت که مشکل کوارتز را با فرض این که کوارتز از آرایش تناوبی کره‌هایی تشکیل شده باشد، می‌توان توضیح داد. کریستیان هویگنس به منظور توصیف پدیده دو شکستی نور ، فرض کرد که کلسیت از آرایش تناوبی بیضیهای دوار تشکیل شده است. در سال 1784 ، ژنه ژوست هادی این فرض را مطح کرد که در بلورها مولکولها در گروههایی به شکل متوازی السطوح قرار گرفته‌اند. در آرایش فضایی این گروهها می‌تواند شکل بلوری ماکروسکوپیکی مشاهده شده را توضیح دهد.
در سال 1827 اوگوست کوشی معادله مربوط به کشسانی را بدست آورد و با این مطالعات و با استفاده از بیست و یک پارامتر توانست شرح دهد، چگونه جسم جامد تحت اثر کنش خارجی معلوم کرنش می‌کند. او به مطالعات خود ادامه داد و دریافت که برای توصیف بلورها با توجه به طبیعت شبکه‌ای آنها به پارامترهای کمتری نیاز است. پنج سال بعد توانست ارنست نویمن این نتیجه‌ها را برابر مطالعه برهمکنش میان نورد ماده بر اساس مکانیک بکار برد. او فرض کرد که نور از ذرات خردی درست شده است. دانشجوی وی والدر سار فوگست که بعدها استاد دانشگاه کوتینگتون شد، نخستین کسی بود که تمام اطلاعات و دستاوردهای مربوط به ارتباط میان خواص فیزیکی و ساختار بلورها را در تناوبی گرد آورد.
بلورشناسی نوین
در سال 1912 ، بلورشناسی نوین متولد یافت. در آن سال ماکس و گروهش تصویری از پراش پرتوهای ایکس توسط بلور 3ns بدست آوردند. این آزمایشها سرشت موجی پرتوهای ایکس را ، که ویلهم کنراد رونتگن در اواخر سده نوزدهم کشف کرده بود و همچنین آرایش تناوبی خوشه‌های اتمها را در دوران بلور به اثبات رساند. ویلیام لارش براک و پدرش ، ویلیام هنری براگ در همین زمینه به پژوهش پرداختند و معادله مشهور زیر را بدست آوردند:
2sinӨ = nλ
که در آن d فاضله میان صفحه‌ای خانواده معینی از صفحه‌های بلوری ، n که مرتبه بازتاب نامیده می شود، عدد طبیعی λ طول موج ایکس مورد استفاده و Ө زاویه فرود و زاویه بازتاب باریکه است. این معادله می‌گوید که کدام زاویه برای بازتاب با طول موج و خانواده صفحه‌های خاص مناسب است، بازتابهایی که از لحاظ هندسی مجازند در طبیعت یافت میشوند.
بلور شناسی با پرتو ایکس
اگر نمونه‌ای از تک بلور را با استفاده از پرتوهای سفید ایکس ، پرتوهایی که نه یک طول موج ، بلکه گستره‌ای از طول موجها را در بردارد مورد مطالعه قرار دهیم. نقش خون لاوه بدست می‌آید تحت این شرایط در معادله 2dsinӨ = nλ می‌تواند مقادیری زیاد داشته باشد. اما Ө زاویه‌ای میان پرتو فرودی و صفحه ، برای یک خانواده صفحات خاص مقداری ثابت است. معمولا طول موجی مانند λ وجود دارد که در معادله براگ صدق می‌کنند و بازتاب رخ می‌دهد.
اگر نمونه‌ای را با فیلم عکاسی یا آشکارسازی جدید دیگری احاطه کنیم. در نقاط مختلف روی فیلم لکه‌هایی بدست می آوردیم که به پرتوهای بازتابیده از خانواده‌های مختلف صفحات بلور مربوط میشوند. با پردازش این داده‌ها به طریق ریاضی به آنچه نقش پراشی را بوجود می‌آورد می‌توان پی برد. در نتیجه ، ساختار میکروسکوپی بلور را معین می‌کند، یعنی می‌توان فهمید شبکه بلوری این ساختار چگونه است و چه اتمهایی در تلاقی شبکه‌ای قرار دارند.
روش پودری
برای مطالعه بلور شناسی توسط اشعه ایکس روشهای استاندارد دیگری هم وجود دارند که در این میان روش پودر از همه رایجتر است. در روش پودر بجای تک بعدی از نمونه‌ای استفاده می‌شود که بصورت بلورهای کوچکی به ابعاد 1µm یا کمتر خرده شده است. در این روش باریکه تک فام از پرتوهای ایکس به نمونه تابیده می‌شود. و در این حال برای هر خانواده خاصی از صفحات تعداد زیادی بلورک با سمتگیری مناسب پیدا میشوند که بازتاب براگ فرودی است. اما تند چتری که هر تکه از پارچه آن با دسته چتر زاویه‌ای یکسان می‌سازند. باریکه‌های بازتابیده روی مخروطی قرار می‌گیرند که گشودگی آن دو برابر گشودگی مخروط قبلی است. زیرا باریکه بازتابیده نسبت به باریکه اولیه زاویه 2Ө می‌سازد و این در حالی است که زاویه بین صفحه و باریکی اولیه برابر Ө است.
اگر فیلم عکاسی را در راه باریکه خروجی قرار دهیم، از تلاقی مخروط اخیر با صفحه عکاسی یک دایره بدست می‌آید: فیلم عکاسی را معمولا به شکل نوار باریک دایره‌ای در می‌آوردند و آنرا روی صفحه‌ای که شامل باریکه خروجی است قرار می‌دهیم. فیلم را سوراخ می‌کنند تا باریکه بتواند به نمونه برسد. از تلاقی مخروطهای بازتابشی مربوط به صفحه‌های مختلف بلور فیلم نقش پراشی خطی بدست می‌آید.
بلور شناسی به روش پراش الکترون
در آغاز دهه 1990 روشهای جدیدی پیدا شدند که مشاهده مستقیم سطحهای بلورین را امکان می‌سازند. درک تغییرات ریخت شناسی که هنگام رویاندن بلور برای کاربردهای الکترونیک روی می‌دهند. با استفاده از پراش الکترون بجای پرتو ایکس و تحت زاویه‌ای کم از سطح بلورها حاصل شده است. با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی برای نخستین بار ، امکان مشاهده مستقیم ساختار شبکه‌ای بلورها از طریق مشاهده اتم منفرد فراهم شد .
دستگاههای بلورشاختی
در طبیعت شکل سلول اولیه در بلور کانیهای مختلف تفاوت دارد . به طور کلی شش نوع سلول اولیه در نتیجه شش نوع بلور کانی وجود دارد . هر یک از این شش نوع بلور متعلق به یک دستگاه بلور شناختی است . دستگاههای بلور شناختی عبارتند از (مکعبی ٬مربعی ٬راست لوزی ٬تک شیب ٬سه شیب ٬. شش وجهی .
در دستگاه مکعبی هر سه محور ( سه جهت فضایی ) یا هم مساوی و بر هم عمود هستند مانند بلورهای نمک طعام و سولفید آهن .
دستگاه مربعی
:فقط دو محور با هم مساوی هستند اما اندازه محور سوم با آنها یکی نیست . این سه محور نیز بر هم عمود هستند . در این دستگاه ساده ترین بلور به شکل منشور است که سطح قاعده آن مربع است مانند بلورهای اکسید قلع و اکسید تیتان .
دستگاه راست لوزی
:محورها نا مساوی اما بر یکدیگر عمود هستند . ساده ترین بلور در این دستگاه منشوری است که قاعده آن به شکل لوزی یا مستطیل است . مانند بلورهای گوگرد و کربنات کلسیم .
دستگاه تک شیب
:سه محور نابرابرند و دو تا از آنهابر هم عمودند مانند بلورهای میکا٬ تالک و گچ آبدار.
دستگاه سه شیب
:سه محور نابرابرند و هیچیک بر هم عمود نیستند . در بلور ساده سه شیب همه وجه ها متوازی الاضلاع هستند . مانند بلورهای گروهی از فلدسپاتها .
دستگاه شش وجهی
:چهار محور وجود دارد که طول سه محور آن برابر است . این سه محور در یک صفحه قرار دارندو با هم زاویه ١٢٠ درجه می سازند . محور چهارم عمود بر آنهاست مانند بلورهای کوارتز .
در هر یک از دستگاهها ٬ بلورها را بر اساس تقارن موجود در آنها به رده هایی تقسیم
می کنند . در شش دستگاه بلور شناختی ٣٢ رده بلوری تشخیص داده شده است .
هنگام تشکیل بلورها ٬ اگر فضا و زمان و شرایط مناسب وجود داشته باشد بلورهای درشتی بوجود می آیند . این بلورها را بصورت تک بلور می توان مشاهده و بررسی کرد و رده و دستگاه بلور شناختی آنها را مشخص کرد . اگر شرایط مناسب نباشد ٬ بلورها به اندازه های کوچکتر و بصورت مجموعه ها و توده های ریز تشکیل می شوند . گاهی بلورها به قدری ریزهستند که نمی توان آنها را با چشم دید و برای مطالعه آنهاازذره بین ٬
میکروسکوپهای نوری و الکترونی و اشعه ایکس استفاده می شود .
منابع :
بلور http://daneshnameh.roshd.ir
بلور http://www.ngdir.ir
انواع بلور http://aftab.ir
انواع بلور http://www.mibosearch.com
بلور http://fa.wikipedia.org
بلور شناسی http://forum.p30world.com
ساختار بلوری http://daneshnameh.roshd.ir
/الف
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}