مقدمه
با نگاه کردن به ساختار داخلی بلورها ، دانشمندان امروزه میدانند که بلورها به این دلیل همیشه شکلهای منظم و قابل شناسایی دارند که اتمهای داخل آنها همیشه به شکل الگوهای مشخصی که شبکه نام دارند در کنار یکدیگر قرار میگیرند. خواص یک بلور به شبکه آن بستگی دارد. به عنوان مثال الماس به این دلیل بسیار سخت است که اتمهای آن با پیوندهای بسیار قوی به هم متصل شدهاند و یک شبکه مستحکم را بوجود آوردهاند. دانشمندان شبکه بلورها را با استفاده از اشعه ایکس مطالعه میکنند. این مطالعات آشکار ساخته است که همه بلورها را میتوان فقط به هفت ساختار پایه طبقه بندی کرد، که با ساختار شبکه هر بلور تعیین میشود.
انواع شبکه در دو بعد
- شبکه مربعی(چگالی نقاط شبکه=۱)
- شبکه مستطیلی(چگالی نقاط شبکه=۱)
- شبکه شش گوشی(چگالی نقاط شبکه=۳)
- شبکه مستطیلی مرکز دار(چگالی نقاط شبکه=۲)
- شبکه مایل(هیچ شرطی برای a و b و زاویه فی وجود ندارد)
انواع شبکه ها در سه بعد
۱۴ شبکه در هفت دستگاه قرار می گیرند:
- دستگاه مکعبی که شامل سه دستگاه است:الف)مکعبی ساده P یا sc که دارای چگالی نقاط شبکه ۱ است ب)مکعبی مرکز دارI یا bcc که دارای چگالی ۲ است ج)مکعبی وجه مرکز دار دارای چگالی ۴ است.
- دستگاه تتراگونال دارای دو نوع P و I است.
- دستگاه راست گوشه(ارتورومبیک):دارای چهار نوع P و I و F و C می باشد.
- دستگاه تک میلی(Monoclinic):دارای دو نوع P و I است.
- دستگاه سه گوشی(Trigonal):فقط شامل نوع R است.
- دستگاه شش گوشی(hexagonal)
- دستگاه سه میلی(Triclinic)
تاریخچه
در پی کشف پراش اشعههای ایکس توسط رونتگن و انتشار یک رشته محاسبات و پیشبینیهای ساده و موفقیت آمیز در مورد ویژگیهای بلورین ، بررسی ساختارهای بلوری بصورت دقیقتر شروع گردید. ناظرهای اولیه با توجه به نظم شکل خارجی بلورها به این نتیجه رسیدند که بلورها از تکرار منظم سنگ بناهای همانند بوجود میآیند. زمانی که بلوری در شرایط محیطی ثابت رشد میکند، شکل آن در حین رشد تغییر نمیکند، گویی سنگ بناهای همانند بطور پیوسته به آن افزوده میشوند. این سنگ بناها ، اتمها یا گروههایی از اتمها هستند، که بلور یک آرایه متناوب سه بعدی از اتمهاست. این موضوع با این کشف کانی شناسان در قرن هیجدهم که اعداد شاخص جهتهای تمام وجوه بلور اعداد درستند، آشکار شد.
آزمایش ساده
یک لیوان معمولی برداشته و آن را از آب پر کنید. حال مقداری شکر در داخل لیوان ریخته و آن را با قاشق به هم بزنید، تا شکر کاملا در آب حل گردد. این عمل را تا جایی ادامه بدهید که دیگر شکر اضافه شده به آب لیوان در آن حل نشود و در لیوان ته نشین گردد. چنین محلولی را اصطلاحا محلول اشباع شده آب و شکر میگویند. حال یک دانه حبه قند را که قسمتی از آن شکسته شده است و بصورت مکعب کامل نمیباشد، انتخاب کنید.
حال حبه قند را بوسیله یک تکه نخ بسته و در داخل لیوان آویزان کنید. بعد از چند روز ملاحظه میکنید که قسمت شکسته شده حبه قند کاملا ترمیم یافته و حبه قند بصورت مکعب کامل در آمده است. این آزمایش نمونه بسیار ساده از رشد بلور است.
ساختار کلی
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.
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.
منبع:دانشنامه رشد و کتاب حالت جامد کیتل
