План занятий курса “ХТТ” - Кафедра химии твёрдого тела НГУ

ПЛАНЫ ЗАНЯТИЙ
по курсу
«Химия твердого тела»
2015
2
Даты лекций
Лекции
Семинары на той же
неделе
01.09.2015
Специфика химии
твердого состояния как
раздела химической
науки.
02.09.2015
Основные принципы
описания строения
твёрдых веществ.
Общие отличия
строения твердых
веществ от строения
газов и жидкостей.
Кристаллические и
некристаллические
твёрдые вещества.
Симметрия
кристаллических
структур.
Трансляционная
симметрия. Точечные и
пространственные
группы симметрии.
Кристаллографический
класс. Кристаллическая
система. Решётки Бравэ.
Выбор и типы
элементарных ячеек.
Симметрия
кристаллических
структур.
Понятия
элементарной ячейки и
кристаллографических
координат.
Поиск
элементов
симметрии на моделях
структур,
их
обозначения. Матричные
представления операций
симметрии.
Преобразования
координат симметрийно
связанных точек.
09.09.2015
Общее представление о
взаимосвязи между
строением кристаллов и
типами химических
связей в них.
Молекулярные
кристаллы. Водородные
связи. Ван дер
ваальсовы
взаимодействия.
Описание
кристаллических и
некристаллических
структур в
координационных
полиэдрах. Описание
кристаллических и
некристаллических
структур через плотные
и плотнейшие упаковки.
Размеры атомов или
ионов.
Координационные
числа. Многогранники
Вороного-Дирихле.
Моно- и поликомпонентные
кристаллы. Твёрдые
растворы.
Влияние температуры и
давления на
кристаллические
структуры элементов и
соединений.
15.09.2015
16.09.2015
Международные
кристаллографические
таблицы.
Операторы симметрии.
Сочетание
операций
симметрии
друг
с
другом.
Точечные
группы
симметрии.
Номенклатура.
Пространственные
группы
симметрии.
Номенклатура.
Изменение
названия
ромбической ПГС при
смене
системы
координат. Знакомство с
Интернациональными
таблицами. Правильная
система точек. Кратность
общих
и
частных
позиций.
Симметрия
позиции и симметрия
молекулы.
Определение сингонии,
операторов и символа
ПГС
из
проекции
элементов симметрии и
правильной
системы
точек.
Использование
Международных таблиц
по
кристаллографии.
Работа с Базами данных.
CIF.
Домашние задания к
семинарам и
лекциям
Перед первым
семинаром и второй
лекцией на свои
компьютеры
поставить Mercury –
бесплатную версию,
которая размещена на
нашем сайте в
разделе Учебные
материалы, 2015/2016
год, 3 курс, ХТТ.
Оттуда же взять
набор CIF для
работы.
На лекцию, начиная
со второй, приходить
с распечаткой
презентации этой
лекции (htt.fen.nsu,
раздел Учебные
материалы, 2015/2016
год, 3 курс, ХТТ) или
с самой лекцией на
ноутбуке.
Домашние задания к
семинарам
составляются
семинаристами. По
результатам
тестирования на
семинаре набираются
баллы (до 200 баллов
за семестр, см.
правила прохождения
контрольных точек
по системе ИКИ).
Самостоятельная работа
Изучение презентаций лекций
по симметрии структур за
предыдущие годы. Изучение
пособия Симметрия
кристаллов (выложено).
Изучение рекомендованной
литературы, тренировка с
моделями структур и
Международными таблицами
на кафедре.
Выполнение домашних
заданий к каждому семинару.
Повторение каждой лекции
перед следующей лекцией и
семинаром.
3
23.09.2015
(Матвиенко)
29.09.2015
30.09.2015
07.10.15
(Матвиенко)
Представление
структурных данных в
современной
химической литературе.
Базы структурных
данных и их
использование.
Совершенные и
несовершенные
кристаллы. Типы
дефектов. Структурные
и электронные дефекты.
Точечные дефекты.
Собственные точечные
дефекты. Дефекты по
Шоттки и Френкелю.
Примесные точечные
дефекты. Нейтральные
и заряженные точечные
дефекты. Изовалентное
и гетеровалентное
замещение.
Обозначения точечных
дефектов по КрёгеруВинку.
Нестехиометричные
соединения.
Взаимосвязь
концентрации примесей
и собственных
точечных дефектов.
Квазихимическая
модель описания
равновесия точечных
дефектов.
Термодинамические
причины образования
точечных дефектов.
Равновесные и
неравновесные
концентрации. Закалка.
Отжиг. Методы
создания
неравновесных
концентраций точечных
дефектов: закалка,
механическое и
радиационное
воздействие.
Взаимодействие
точечных дефектов.
Ассоциаты дефектов.
Сверхструктуры.
Центры окраски
Дислокации и
дисклинации в
кристаллах. Основные
виды дислокаций.
Вектор и контур
Бюргерса. Причины
возникновения
дислокаций. Энергия
дислокации. Плоскость
скольжения. Связь
возможных типов
дислокаций с
кристаллической
структурой. Основные
виды движения
дислокаций. Влияние
температуры на
движение дислокаций.
Влияние механического
воздействия.
Взаимодействие
дислокаций друг с
другом и с точечными
Контрольная работа 1
Точечные дефекты в
кристаллах.
Основные
виды. Беспорядок по
Френкелю и Шоттки.
Обозначения дефектов по
Крегеру
и
Винку.
Квазихимический
подход.
Равновесная
концентрация тепловых
точечных дефектов.
Дефекты
нестехиометрии.
Варианты
нестехиометрии (на
примере оксидов
металлов). Зависимость
концентрации дефектов
от давления кислорода.
Влияние примесных
атомов на образование
дефектов в
4
13.10.15
(Матвиенко)
дефектами. Влияние
точечных дефектов на
концентрацию и
подвижность
дислокаций. Влияние
дислокаций на
концентрацию,
пространственное
распределение и
подвижность точечных
дефектов. Влияние
дислокаций на
механические свойства
кристаллов.
Механические свойства
кристаллов с разными
типами химической
связи. Влияние
концентрации
дислокаций на
механические свойства.
Наклеп. Хрупкость,
твёрдость,
пластичность,
твёрдость.
Механические свойства
композитных
материалов.
Двумерные дефекты.
Структуры
кристаллографического
сдвига. Дефекты
упаковки.
Наноструктурирование
и доменизация.
Двойникование.
Границы блоков и
антифазные домены
(границы).
Малоугловые и
большеугловые
границы. Нейтральные
и заряженные
протяженные дефекты.
Зарождение и
распространение
трещин.
Гетерогенные
включения. Влияние на
механические свойства.
Подвижность точечных
дефектов. Диффузия и
самодиффузия в
твердых телах.
Основные механизмы
самодиффузии.
Коэффициент
диффузии, энергия
активации диффузии.
Диффузия,
обусловленная
градиентом
концентраций, законы
Фика. Диффузия
точечных дефектов в
электрическом поле.
Уравнение НернстаЭйнштейна. Ионная
проводимость.
Подвижность, числа
переноса.
Температурная
зависимость ионной
проводимости.
Собственная и
примесная
проводимость.
Суперионные
проводники (твердые
стехиометрических и
нестехиометрических
кристаллах. Диффузия в
кристаллах. Механизмы
диффузии. Коэффициент
диффузии. Энергия
активации диффузии.
Хаотическая диффузия.
Направленная диффузия.
Ионная
проводимость.
Методы
измерения.
Параметры,
которые
можно
получить
из
зависимости
ионной
проводимости
от
температуры.
Влияние
примесей на ионную
проводимость. Эффект
Коха-Вагнера.
Электронное строение
твердых веществ.
Электронное строение
нестехиометрических
соединений.
5
электролиты).
Диффузия в поле
механических
напряжений. Эффект
Горского. Роль
дислокаций.
14.10.15
21.10.15
Защита Капустина
(Дребущак)
27.10.15
Зонная структура
кристаллов.
Образование зон в
результате
перекрывания
орбиталей. Уровень
Ферми. Химический
потенциал.
Заселенность зон, ее
влияние на
электрофизические
свойства кристаллов.
Валентная зона,
запрещенная зона, зона
проводимости. Металлы
и диэлектрики.
Собственные и
примесные
полупроводники.
Электронная и
дырочная
проводимость.
Поверхность как дефект
строения твердого тела.
Поверхностная энергия
кристалла. Энергии
разных граней.
Равновесный и
неравновесный габитус.
Методы управления
формой кристаллов.
Искажение структуры и
электронного строения
в приповерхностных
слоях. Реальное
строение поверхности –
дефекты поверхности,
поверхностные
соединения.
Поверхностная
диффузия.
Гетерогенные
включения. Влияние на
электронные свойства.
Строение границы
раздела фаз. Методы
изучения строения
границы раздела.
Методы
экспериментального
исследования твердых
веществ.
Методы термического
анализа и калориметрии
для характеристики
твердых веществ,
материалов и
превращений с
участием твёрдых
веществ.
Характеристика
образцов и
исследование
процессов. Общий
обзор методов.
Дифракция
рентгеновских лучей,
нейтронов, электронов,
синхротронного
излучения. Основные
понятия.
Контрольная работа 2
Дифракция
рентгеновского
излучения кристаллами.
Условия Лауэ. Уравнение
Вульфа-Брэггa.
Геометрия
кристаллической
решетки и обратного
пространства. Методы
рентгеновской
дифракции. Вывод
6
Основные задачи,
которые возможно
решать при помощи
дифракционных
методов, и
соответствующие им
варианты методов
(общий обзор).
28.10.15
04.11.15
Модулированные фазы,
квазикристаллы,
некристаллическое
состояние вещества,
жидкие кристаллы
ВЫХОДНОЙ?
10.11.15
Микроскопия для
характеристики твердых
веществ, материалов и
превращений с
участием твёрдых
веществ.
11.11.15
17.11.15
24.11.15
25.11.15
Взаимосвязь «структура
– свойства». Понятие
«материал». Свойства,
на которые влияют:
внутренняя объемная
структура, дефекты,
поверхность, размер и
форма частиц,
мезоструктура.
Композиты и их
свойства.
Методы и
закономерности
кристаллизации
твёрдых веществ.
Методы и
закономерности
получения
квазикристаллов,
аморфных,
наноструктурированных
и наноразмерных
образцов. Методы
получения пленок,
композитов, материалов
«ядро-оболочка»
Фазовые переходы в
твердых веществах.
Стабильные и
метастабильные фазы.
Представление фазовых
квадратичных форм для
любой сингонии.
Структурная амплитуда.
Вывод правил погасания
для центрированных
ячеек, для винтовых
осей, для плоскостей
скользящего отражения.
По семинарам тоже
выходной ????
Если нет, то появляется
дополнительное время.
Можно начать раньше
рентгеновскую
дифракцию и добавить
после термического
анализа и КР3 семинар
по взаимосвязи
«структура-свойство»
Метод порошка.
Определение числа и
индексов рефлексов на
порошкограмме
кубических веществ.
Факторы повторяемости
для дифракционных
отражений на
порошковых
рентгенограммах для
кристаллов различных
сингоний. Факторы,
определяющие
интенсивность рефлексов
на дифрактограмме.
Качественный и
количественный
рентгенофазовый анализ.
Использование базы
данных порошковой
дифракции.
Анализ размера областей
когерентного рассеяния.
Изменения симметрии и
дифракционных картин
при фазовых переходах
различного рода.
Определение
рентгеновской
плотности.
Методы термического
анализа и калориметрии.
Оценка температур и
теплот плавления и
фазовых переходов.
Оценка кристалличности
и монофазности образца.
7
02.12.15
08.12.15
09.12.15
16.12.15
переходов на
диаграммах состояния.
Структурные изменения
при фазовых переходах.
Изменения структуры
при изменении
температуры и
давления. Механизмы
фазовых переходов.
Кинетика фазовых
переходов.
Мартенситные
превращения. Переходы
типа порядокбеспорядок.
Некристаллическое
состояние и фазовые
переходы в стеклах.
Химические реакции
твердых веществ.
Основные типы
реакций. Основные
особенности реакций с
участием твёрдых
веществ. Гомогенные и
гетерогенные
превращения.
Локализация и
автолокализация
процессов. Формальнокинетическое описание.
Механизмы реакций с
участием твёрдых
веществ, факторы,
влияющие на
реакционную
способность, способы
управления
реакционной
способностью.
Механохимические
реакции.
Термо- и
фотомеханические
эффекты.
22.12.15
Химия твёрдого тела,
новые материалы,
новые технологии.
23.12.15
Химия твёрдого тела и
биотехнологии твёрдых
субстратов
30.12.15
Контрольная работа 3
Механизмы реакций с
участием твёрдых
веществ, управление
реакциями с участием
твёрдых веществ.
Диффузия и химические
реакции. Роль диффузии
и точечных дефектов при
реакциях твёрдое + газ.
Механизмы реакций с
участием твёрдых
веществ, управление
реакциями с участием
твёрдых веществ.
Реакции твердое +
твердое. Реакции
термическогоразложения.
Кинетика реакций с
участием твёрдых
веществ
ЗАЧЁТНАЯ НЕДЕЛЯ, КОЛЛОКВИУМ, КОНФЕРЕНЦИЯ