Halbleiterchemie, auch manchmal gekennzeichnet als Material-Chemie, ist die Studie der Synthese, Struktur und Eigenschaften von festen Phase-Materialien, besonders, aber nicht notwendigerweise exklusiv, nichtmolekulare Festkörper. Es hat deshalb ein starkes Übergreifen mit Halbleiterphysik, Mineralogie, Kristallographie, Keramik, Metallurgie, Thermodynamik, Material-Wissenschaft und Elektronik mit einem Fokus auf der Synthese von neuartigen Materialien und ihrer Charakterisierung.

Geschichte

Wegen seiner direkten Relevanz zu Produkten des Handels ist anorganische Chemie des festen Zustands durch die Technologie stark gesteuert worden. Der Fortschritt im Feld ist häufig durch die Anforderungen der Industrie gut vor der rein akademischen Wissbegierde angetrieben worden. Anwendungen entdeckt schließen im 20. Jahrhundert zeolite und Platin-basierte Katalysatoren für Erdöl ein, das in den 1950er Jahren, Silikon der hohen Reinheit als ein Kernbestandteil von mikroelektronischen Geräten in den 1960er Jahren, und "hohe" Temperatursupraleitfähigkeit in den 1980er Jahren in einer Prozession geht. Die Erfindung der Röntgenstrahl-Kristallographie am Anfang der 1900er Jahre durch William Lawrence Bragg hat weitere Neuerung ermöglicht. Unser Verstehen dessen, wie Reaktionen am Atomniveau im festen Zustand weitergehen, wurde beträchtlich durch die Arbeit von Carl Wagner an der Oxydationsrate-Theorie, Gegenverbreitung von Ionen und Defekt-Chemie vorgebracht. Wegen dessen ist er manchmal den Vater der Chemie des festen Zustands genannt geworden.

Synthetische Methoden

In Anbetracht der Ungleichheit von Zusammensetzungen des festen Zustands wird eine ebenso verschiedene Reihe von Methoden für ihre Vorbereitung verwendet. Für organische Materialien, wie Anklage-Übertragungssalze, bedienen die Methoden nahe Raumtemperatur und sind häufig den Techniken der organischen Synthese ähnlich. Reaktionen von Redox werden manchmal durch electrocrystallisation, wie illustriert, durch die Vorbereitung der Salze von Bechgaard von tetrathiafulvalene geführt.

Ofen-Techniken

Für thermisch robuste Materialien werden hohe Temperaturmethoden häufig verwendet. Zum Beispiel sind Hauptteil-Festkörper mit Bombenofen bereit, die Reaktionen erlauben, bis zu ca geführt zu werden. 1100 °C. Spezielle Ausrüstung z.B Öfen, die aus einer Tantal-Tube bestehen, durch die ein elektrischer Strom passiert wird, kann für noch höhere Temperaturen bis zu 2000 °C verwendet werden. Solche hohen Temperaturen sind zuweilen erforderlich, Verbreitung der Reaktionspartner zu veranlassen, aber das hängt stark vom studierten System ab. Einige Reaktionen des festen Zustands gehen bereits bei Temperaturen mindestens 100 °C weiter.

Schmelzen Sie Methoden

Eine häufig verwendete Methode ist zu schmelzen die Reaktionspartner zusammen und dann später, das konsolidierte auszuglühen, schmelzen. Wenn flüchtige Reaktionspartner beteiligt werden, werden die Reaktionspartner häufig in einer Ampulle gestellt, die - häufig ausgeleert, während man die Reaktionspartner-Mischungskälte z.B durch das Halten des Bodens der Ampulle im flüssigen Stickstoff behält - und dann gesiegelt wird. Die gesiegelte Ampulle wird dann in einem Ofen gestellt und eine bestimmte Wärmebehandlung gegeben.

Lösungsmethoden

Es ist möglich, Lösungsmittel zu verwenden, um Festkörper durch den Niederschlag oder durch die Eindampfung vorzubereiten. Zuweilen wird das Lösungsmittel hydrothermisch, d. h. unter dem Druck bei Temperaturen höher verwendet als der normale Siedepunkt. Eine Schwankung auf diesem Thema ist der Gebrauch von Fluss-Methoden, wo ein Salz des relativ niedrigen Schmelzpunkts zur Mischung hinzugefügt wird, um als ein hohes Temperaturlösungsmittel zu handeln, in dem die gewünschte Reaktion stattfinden kann.

Gasreaktionen

Viele Festkörper reagieren sogleich mit reaktiven Gasarten wie Chlor, Jod, Sauerstoff usw. Andere bilden Zusätze mit anderem Benzin z.B. CO oder Äthylen. Solche Reaktionen werden häufig in einer Tube ausgeführt, die beendet an beiden Seiten offen ist, und durch den das Benzin passiert wird. Eine Schwankung davon soll die Reaktion innerhalb eines Messgeräts wie ein TGA stattfinden lassen. In diesem Fall kann stochiometrische Information während der Reaktion erhalten werden, die hilft, die Produkte zu identifizieren.

Ein spezieller Fall einer Gasreaktion ist eine chemische Transportreaktion. Diese werden häufig in einer gesiegelten Ampulle zu mit einem kleinen Betrag von Transportagenten ausgeführt, z.B wird Jod hinzugefügt. Die Ampulle wird dann in einen Zonenofen gelegt. Das ist im Wesentlichen zwei Tube-Öfen, die einander beigefügt sind, der einem Temperaturanstieg erlaubt, auferlegt zu werden. Solch eine Methode kann verwendet werden, um das Produkt in der Form von Monokristallen zu erhalten, die für den Struktur-Entschluss durch die Röntgenstrahl-Beugung passend sind.

Chemische Dampf-Absetzung ist eine hohe Temperaturmethode, die für die Vorbereitung von Überzügen und Halbleitern von molekularen Vorgängern weit verwendet wird.

Luft und Feuchtigkeit empfindliche Materialien

Viele Festkörper sind hygroskopisch und/oder empfindlicher Sauerstoff. Viele Halogenide haben z.B viel 'Durst' und können nur in ihrer wasserfreien Form studiert werden, wenn sie in einer Handschuhschachtel behandelt werden, die mit dem trockenen gefüllt ist (und/oder ohne Sauerstoff ist) Benzin, gewöhnlich Stickstoff.

Charakterisierung

Neue Phasen, Phase-Diagramme, Strukturen

Die synthetische Methodik und die Charakterisierung des Produktes gehen häufig Hand in der Hand im Sinn, die nicht ein, aber eine Reihe von Reaktionsmischungen bereit und der Wärmebehandlung unterworfen sind. Die Stöchiometrie wird normalerweise auf eine systematische Weise geändert zu finden, welcher stoichiometries zu neuen festen Zusammensetzungen oder zu festen Lösungen zwischen bekannten führen wird. Eine Hauptmethode, die Reaktionsprodukte zu charakterisieren, ist Puder-Beugung, weil viele Reaktionen des festen Zustands polycristalline Barren oder Puder erzeugen werden. Puder-Beugung wird die Identifizierung von bekannten erleichtern führt die Mischung stufenweise ein. Wenn ein Muster gefunden wird, dass das in den Beugungsdatenbibliotheken nicht bekannt ist, kann ein Versuch gemacht werden, das Muster mit einem Inhaltsverzeichnis zu versehen, d. h. die Symmetrie und die Größe der Einheitszelle zu identifizieren. (Wenn das Produkt nicht kristallen ist, ist die Charakterisierung normalerweise viel schwieriger.)

Sobald die Einheitszelle einer neuen Phase bekannt ist, soll der nächste Schritt die Stöchiometrie der Phase gründen. Das kann auf mehrere Weisen getan werden. Manchmal wird die Zusammensetzung der ursprünglichen Mischung einen Hinweis geben, wenn man nur ein Produkt-a einzelnes Puder-Muster findet - oder wenn man versuchte, eine Phase einer bestimmten Zusammensetzung analog zu bekannten Materialien zu machen, aber das ist selten.

Häufig ist die beträchtliche Anstrengung in der Raffinierung der synthetischen Methodik erforderlich, eine reine Probe des neuen Materials zu erhalten.

Wenn es möglich ist, das Produkt vom Rest der Reaktionsmischung zu trennen, kann elementare Analyse verwendet werden. Ein anderer Wege schließt SEM und die Generation von charakteristischen Röntgenstrahlen im Elektronbalken ein. Die leichteste Weise, die Struktur zu lösen, ist durch das Verwenden der Monokristall-Röntgenstrahl-Beugung.

Der Letztere verlangt häufig wieder zu besuchen, und Raffinierung der Vorbereitungsverfahren, und das wird mit der Frage verbunden, welche Phasen woran Zusammensetzung und was Stöchiometrie stabil sind. Mit anderen Worten, was das Phase-Diagramm tut, ist ähnlich. Ein wichtiges Werkzeug im Herstellen davon ist Thermalanalyse-Techniken wie DSC oder DTA und zunehmend auch, dank des Advents von Synchrotrons temperaturabhängige Macht-Beugung. Vergrößerte Kenntnisse der Phasenverhältnisse führen häufig zu weiterer Verbesserung in synthetischen Verfahren auf eine wiederholende Weise. Neue Phasen werden so durch ihre Schmelzpunkte und ihre stochiometrischen Gebiete charakterisiert. Der Letztere ist für die vielen Festkörper wichtig, die nichtstochiometrische Zusammensetzungen sind. Die bei XRD erhaltenen Zellrahmen sind besonders nützlich, um die Gleichartigkeitsreihen der Letzteren zu charakterisieren.

Weitere Charakterisierung

In vielen - aber sicher nicht Vollfälle werden neue feste Zusammensetzungen weiter durch eine Vielfalt von Techniken charakterisiert, die auf der feinen Linie rittlings sitzen, die (kaum) Halbleiterchemie von der Halbleiterphysik trennt.

Optische Eigenschaften

Für nichtmetallische Materialien ist es häufig möglich, UV/VIS Spektren zu erhalten. Im Fall von Halbleitern, die eine Idee von der Band-Lücke geben werden.

Elektrische Eigenschaften

Vier-Punkte-(oder fünf-Punkte-) werden Untersuchungsmethoden häufig entweder auf Barren, Kristalle oder auf gepresste Kügelchen angewandt, um spezifischen Widerstand und die Größe der Saal-Wirkung zu messen. Das gibt Information darüber, ob die Zusammensetzung ein Isolator, Halbleiter, Halbmetall oder Metall und auf den Typ des Dopings und der Beweglichkeit in den delocalized Bändern (wenn anwesend) ist. So wird wichtige Information auf dem chemischen Abbinden im Material erhalten.

Magnetische Eigenschaften

Magnetische Empfänglichkeit kann als Funktion der Temperatur gemessen werden zu gründen, ob das Material ein Para-, eisen - oder antiferro-Magnet ist. Wieder gehört die erhaltene Information dem Abbinden im Material. Das ist für Übergang-Metallzusammensetzungen besonders wichtig. Im Fall von der magnetischen Ordnung kann Neutronbeugung verwendet werden, um die magnetische Struktur zu bestimmen.

Bibliografie

Links

• 3.091, Einführung in die Chemie des Festen Zustands