Katı hâl kimyası

Katı hâl kimyası, bazen malzeme kimyası olarak da adlandırılır, katı faz malzemelerinin, özellikle, ancak sadece moleküler olmayan katıların sentezi, yapısı ve özelliklerinin incelenmesidir. Bu nedenle, katı hal fiziği, mineraloji, kristalografi, seramik, metalurji, termodinamik, malzeme bilimi ve elektronik ile yeni malzemelerin sentezine ve karakterizasyonuna odaklanan güçlü bir örtüşmeye sahiptir. Katılar, ana partiküllerinin düzenlenmesinde mevcut olan düzenin doğasına göre kristal veya amorf olarak sınıflandırmak mümkündür.[1]

Geçmişi

Elektronik cihazlarda kullanım için silikon katman

Ticari ürünler ile doğrudan ilgisi nedeniyle, katı hal kimyası büyük ölçüde teknoloji tarafından yönlendirilmektedir. Alandaki ilerleme, bazen akademi ile işbirliği içinde olmak üzere, genellikle endüstrinin talepleriyle sağlanmaktadır.[2] 20. yüzyılda keşfedilen uygulamalar arasında 1950'lerde petrol işleme için zeolit ve platin bazlı katalizörler, 1960'larda mikroelektronik cihazların temel bileşeni olarak yüksek saflıkta silikon ve 1980'lerde "yüksek sıcaklık" süper iletkenliği bulunmaktadır. William Lawrence Bragg tarafından 1900'lerin başında X-ışını kristalografisinin icadı, kolaylaştırıcı bir yenilikti. Katı haldeki reaksiyonların atomik seviyede nasıl ilerlediğine dair anlayışımız, Carl Wagner'in oksidasyon hızı teorisi, iyonların karşı difüzyonu ve kusurlu kimya üzerine çalışmasıyla önemli ölçüde ilerlemiştir. Katkılarından dolayı, bazen katı hal kimyasının babası olarak anılır.[3]

Sentetik yöntemler

Katı hal bileşiklerinin çeşitliliği göz önüne alındığında, bunların hazırlanmasında çeşitli yöntemler kullanılır.[1][4]

Fırınlama teknikleri

Termal olarak dayanıklı malzemeler için, genellikle yüksek sıcaklık yöntemleri kullanılır. Örneğin dökme katı maddeler boru fırınlar kullanılarak hazırlanır. Bunun sebebi fırınların reaksiyonların 1100 santigrat dereceye kadar yüksek sıcaklıklarda yapılabilmesine imkan tanımasıdır.[5] Özel ekipman, örneğin içinden elektrik akımının geçtiği tantal tüpten oluşan fırınlar 2000 dereceye kadar daha yüksek sıcaklıklar için kullanılabilir. Bu tür yüksek sıcaklıklar zaman zaman reaktanların difüzyonunu indüklemek için gereklidir.

Alüminyum klorür sentezi sırasında kullanılan tüp fırın

Eritme yöntemleri

Sıklıkla kullanılan bir yöntem, reaksiyona giren maddeleri birlikte eritmek ve daha sonra katılaşmış eriyiği tavlamaktır. Uçucu reaktanlar söz konusuysa, reaktanlar genellikle karışımdan boşaltılan bir ampule konur.

Çözüm yöntemleri

Katıları çökeltme veya buharlaştırma yoluyla hazırlamak için çözücüler kullanmak mümkündür. Bazen çözücü, normal kaynama noktasından daha yüksek sıcaklıklarda basınç altında olan bir hidrotermal olarak kullanılır. Bu konudaki bir varyasyon, istenen reaksiyonun gerçekleşebileceği yüksek sıcaklıkta bir çözücü olarak görev yapmak için karışıma nispeten düşük erime noktalı bir tuzun eklendiği akı yöntemlerinin kullanılmasıdır.

Gaz reaksiyonları

Kimyasal buhar biriktirme reaksiyon odası

Birçok katı, klor, iyot, oksijen gibi reaktif gaz türleriyle şiddetli bir şekilde reaksiyona girer. Diğerleri diğer gazlarla eklenti oluşturur, örn. CO veya etilen. Bu tür reaksiyonlar genellikle her iki tarafı da açık uçlu olan ve içinden gazın geçtiği bir tüp içinde gerçekleştirilir. Bunun bir varyasyonu, reaksiyonun TGA gibi bir ölçüm cihazında gerçekleşmesine izin vermektir. Bu durumda, ürünlerin tanımlanmasına yardımcı olan stokiyometrik bilgiler reaksiyon sırasında elde edilebilir.

Kimyasal taşıma reaksiyonları, malzemelerin kristallerini saflaştırmak ve büyütmek için kullanılır. İşlem genellikle kapalı bir ampul içinde gerçekleştirilir. Taşıma işlemi, göç eden (taşıma) uçucu bir ara tür oluşturan, örneğin iyot gibi bir taşıma ajanının az miktarda eklenmesini gerektirir. Ampul daha sonra iki sıcaklık bölgesi olan bir fırına yerleştirilir.

Kimyasal buhar biriktirme, kaplamaların ve yarı iletkenlerin moleküler öncülerden hazırlanmasında yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.[6]

Karakterizasyon

Yeni fazlar, faz diyagramları, yapılar

Sentetik metodoloji ve karakterizasyon genellikle bir değil bir dizi reaksiyon karışımının hazırlanması ve ısıl işleme tabi tutulması anlamında el ele gider. Stokiyometri, tipik olarak, hangi stokiyometrilerin yeni katı bileşiklere veya bilinenler arasında katı çözeltilere yol açacağını bulmak için sistematik bir şekilde çeşitlendirilir. Reaksiyon ürünlerini karakterize etmenin başlıca bir yöntemi toz kırınımıdır, çünkü birçok katı hal reaksiyonu polikristalin külçeler veya tozlar üretecektir. Toz kırınımı, karışımdaki bilinen fazların tanımlanmasını kolaylaştırır. Kırınım veri kitaplıklarında bilinmeyen bir model bulunursa, modeli indekslemek, yani simetriyi ve birim hücrenin boyutunu belirlemek için bir girişimde bulunulabilir. Eğer ürün kristal değilse karakterizasyon tipik olarak çok daha zor olacaktır.

Yeni bir fazın birim hücresi bilindiğinde, bir sonraki adım, fazın stokiyometrisini oluşturmaktır. Bu, birkaç yolla yapılabilir. Bazen orijinal karışımın bileşimi bir ipucu verir.

X-ışını difraktometresi (XRD)

Alıntılar

1. Solid State Chemistry and Its Applications. 2004. ISBN 981-253-003-7.
2. Kanatzidis (2018). "Report from the third workshop on future directions of solid-state chemistry: The status of solid-state chemistry and its impact in the physical sciences". Progress in Solid State Chemistry. 36 (1–2): 1-133. doi:10.1016/j.progsolidstchem.2007.02.002 – Elsevier Science Direct vasıtasıyla.
3. Martin (Aralık 2002). "Life and achievements of Carl Wagner, 100th birthday". Solid State Ionics. 152-153: 15-17. doi:10.1016/S0167-2738(02)00318-1.
4. Solid State Chemistry: Techniques. 1988. ISBN 0198552866.
5. "High Temperature Vacuum Tube Furnace GSL-1100 Operational Manual" (PDF). 6 Kasım 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 29 Ağustos 2020.
6. Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings. Third. William Andrew. 2010. ISBN 978-0-8155-2031-3.