Chem 204 Hard Ma/er: Alloys, Memory Metal, LEDs General - PowerPoint PPT Presentation

Chem ¡204 ¡ “Hard ¡Ma/er:” ¡ Alloys, ¡Memory ¡Metal, ¡LEDs ¡

General ¡kinds ¡of ¡crystalline ¡solids ¡

Metallic ¡bonding: ¡easy ¡view ¡

Metallic ¡bonding: ¡data ¡ Q: ¡What ¡does ¡this ¡data ¡suggest ¡about ¡ strength ¡of ¡metallic ¡bonding ¡across ¡ a ¡row ¡in ¡the ¡periodic ¡table? ¡

Metallic ¡bonding: ¡data ¡ Q: ¡What ¡does ¡this ¡data ¡suggest ¡about ¡ strength ¡of ¡metallic ¡bonding ¡across ¡ a ¡row ¡in ¡the ¡periodic ¡table? ¡ ¡ A: ¡Metallic ¡bonding ¡strongest ¡for ¡ metals ¡in ¡the ¡middle ¡of ¡the ¡row ¡

Metallic ¡bonding: ¡data ¡ Q: ¡What ¡does ¡this ¡data ¡suggest ¡about ¡ strength ¡of ¡metallic ¡bonding ¡across ¡ a ¡row ¡in ¡the ¡periodic ¡table? ¡ ¡ A: ¡Metallic ¡bonding ¡strongest ¡for ¡ metals ¡in ¡the ¡middle ¡of ¡the ¡row ¡ ¡ Problem: ¡how ¡does ¡the ¡“electron ¡sea” ¡ idea ¡work ¡here?? ¡

Bonds ¡to ¡bands ¡

Specific ¡example: ¡Ni ¡ (orbital ¡extent: ¡4s>4p>3d) ¡

Physicist’s ¡view ¡of ¡nickel ¡metal ¡

Metals, ¡semiconductors, ¡insulators ¡ conduc`on ¡ band ¡ conduc`on ¡ Energy ¡ band ¡ Eg ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ valence ¡ ¡ band ¡ band ¡ metal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ semiconductor ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ insulator ¡ ¡ 1 ¡eV ¡= ¡ ¡ “no” ¡bandgap ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Eg ¡~ ¡0.1-­‑3.5 ¡eV ¡ ¡ ¡Eg ¡> ¡3.5 ¡eV ¡ 1.602 ¡x ¡10 -­‑19 ¡ J ¡

Solid ¡solu`ons ¡of ¡metals: ¡alloys ¡

Subs`tu`onal ¡vs. ¡inters``al ¡alloys ¡ Atoms ¡about ¡the ¡same ¡size ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Atoms ¡significantly ¡different ¡in ¡size ¡

Alloys ¡have ¡phase ¡diagrams ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Memory ¡metal: ¡a ¡solid-­‑state ¡phase ¡ transi`on ¡ Ni:Ti ¡alloy; ¡nearly ¡1:1 ¡composi`on ¡

Memory ¡metal: ¡demo ¡

X-­‑ray ¡diffrac`on ¡ X-­‑ray ¡wavelengths: ¡~1-­‑2 ¡Å ¡

X-­‑ray ¡diffrac`on: ¡“demo” ¡

Vegard’s ¡Law ¡ The ¡proper`es ¡(usually ¡atomic ¡structure) ¡of ¡a ¡solid ¡solu`on ¡are ¡propor`onal ¡to ¡the ¡ • composi`on ¡of ¡the ¡solid ¡solu`on ¡(“ideal ¡solid ¡solu`on”). ¡

Vegard’s ¡Law: ¡Expecta`ons ¡and ¡Reality ¡

Tin-­‑lead ¡solders ¡

Tin-­‑lead ¡solders: ¡Vegard ¡not ¡good! ¡

Semiconductors: ¡The ¡Bandgap ¡ conduc`on ¡ band ¡ conduc`on ¡ Energy ¡ band ¡ Eg ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ valence ¡ ¡ band ¡ band ¡ metal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ semiconductor ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ insulator ¡ ¡ 1 ¡eV ¡= ¡ ¡ “no” ¡bandgap ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Eg ¡~ ¡0.1-­‑3.5 ¡eV ¡ ¡ ¡Eg ¡> ¡3.5 ¡eV ¡ 1.602 ¡x ¡10 -­‑19 ¡ J ¡

Semiconductors: ¡The ¡Bandgap ¡

Semiconductor ¡op`cal ¡proper`es ¡ Sample ¡problem: ¡ Calculate ¡the ¡bandgap ¡of ¡silicon ¡ from ¡this ¡graph. ¡

Semiconductor ¡op`cal ¡proper`es ¡ Sample ¡problem: ¡ Calculate ¡the ¡bandgap ¡of ¡silicon ¡ from ¡this ¡graph. ¡ ¡ Answer: ¡Silicon ¡starts ¡absorbing ¡light ¡ at ¡about ¡1 ¡micron ¡wavelength. ¡ ¡ Since ¡c ¡= ¡wavelength ¡x ¡frequency ¡(v) ¡ and ¡E ¡= ¡hv ¡ ¡ Can ¡solve ¡and ¡convert ¡to ¡eV ¡of ¡energy: ¡ ¡ 1.2 ¡eV ¡

E F , ¡the ¡Fermi ¡level ¡(or ¡Fermi ¡energy) ¡ • The ¡“chemical ¡poten`al” ¡of ¡an ¡electron ¡in ¡a ¡ solid ¡ • The ¡energy ¡level, ¡in ¡a ¡solid, ¡at ¡which ¡the ¡ probability ¡of ¡finding ¡an ¡electron ¡is ¡1/2 ¡

Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡ conduc`on ¡ band ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡

Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡ conduc`on ¡ band ¡ E F ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡

Semiconductors ¡can ¡be ¡“doped” ¡ • Dope ¡= ¡add ¡controlled ¡amount ¡(ppm) ¡of ¡an ¡ impurity ¡into ¡the ¡solid ¡ • If ¡the ¡dopant ¡atoms ¡have ¡a ¡different ¡number ¡ of ¡valence ¡electrons ¡than ¡the ¡host ¡atoms, ¡ huge ¡changes ¡in ¡electronic ¡proper`es! ¡

Semiconductors ¡can ¡be ¡“doped” ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Pure ¡material ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡more ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡fewer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡conduc`on-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡valence-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡electrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡holes ¡

Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Pure ¡material ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡more ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡fewer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡conduc`on-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡valence-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡electrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡holes ¡

Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Pure ¡material ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡more ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Dopant ¡has ¡fewer ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡electrons ¡than ¡host ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡conduc`on-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡extra ¡valence-­‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡electrons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡band ¡holes ¡

Electrical ¡conduc`vity ¡ The ¡charge ¡carriers ¡could ¡be ¡electrons ¡or ¡holes! ¡ Pure ¡silicon: ¡conduc`vity ¡~10 -­‑4 ¡– ¡10 -­‑6 ¡ Si ¡doped ¡with ¡P ¡or ¡Si ¡doped ¡with ¡B: ¡conduc`vity ¡~1 ¡for ¡ppm! ¡

Light-­‑Eminng ¡Diodes ¡(LEDs) ¡

In-­‑class ¡homework! ¡Due ¡at ¡end ¡of ¡ period! ¡5 ¡points! ¡ • You ¡are ¡working ¡for ¡the ¡LED ¡division ¡of ¡Philips ¡ Ligh`ng. ¡They ¡want ¡you ¡to ¡make ¡a ¡ semiconductor ¡LED ¡that ¡puts ¡out ¡red ¡light ¡at ¡ 650 ¡nm, ¡and ¡you ¡have ¡to ¡do ¡it ¡with ¡a ¡ combina`on ¡of ¡GaAs ¡(Eg ¡= ¡1.43 ¡eV) ¡and ¡GaP ¡ (Eg ¡= ¡2.25 ¡eV). ¡ ¡Calculate ¡the ¡composi`on ¡of ¡ the ¡material ¡that ¡will ¡work ¡(GaP x As 1-­‑x ), ¡ ¡ assuming ¡Vegard’s ¡Law ¡applies. ¡