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Chem 204 Hard Ma/er: Alloys, Memory Metal, LEDs General - - PowerPoint PPT Presentation
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Chem 204 Hard Ma/er: Alloys, Memory Metal, LEDs General kinds of crystalline solids Metallic bonding: easy view Metallic bonding: data Q: What
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Metallic ¡bonding: ¡easy ¡view ¡
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Metallic ¡bonding: ¡data ¡
Q: ¡What ¡does ¡this ¡data ¡suggest ¡about ¡ strength ¡of ¡metallic ¡bonding ¡across ¡ a ¡row ¡in ¡the ¡periodic ¡table? ¡
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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 ¡
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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?? ¡
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Bonds ¡to ¡bands ¡
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Specific ¡example: ¡Ni ¡
(orbital ¡extent: ¡4s>4p>3d) ¡
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Physicist’s ¡view ¡of ¡nickel ¡metal ¡
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Metals, ¡semiconductors, ¡insulators ¡
Energy ¡ metal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡semiconductor ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡insulator ¡ ¡ “no” ¡bandgap ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Eg ¡~ ¡0.1-‑3.5 ¡eV ¡ ¡ ¡Eg ¡> ¡3.5 ¡eV ¡
1 ¡eV ¡= ¡ ¡ 1.602 ¡x ¡10-‑19 ¡J ¡
Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡ conduc`on ¡ band ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡ conduc`on ¡ band ¡
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Solid ¡solu`ons ¡of ¡metals: ¡alloys ¡
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Subs`tu`onal ¡vs. ¡inters``al ¡alloys ¡
Atoms ¡about ¡the ¡same ¡size ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Atoms ¡significantly ¡different ¡in ¡size ¡
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Alloys ¡have ¡phase ¡diagrams ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
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Memory ¡metal: ¡a ¡solid-‑state ¡phase ¡ transi`on ¡
Ni:Ti ¡alloy; ¡nearly ¡1:1 ¡composi`on ¡
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Memory ¡metal: ¡demo ¡
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X-‑ray ¡diffrac`on ¡
X-‑ray ¡wavelengths: ¡~1-‑2 ¡Å ¡
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X-‑ray ¡diffrac`on: ¡“demo” ¡
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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”). ¡
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Vegard’s ¡Law: ¡Expecta`ons ¡and ¡Reality ¡
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Tin-‑lead ¡solders ¡
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Tin-‑lead ¡solders: ¡Vegard ¡not ¡good! ¡
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Semiconductors: ¡The ¡Bandgap ¡
Energy ¡ metal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡semiconductor ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡insulator ¡ ¡ “no” ¡bandgap ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Eg ¡~ ¡0.1-‑3.5 ¡eV ¡ ¡ ¡Eg ¡> ¡3.5 ¡eV ¡
1 ¡eV ¡= ¡ ¡ 1.602 ¡x ¡10-‑19 ¡J ¡
Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡ conduc`on ¡ band ¡ Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡ conduc`on ¡ band ¡
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Semiconductors: ¡The ¡Bandgap ¡
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Semiconductor ¡op`cal ¡proper`es ¡
Sample ¡problem: ¡ Calculate ¡the ¡bandgap ¡of ¡silicon ¡ from ¡this ¡graph. ¡
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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 ¡
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EF, ¡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 ¡
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Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡
Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡
conduc`on ¡ band ¡
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Eg ¡ valence ¡ ¡ band ¡
Where ¡is ¡the ¡Fermi ¡level? ¡
conduc`on ¡ band ¡ EF ¡
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Semiconductors ¡can ¡be ¡“doped” ¡
- Dope ¡= ¡add ¡controlled ¡amount ¡(ppm) ¡of ¡an ¡
impurity ¡into ¡the ¡solid ¡
- If ¡the ¡dopant ¡atoms ¡have ¡a ¡different ¡number ¡
- f ¡valence ¡electrons ¡than ¡the ¡host ¡atoms, ¡
huge ¡changes ¡in ¡electronic ¡proper`es! ¡
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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 ¡
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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 ¡
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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 ¡
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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! ¡
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Light-‑Eminng ¡Diodes ¡(LEDs) ¡
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In-‑class ¡homework! ¡Due ¡at ¡end ¡of ¡ period! ¡5 ¡points! ¡
- You ¡are ¡working ¡for ¡the ¡LED ¡division ¡of ¡Philips ¡