Överbyggnad (kondenserad materia)

I fast tillståndsfysik är en överbyggnad någon ytterligare struktur som är överlagrad på en kristallin struktur med högre symmetri. Ett typiskt och viktigt exempel är ferromagnetisk ordning.

I en vidare mening används termen "överstruktur" på polymerer och proteiner för att beskriva ordning på en längdskala som är större än den för monomera segment.

I kristaller

I en kristall manifesterar en överbyggnad sig genom ytterligare reflektioner i diffraktionsmönster , t.ex. i lågenergielektrondiffraktion ( LEED ) eller röntgendiffraktionsexperiment . Ofta uppstår en uppsättning svaga diffraktionsfläckar mellan de starkare fläckarna som hör till vad som kallas understrukturen. I vissa fall sker en fasövergång, t.ex. vid högre temperaturer, där överbyggnaden försvinner och materialet återgår till den enklare underbyggnaden. Inte alla föreningar uppvisar en överbyggnad.

Superfläckarna i diffraktionsmönster representerar en modulering av understrukturen som gör att den inneboende translationssymmetrin hos (understruktur)gittret bryts något eller att storleken på strukturens repeterande motiv ökar. Man skulle kunna tala om symmetribrott av gittrets translationssymmetri, även om rotationssymmetri kan gå förlorad samtidigt.

Motsvarande fall

Om superfläckarna är belägna vid enkla fraktioner av vektorerna i substrukturens reciproka gitter , t.ex. vid q=(½,0,0), är den resulterande brutna symmetrin en multipel av enhetscellen längs den axeln. En sådan modulering kallas en motsvarande överbyggnad.

Inkompatibla fall

I vissa material kommer superfläckar att uppstå vid positioner som inte representerar en enkel bråkdel, säg q=(0,5234,0,0). I detta fall har strukturen strängt taget förlorat all translationssymmetri i en viss riktning. Detta kallas en inkommensurerad struktur.

Orsaker

Det finns i princip tre typer av överbyggnader i kristaller:

Magnetiska överbyggnader

När ett kristallint material som innehåller atomer med okompenserade elektronsnurr kyls ner, sker ordning av dessa spinn i allmänhet när den termiska energin är tillräckligt liten för att inte åsidosätta interaktionerna mellan angränsande spinn. Om ordningen inte uppvisar samma symmetri som den ursprungliga enhetscellen i det kristallografiska gittret, kommer en överbyggnad att resultera. I det här fallet är superfläckarna vanligtvis bara synliga i neutrondiffraktionsmönster , eftersom neutronen sprids både av kärnan och av elektronsnurrarnas magnetiska moment.

Defekt beställning

Många legeringar av element som liknar varandra kemiskt kommer att bilda en struktur vid högre temperaturer där de två elementen slumpmässigt intar liknande positioner i gittret. Vid lägre temperaturer kan ordningsföljd inträffa där kristallografiska positioner inte längre är ekvivalenta eftersom ett element företrädesvis upptar en plats och den andra den andra. Denna partiella ordningsprocess kan sänka translationssymmetrin och resultera i en annan, större enhetscell.

Förskjutande övergångar

I vissa övergångar kommer ett antal atomer som intar kristallografiska positioner som ursprungligen var ekvivalenta att flytta sig bort något från sina ideala positioner enligt ett visst mönster. Detta mönster eller upprepade motiv kan sträcka sig över flera enhetsceller. Orsaken till detta fenomen är de små förändringarna i kemisk bindning som gynnar formationer av halvregelbundna och större kluster av atomer. Även om de har den oförvrängda understrukturen är dessa material typiskt "omättade" i den meningen att ett av banden i bandstrukturen endast är delvis fyllt. Förvrängningen förändrar bandstrukturen, delvis delar upp banden i mindre band som kan fyllas mer fullständigt eller tömmas för att sänka systemets energi. Denna process kanske inte slutförs, eftersom understrukturen bara tillåter en viss förvrängning. Överbyggnader av denna typ är ofta inkompatibla. Ett bra exempel finns i de strukturella övergångarna av 1T- TaS2 ₁ , en förening med ett delvis fyllt, smalt d-band (Ta(IV) har ad ^- konfiguration).

Se även