결정구조 및 분석 [2] Glass/ Amorphous, meta- stable, APF

 1. Glass

: random  배열 + Glass Transition(열적 유리 전이)

 

cf. amorphous ⊃ glass

Amorphous(비정질)
: 고체의 한 형태로, 원자나 분자가 장거리 질서를 가지지 않고 불규칙적으로 배열된 상태를 의미한다

Glass(유리)
: 특정한 형태의 비정질 고체이며, 특정한 조성과 물리적 특성을 가진다.

 

1-1. Glass Transition (유리 전이)

 유리 전이는 비정질 고체가 온도 변화에 따라 물리적 성질이 급격히 변하는 과정이다. 유리 상태에서 점성이 높은 고무상으로 변하는 온도(Tg)에서 일어나는 과정으로, 융해(Melting)와 달리 유리질 상태에서 고무질 상태에서 변하는 가역적인 물리적 변화이다.

 

 Amorphous에서는 glass transition이 일어나지 않는다.

 

 

 

2. 비정질과 결정질

 

종류	특징
Amorphous (비정질)	- 원자들이 무질서하게 배열되어 있어 평균적인 원자 간 거리가 더 길다. - 즉, 결합 에너지가 낮고, r (원자 간 거리)이 더 불규칙할 가능성이 있다.
Crystalline (결정질)	- 원자들이 질서정연하게 배열되어 있으며, 일반적으로 더 높은 밀도를 가진다. - 원자간 평균 거리(r)이 일정하며, 결합 에너지도 상대적으로 더 깊은 안정적인 상태이다. - gibbs free energy가 더 낮음

 

2-1. Meta-Stable

Meta-Stable (메타 안정 상태; 준 안정 상태)
: 열역학적으로 안정한 상태(평형 상태)는 아니지만, 에너지를 가해야만 다른 상태로 전이할 수 있는 상태를 의미한다.

 

Meta-Stable의 특징

1. 국소적 에너지 최소점이다. (Local stable)

2. 에너지를 가해야만 더 안정한 상태로 전이가능하다 

 

 

XRD의 모습

 

Glass

- peak 가 평퍼짐하게 나옴

- long range order가 없는 short range order만을 가짐

 

 

 

Cristobalite

- 여러개의 날카로운 피크가 존재하며, 원자가 주기적인 규칙성을 가지는 결정질 구조라는 것을 나타냄

 

 

 

Silica Gel

- glass transition X 이므로 glass가 아니다

- Amorphous

 

 

 

 

 

 

2-2. 결정구조

 (고체의) 장거리 범위에서 원자의 반복적 & 주기적 배열을 의미한다
단, 액체/ 기체/ 플라즈마는 해당하지 않는다.

 

2-3. Unit Cell (단위정)

Unit Cell
: 결정 구조를 가장 작게 반복하여 나타낼 수 있는 기본 단위

 

2-4. Coordination Number(배위수)

Coordination Number(배위수)
: 한 원자를 둘러싸는 가장 가까운 원자수

 

Si와 Ge의 CN은 4이다

 

 

Q. 결정질에서 배위수는 일정한가?

 

 배위수는 같은 결정질에서 거의 일정하나, 달라지는 부분이 있다. 표면, 전위, 점 결함, 상전이(동질이상) 등에서는 달라질 수 있다.

 

 

 

3. Atomic Packing Factor(APF)

  

 Atomic Packing Factor는 결정 구조에서 원자들이 차지하는 부피 비율을 나타내는 값으로, 주어진 공간 내에서 원자들이 얼마나 들어있는지를 나타내는 것이다.

 

 

 계산하는 방법은 다음과 같다.

 

3-1. Body Centered Cubic Structure(BCC)

 

배위수(CN #) = 8

2 atoms/ unit cell

 

APF 계산

 

3-2. Heagonal Close- Packed Structure (HCP)

 

3-3. Face Centered Cubic Structure(FCC)

 

APF의 계산

3-4. FCC와 HCP의 Stacking Sequence

FCC의 Stacking Sequence

 

HCP의 Stacking Sequence

 

FCC의 stacking sequence는 A-B-C 꼴이고, HCP의 stacking sequence는 A-B-A-B꼴이다.

 

3-5. Diamond Structure

- Si, Ge의 결정구조로 각 원자는 4개의 인접 원자에 둘러싸여있다.

 

 

 

4. Theoretical Density, ρ

: 결정구조의 이론적 밀도값

 

 

예제