Tema 9 Estructura Cristalina

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TEMA 9: ESTRCTURA CRISTALINA 1. Orden Atómico 2. Tipos de sólidos 3. Celdilla unidad 4. Sistemas cristalinos y redes de Bravais 5. Estructuras Cristalinas Comunes en los Metales 6. Celda Cúbica Simple 7. Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC) 8. Cúbica Centrada en la s Caras (FCC) 9. Hexagonal Compacta (HC) 10. Morfología Cristalina 11. Proceso de Cristalización 12. Tipos de Nucleación

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TEMA 9: ESTRCTURA CRISTALINA1. Orden Atómico 2. Tipos de sólidos3. Celdilla unidad4. Sistemas cristalinos y redes de Bravais5. Estructuras Cristalinas Comunes en los Metales6. Celda Cúbica Simple7. Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)8. Cúbica Centrada en la s Caras (FCC)9. Hexagonal Compacta (HC)10. Morfología Cristalina11. Proceso de Cristalización12. Tipos de Nucleación

Page 2: Tema 9 Estructura Cristalina

Orden Atómico

Corto alcance

Medio alcance

Largo alcance

Page 3: Tema 9 Estructura Cristalina

Tipos de sólidos

Amorfos: Orden atómico o molecular a corto alcance

Ejemplo: vidrio

Policristalinos: Orden atómico o molecular a largo alcance

Ejemplo: metales

Monocristales: Orden atómico o molecular extendido a todo el cristal

Ejemplo: diamantes artificiales

Page 4: Tema 9 Estructura Cristalina

Celdilla unidad

Celda unidad: menor porción del sólido que, repetida en el espacio, puede reproducir la estructura de ese sólido.

Page 5: Tema 9 Estructura Cristalina

Sistemas cristalinos y redes de Bravais

Page 6: Tema 9 Estructura Cristalina

Estructuras Cristalinas Comunes en los Metales

Empaquetamiento no compacto

Celda unitaria Celda cúbica simple

Celda unitaria Celda cúbica centrada en el cuerpo

Empaquetamiento compacto

Celda unitaria Celda cúbica centrada en las caras

Celda unitaria Celda hexagonal compacta

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Celda Cúbica Simple

Nº de coordinación:6

Átomos por celda: 8 vértices*1/8 =1

Relación entre la longitud de arista y el

radio del átomo: 2r = a

Eficacia del empaquetamiento: 52%

( ) ( ) 52.06)r2(

r34a

r34V

V3

3

3

3

celda

ocupado ====πππ

Ejemplos : α-Po, Hg

Page 8: Tema 9 Estructura Cristalina

Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC)Ejemplos: Fe, Cr, Mo, W, Ta, Ba

c b

aNº de coordinación:8

Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 1centro =2

Relación entre la longitud de arista y el radio del átomo:

4a 3r =

Eficacia del empaquetamiento: 68%

( ) ( ) 68.083

)3

r4(r342

ar342

VV

3

3

3

3

celda

ocupado =π

=

b2=a2+a2 c2=a2+b2=3a2 c= 4r =(3a2)1/2

Page 9: Tema 9 Estructura Cristalina

Cúbica Centrada en las Caras (FCC)

a

4r

Nº de coordinación:12

Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 6caras*1/2=4

Relación entre la longitud de arista y el

radio del átomo: (4r)2=a2+a2

Eficacia del empaquetamiento: 74%

( ) ( ) 74.0

2r4

r34a

r344V

V

2/1

3

3

3

celda

ocupado =π

=π⋅

=

Page 10: Tema 9 Estructura Cristalina

Hexagonal Compacta (HC)Ejemplos: Be, Mg, Zn, Cd, Ti

Nº de coordinación:12

12 vérticesx1/6 +2 carasx1/2 +3centro=6átomos

Eficacia del empaquetamiento: 74%

Parámetros: a = ancho del hexágono

c= altura; distancia entre dos planos

Átomos por celda:

Page 11: Tema 9 Estructura Cristalina

Cálculos sobre la Celdilla Unidad

( )dn de atomos en la celdilla M N

Volumen de la celdillaA=

׺ /

d n de ciones atomicasAreaP =

º sec

dap =2

2

Densidad volumétrica:

Densidad planar: Fracción de área del plano ocupada por átomos:

Para contabilizar un átomo su centro debe estar contenido en el plano o en la línea

Densidad lineal: Fracción de línea ocupada d n de diametros atomiLongitud de lineaL =

º cos

daL =1

Page 12: Tema 9 Estructura Cristalina

Morfología CristalinaMonocristal:

•La disposición atómica es perfecta, sin interrupciones, a lo largo de toda la muestra.

•Si los extremos del cristal crecen libremente, adquieren una forma geométrica regular con caras planas que refleja la estructura cristalina.

•Se pueden generar artificialmente pero son difíciles de fabricar.

Monocristales de Si empleados en microelectrónica

Page 13: Tema 9 Estructura Cristalina

Morfología Cristalina

Material policristalino:• La mayoría de los sólidos cristalinos son un conjunto de muchos cristales

pequeños o granos• Se obtiene la enfriar el material desde el estado fundido

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Proceso de Cristalización

a) Nucleación

b) Crecimiento de nucleos

c) Solidificación ( material policristalino)

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Tipos de NucleaciónNucleación homogénea (líquido puro)

Al disminuir la temperatura (T<Tf) coinciden dos factores:

• Un número mayor de átomos se agregan a los embriones (menor agitación)

• El aumento del subenfriamiento del líquido disminuye el valor de rc (radio crítico para generar un embrión). Esto posibilita la nucleación del líquido subenfriado para núcleos aun menores.

Nucleación heterogénea (líquido con impurezas): Se verifica en situaciones normales (laboratorios, fundiciones,fábricas, etc…) No se necesita altos grados de subenfriamiento (0.1-10ºC)

Se introducen impurezas (paredes del contenedor, partículas suspendidas en el líquido) para:

1. Disminuir el número de átomos necesarios que formen un núcleo con r>rc

2. Proporcionar superficies adicionales donde se puedan formar los núcleos sólidos