Faststoffkjemi

Faststoffkjemi, eller solid-state chemistry, er studiet av syntese, struktur og egenskaper til faste materialer, ofte krystallinske stoffer. Faget fokuserer på hvordan atomordninger i gitteret, defekter og dopinger, samt difusjon og faseoverganger, påvirker fysiske egenskaper som ledning, magnetisme og mekanisk styrke. Feltet står i grensesnittet mellom kjemi og materialvitenskap og har sentrale anvendelser innen elektronikk, energilagring, katalyse og sensorikk.

Viktige konsepter inkluderer krystallstrukturer og gitterparametere, gitterets symmetri og enhetsceller. Defekter som vakuanser, interstitialer og dopanter kan modifisere elektriske, optiske og mekaniske egenskaper. Diffusjon i faste stoffer er en sentral prosess i både syntese og varmebehandling og avhenger av temperatur og krystallstruktur. Fase-diagrammer beskriver hvilke faser som er stabile ved ulike temperaturer og sammensetninger, mens termodynamikk og kinetikk forklarer hastigheten og retningen til faste reaksjoner og faseoverganger.

Syntese og bearbeiding av faste materialer skjer ofte ved høy temperatur gjennom faste reaksjoner og sintring, som bygger opp krystallinske strukturer. Alternative metoder inkluderer mekanokjemisk syntese, sol-gel og hydrotermale metoder, samt vekst av enkeltkorn og dopingsstrategier for å oppnå ønskede elektroniske egenskaper. Bearbeiding påvirker tetthet, kornstørrelse, overflater og defektinnhold, og derfor materialets ytelse.

Analyse og karakterisering i faststoffkjemi omfatter X-ray diffraksjon (XRD) for å bestemme krystalstruktur og faseinnhold, elektronmikroskopi (SEM, TEM) for morfologi og mikroskopiske detaljer, samt spektroskopiske teknikker (Raman, IR, UV-Vis) for elektroniske og vibrasjonelle tilstander. Termiske analyser (DSC, TGA) kartlegger varmeoppførsel og stabilitet, mens impedansspektroskopi gir innsikt i elektrisk ledning og diffusive prosesser. Overflate- og porøsitetsmålinger, ofte med BET, er også vanlige.

Materielle anvendelser omfatter keramiske oksider, halvledere, litium- og natriumbatterier og solid-state elektrolytter, perovskitter og andre optiske og elektroniske materialer, katalyse og sensorikk. Solid-state reaksjoner og kontrollerte dopinger muliggjør tilpassede båndstrukturer og ledningsegenskaper som er avgjørende i elektroniske enheter og energilagring.