Soution of HW2

11
1 Solution of HW2 Ex 3. a) The parameter a λ=1.54 Å, the plane is (111), θ=19.2° First we need to obtain d from Bragg’s law λ = 2dsinθ d= λ/(2sinθ) d=1.54/(2 sin19.2°) d= 2.34 Å We obtain a from d by using: we use n=1 for the first order a=b=c in the cubic structure Thus d = 1 1 + 1 + 1 a 2 = a 3 a = d 3 = 4.05 Å B) We obtain the Avogadro’s number from The density () = !!! !"## !"# !"#$ !"## (!) !"#$%& !"# !"#$ !"## (!) V= a 3 = (2.91 ×10 8 ) 3 = 66.430125 ×10 24 cm 3 M= the number of atoms per unit cell × mass per atom The mass per atom= atomic weight (MA)/ Avogadro’s number NA The number of atoms in FCC= 4 atoms Thus M=4(MA/NA) d = n h 2 a 2 + k 2 b 2 + l 2 c 2 ! " # $ % & 1/2

description

Electronic Properties Home work solution

Transcript of Soution of HW2

Page 1: Soution of HW2

  1  

Solution  of  HW2    Ex  3.    

a) The  parameter  a    λ=1.54  Å,  the  plane  is  (111),  θ=19.2°    First  we  need  to  obtain  d  from  Bragg’s  law    

λ  =  2dsinθ  d=  λ/(2sinθ)  d=1.54/(2  sin19.2°)  d=  2.34  Å  

   We  obtain  a  from  d  by  using:  

 

we  use  n=1  for  the  first  order  a=b=c  in  the  cubic  structure    Thus    

d = 11+1+1a2

=a3  

a = d 3 = 4.05  Å    

B)  We  obtain  the  Avogadro’s  number  from    The  density  (𝜌) =   !!!  !"##  !"#  !"#$  !"##  (!)

!"#$%&  !"#  !"#$  !"##  (!)  

 V=  a3=  (2.91  ×10-­‐8)3=  66.430125  ×10-­‐24  cm3    M=  the  number  of  atoms  per  unit  cell  ×  mass  per  atom  The  mass  per  atom=  atomic  weight  (MA)/  Avogadro’s  number  NA  The  number  of  atoms  in  FCC=  4  atoms    Thus    

M=4✕(MA/NA)    

d = nh2

a2+k2

b2+l2

c2!

"#

$

%&

1/2

Page 2: Soution of HW2

  2  

Then,    

ρ =MV=1V×4MA

NA

               

                               NA =MV=1V×4MA

ρ  

 

NA =4×27

66.43012×10−24 ×2.7= 6.02×1023 per  mole  

     

Page 3: Soution of HW2

  3  

Ex  12    In  order  to  obtain  the  structure  factor  of  BCC  of    1/8  atoms  on  the  corners  and  one  in  the  middle  we  need  to  find  their  coordinates  shown  in  figure  1.    Eight  1/8  atoms  on  the  corners  with    (000),  (111),  (100),(001),(010),(110),(101),(011)  and    One  in  the  middle  (½  ½  ½  )    

   

Figure  1    The  structure  factor    

 

 Will  be  written  as      

Fhkl = fa e(i2π (h/2+k/2+l/2)+

18ei2π (0)+ ei2π (h)+ ei2π (k )+ ei2π (l )+ ei2π (h+l )+ ei2π (h+k )+ ei2π (l+k )+ ei2π (h+k+l )!" #$

%&'

()*

   

Fhkl = fajj∑ exp2πi(ujh+ vjk +wjl)

(½½½)

(000)

(100)

(010)

(110)

(001)

(110)

(011)

(111)

Page 4: Soution of HW2

  4  

Fhkl = fa e(iπ (h+k+l )+

181+ ei2π (h)+ ei2π (k )+ ei2π (l )+ ei2π (h+l )+ ei2π (h+k )+ ei2π (l+k )+ ei2π (h+k+l )!" #$

%&'

()*

   

         1/8  factor  in  the  second  term  because  we  consider  only  1/8  of  corner  atom  inside  the  unit  cell  as  shown  in  figure  1  (the  small  figure).    The  second  term  always  gives  =  1/8  (+8)  =  +1  because  it  has  “2π”  in  the  power  of  the  exponential.      Therefore  the  structure  factor  depends  on  the  first  term  “Exp(iπ(h+k+l))  “    which  has  “π”  in  the  power  of  the  exponentials  because  it  can  be  either  +1  when  k+h+l=even    Fhkl  =  fa  (1+1),  the  diffraction  of  the  plane  will  be  shown  -­‐1  when  h+k+l=odd    Fhkl  =  fa  (1-­‐1)=0,  the  diffraction  of  the  plane  will  not  shown    This  agrees  with  what  we  found  in  the  text.        

Second  term    First  term  

Page 5: Soution of HW2

  5  

Ex16    CsCl  

 

   fCs  =  3fCl    If    Cs  in  (000)  position    Cl    in  (½  ½  ½  )  position    In  this  case  the  structure  factor  will  be      Fhkl = fCs expi2π (0)+ fCl expi2π (h+ k + l)

Fhkl = fCs + fCl expi2π (h+ k + l)  

 In  this  case  the  structure  factor  it  has  two  solutions    If  h+k+l  =  even    Fhkl = fCs + fCl =  positive  number    (strong  diffraction  )    If  h+k+l  =  odd    Fhkl = fCs − fCl    =  Positive  but  smaller  number  because  fCs  =  3fCl  (weak  diffraction).      In  this  case,  if  h+k+l  =  odd,  diffraction  does  not  vanish  because  the  atomic  factor  of  Cs    and  Cl  are  not  equal  (FCs  ≠  FCl)  .      In  this  case  the  diffraction  will  look  like  this      There  is  a  famous  reference  related  to  this  example  that  used  a  lot  as  an  example  of  this  deviation.      “CsCl  diffraction  from  “The  Crystal  Structure  of  two  Rare  Halogen  Salts.  W.P    Davey,.  F.G.    Wick,  (1921)  Physical  Review  17,  403-­‐404”.          

Fhkl = fajj∑ exp2πi(ujh+ vjk +wjl)

Page 6: Soution of HW2

  6  

CsCl:  If  one  atom  in  000  position  and  the  other  one  in  ½  ½  ½  position      You  can  see  that  the  diffraction  k+h+l  =  odd  such  as  (111),  (001),  (113)  (023)  do  not  vanish.  It  is  shown  in  the  figure  below      

   But  for  CsCs  BCC  as  shown  below  the  diffraction  when  h+k+l=odd  is  not  shown      For  example  (111),  (001),  (113)  (023)  are  not  shown    

       

0 0

1

0 1

1

1 1

1

0 0

2

0 1

2 1 1

2

0 2

2

0 0

31 2

2

0 1

3

1 1

3

2 2

2

0 2

31

2 3

0 0

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CsCl (Davey, W.P.;Wick, F.G. (1921) Physical Review 17, 403-404)�Lambda: 1.54180 Magnif: 1.0 FWHM: 0.300Space grp: P m -3 m Direct cell: 4.1200 4.1200 4.1200 90.00 90.00 90.00

0 0

1

0 1

1

1 1

1 0 0

2

0 1

2

1 1

2

0 2

2

0 0

31

2 2

0 1

3

1 1

3

2 2

2

0 2

3 1 2

3

0 0

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

"CsCs" - mythical bcc material�Lambda: 1.54180 Magnif: 1.0 FWHM: 0.300Space grp: P m -3 m Direct cell: 4.1200 4.1200 4.1200 90.00 90.00 90.00

Page 7: Soution of HW2

  7  

Ex20  a)      First  we  need  to  drive  the  volume  of  real  unit  cell  (Ωreal):    

=  a.(bxc)  

 (see  the  proof  in  the  last  page)    a=4Å,  b=6  Å,  c=8  Å  and  α=β=90°  and  γ=120°    The  volume  of  monoclinic  using  the  above  equation:    

 

 Therefore  it  is  monoclinic  structure.  

   Note:    α  between  b  and  c β between  a  and  c  γ  between  a  and  b    For  reciprocal  cell:    

 

Ωreal

Ωreal = abc 1− cos2α − cos2 β − cos2 γ + 2cosα cosβ cosγ

Ωreal = abc 1− cos2 90− cos2 90− cos2 γ + 2cos90cos90cosγ

Ωreal = abc 1− cos2 γ = abcsinγ

a* = 2πΩreal

(b× c) = 2πabcsinγ

bcsinα = 2πasin120°

sin90° =1.8Å−1

b* = 2πΩreal

(c× a) = 2πabcsinγ

acsinβ = 2πbsin120°

sin90° =1.209Å−1

c* = 2πΩreal

(b× a) = 2πabcsinγ

absinγ = 2πc= 0.785Å−1

Page 8: Soution of HW2

  8  

 b)  The  volume  of  real  cell:  

   The  Volume  of  the  reciprocal  cell;  

Ω* =(2π )3

Ωreal  see  the  proof  in  the  last  page.      

Ω* =(2π )3

Ωreal

=(2π )3

abcsinγ=(2π )3

166.27=1.49Å−3

     c  )  We  need  to  determine  the  reciprocal  victor  G  to  calculate  d  (the  space  between  two  planes  of  (210)  by  using  the  relation:  

   We  use  the  square  of  the  two  sides  of  the  equation  to  solve  the  problem  :  

|Ghkl |2=(2π )2

(dhkl )2  

 

|Ghkl |2=(2π )2

(dhkl )2  

Where  |Ghkl |

2= (ha* + kb* + lc*).((ha* + kb* + lc*)  l=0  |Ghkl |

2= (ha* + kb*).(ha* + kb*) = a2 + b2 + 2abcosγ *  (Note:  a.a=a2,  b.b=b2,  a.b=ab  cosγ)  where  γ*  is  the  reciprocal  angle  between  a*  and  b*    From  the  figure  below  in  one  dimension,  we  can  determine  the  angle  γ*  The  red  vectors  are  a  and  b  vectors  and  the  black  vectors    are  a*  and  b*  are  the  reciprocal  vectors.  The  total  angle  of  any  triangle  =  180o  Thus  γ*=  180  o  -­‐90  o  -­‐30  o  =  60  o    

Ωreal = abcsinγ = 4×6×8sin120° =166.27Å3

|Ghkl |=2πdhkl

Page 9: Soution of HW2

  9  

   Hence    |Ghkl |= a2 + b2 + 2abcosγ * = (1.8)2 + (1.209)2 + 2×1.8×1.209cos60° = 18.78 = 4.334Å−1

 Thus,    the  distance  between  (210)  dhkl  

|Ghkl |2=(2π )2

(dhkl )2    

(dhkl )2 =

(2π )2

|Ghkl |2  

dhkl =2π|Ghkl |

=2π4.334

=1.449Å  

   

1-­‐  Driving  the  volume  of  the  unit  cell:  

     The  volume  of  the  unit  cell:  

Ωreal  =  a.(bxc)=  a  (bxc)  cosϕ  =  abc  cosϕ  sinα      (1*)    Where  ϕ  is  the  angle  between  the  plane  (bc)  and  a  We  need  to  solve  the  volume  as  a  function  of  α,β  and  γ  only.  We  use  :  a  x(bxc)=c(a.b)-­‐b(a.c)    abc  sinα  sinϕ=(acb  cos  γ  –acb  cos  β)    we  square  the  both  sides    (abc  sinα  sinϕ)2=(acb  cos  γ  –acb  cos  β)2  (acb  cos  γ  –acb  cos  β)2=  (acb  cos  γ  –acb  cos  β).  (acb  cos  γ  –acb  cos  β)2  

Ωreal = abc 1− cos2α − cos2 β − cos2 γ + 2cosα cosβ cosγ

γ=120o

 90o

 γ*

90o

 

   30

o

b

a

b* a*

Page 10: Soution of HW2

  10  

 Note:  a.a=a2,  a.b=ab  sin  γ,  a.c=ac  sin  β,  the  same  for  b  and  c.      (abc   sinα   sinϕ)2=(acb   cos   γ   –acb   cos  β)2=   (abc)2[(cosβ)2  -­‐   2cos  βcos   γ   cosα  +  (cos  γ)2]  (sinα)2  (1-­‐cos2ϕ)  =(cosβ)2  -­‐  2cos  βcos  γ  cosα  +  (cos  γ)2  sin2α  cos2ϕ=sin2α  –  (cos2β-­‐  2cos  βcos  γ  cosα  +  cos2γ)                  =1-­‐  cos2α  -­‐  cos2β  +  2cos  βcos  γ  cosα  -­‐  cos2γ          Thus,  

sinα  cosϕ=[  1-­‐  cos2α  -­‐  cos2β  +  2cos  βcos  γ  cosα  -­‐  cos2γ]1/2              (2*)    by  using  eq.(2*)  into  e.q.(1*)  Ωreal  =  abc  cosϕ  sinα  =    abc  [  1-­‐  cos2α  -­‐  cos2β  +  2cosβ  cosγ  cosα  -­‐  cos2γ]1/2          

           2-­‐  driving    

Ω* =(2π )3

Ωreal

 

We  use  again:  a  x(bxc)=c(a.b)-­‐b(a.c)  a.(bxc)=b.(axc)=c(axb)  we  will  use  also:  a*,  b*  and  c*  equations.    

Ω* = a*.(b* × c*) = 2π (c×b).(b* × c*)

a.(b× c)=2πb.[c× (b* × c*)]

a.(b× c)=2πb.[(c.c*)b* − (c.b*)c*]

a.(b× c)

 we  use  :  b.b*=  2π  and  b.c*=0  and  definition  of  a*,  b*  

Ω* =2πb.[(c.c*)b* − (c.b*)c*]

a.(b× c)=(2π )2b..b*

a.(b× c)=

b.(c× a)[a.(b× c)]2

=(2π )3

a.(b× c)  

Ω* =(2π )3

Ωreal  

                 

Ωreal = abc 1− cos2α − cos2 β − cos2 γ + 2cosα cosβ cosγ

Page 11: Soution of HW2

  11