सॉलिड-स्टेट केमिस्ट्री

ठोस-अवस्था रसायन, जिसे कभी-कभी सामग्री रसायन शास्त्र भी कहा जाता है, ठोस चरण सामग्री के संश्लेषण, संरचना और गुणों का अध्ययन है। इसलिए इसमें ठोस-अवस्था भौतिकी, खनिज विज्ञान,स्फटिक रूप-विधा, चीनी मिट्टी की चीज़ें(मिट्टी के पात्र), धातु विज्ञान, ऊष्मप्रवैगिकी, सामग्री विज्ञान और इलेक्ट्रानिक्स के साथ नवीन सामग्री के संश्लेषण और उनके लक्षण वर्णन पर ध्यान देने के साथ एक मजबूत अतिव्यापन है। कृत्रिम तकनीकों की एक विविध श्रेणी, जैसे कि सिरेमिक विधि(चीनी मिट्टी की विधि) और रासायनिक वाष्प जमाव, ठोस-अवस्था सामग्री बनाते हैं। ठोसों को उनके घटक कणों की व्यवस्था में मौजूद क्रम की प्रकृति के आधार पर स्फटिकीय या अनाकार के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। उनकी तात्विक रचनाओं, सूक्ष्म संरचनाओं और भौतिक गुणों को विभिन्न प्रकार की विश्लेषणात्मक विधियों के माध्यम से चित्रित किया जा सकता है।

इतिहास
वाणिज्य के उत्पादों के लिए इसकी प्रत्यक्ष प्रासंगिकता के कारण, ठोस अवस्था अकार्बनिक रसायन प्रौद्योगिकी द्वारा दृढ़ता से संचालित किया गया है। क्षेत्र में प्रगति प्राय: उद्योग की माँगों से प्रेरित होती है, कभी-कभी शिक्षाविदों के सहयोग से। 20वीं शताब्दी में खोजे गए अनुप्रयोगों में 1950 के दशक में पेट्रोलियम प्रसंस्करण के लिए ज़ीइलाइट और प्लैटिनम -आधारित उत्प्रेरक, 1960 के दशक में सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के मुख्य घटक के रूप में उच्च शुद्धता वाले सिलिकॉन और 1980 के दशक में "उच्च तापमान" अतिचालकता सम्मलित हैं।1900 की शुरुआत में विलियम लॉरेंस ब्रैग द्वारा एक्स - रे स्फटिक रूप-विधा का आविष्कार एक सक्षम नवाचार था। ठोस अवस्था में परमाणु स्तर पर अभिक्रियाएं कैसे आगे बढ़ती हैं, इसकी हमारी समझ ऑक्सीकरण दर सिद्धांत, आयनों के प्रति प्रसार और दोष रसायन पर कार्ल वैगनर के काम से काफी उन्नत थी। उनके योगदान के कारण, उन्हें कभी-कभी ठोस अवस्था रसायन विज्ञान का जनक कहा जाता है।

कृत्रिम तरीके
ठोस अवस्था वाले यौगिकों की विविधता को देखते हुए, उनकी तैयारी के लिए समान रूप से विविध प्रकार की विधियों का उपयोग किया जाता है। संश्लेषण उच्च तापमान विधियों से लेकर हो सकता है, जैसे कि सिरेमिक विधि, गैस विधियाँ, जैसे रासायनिक वाष्प जमाव। प्रायः, विधियाँ दोष निर्माण को रोकती हैं या उच्च शुद्धता वाले उत्पादों का उत्पादन करती हैं।

 उच्च तापमान के तरीके 

सिरेमिक विधि(चीनी मिट्टी की विधि)

सिरेमिक विधि(चीनी मिट्टी की विधि) सबसे आम संश्लेषण तकनीकों में से एक है। संश्लेषण पूरी तरह से ठोस अवस्था में होता है। अभिकारकों को एक साथ पीसा जाता है,एक गोली के रूप में बनाया जाता है, और एक चूल्हा में उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है। उच्च तापमान पर पूर्ववर्तियों की अभिक्रिया के बाद, दोषों को रोकने और एक सुव्यवस्थित स्फटिक बनाने के लिए चूल्हा के तापमान को धीरे-धीरे कम किया जाना चाहिए।

ओखल और मूसल या बॉल मिल(गेंद की चक्की) का उपयोग करके, अभिकारकों को एक साथ पीसा जाता है, जो आकार को कम करता है और अभिकारकों के सतह क्षेत्र को बढ़ाता है। यदि मिश्रण पर्याप्त नहीं है, तो हम सह-अवक्षेपण और सोल-जेल जैसी तकनीकों का उपयोग कर सकते हैं। एक रसायनज्ञ जमीनी अभिकारकों से छर्रों का निर्माण करता है और छर्रों को गर्म करने के लिए कंटेनर(डिब्बा) में रखता है। कंटेनर(डिब्बा) का चुनाव पूर्ववर्ती, अभिक्रिया तापमान और अपेक्षित उत्पाद पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, धातु ऑक्साइड समान्यता सिलिका या एल्युमिना कंटेनर(डिब्बा) में संश्लेषित होते हैं। एक ट्यूब(नली) भट्टी गोली को गर्म करती है। ट्यूब(नली) भट्टियां अधिकतम 2800oC तापमान तक उपलब्ध हैं।

चूल्हा तकनीक
ऊष्मीय रूप से मजबूत सामग्री के लिए, उच्च तापमान विधियों को प्राय: नियोजित किया जाता है। उदाहरण के लिए, ट्यूब(नली) भट्टियों का उपयोग करके बल्क ठोस तैयार किए जाते हैं, जो सीए तक अभिक्रियाओं को संचालित करने की अनुमति देते हैं। 1100 डिग्री सेल्सियस, जबकि तापमान सीए तक। 2000 डिग्री सेल्सियस के लिए टैंटलम जूल हीटिंग तत्वों वाली विशेष भट्टियों के उपयोग की आवश्यकता होती है। ऐसे उच्च तापमान कभी-कभी अभिकारकों के प्रसार को प्रेरित करने के लिए आवश्यक होते हैं।

पिघलाने के तरीके
एक विधि जो प्राय: नियोजित की जाती है वह है अभिकारकों को एक साथ पिघलाना और फिर बाद में ठोस पिघल को नष्ट करना। यदि वाष्पशील अभिकारक सम्मलित होते हैं, तो अभिकारकों को प्राय: एक ampoule में रखा जाता है जिसे मिश्रण से निकाला जाता है

शीशी के निचले हिस्से को तरल नाइट्रोजन में रखा जाता है और फिर सील कर दिया जाता है। सीलबंद ampoule को फिर चूल्हा में रखा जाता है और एक निश्चित ताप उपचार दिया जाता है। पिघले हुए प्रवाह की उपस्थिति में, महीन स्फटिकीय मैट्रिक्स के भीतर कुछ अनाज तेजी से बढ़ सकते हैं। यह असामान्य अनाज वृद्धि (एजीजी) पैदा करता है, जो उत्पादित ठोस के लिए वांछित हो भी सकता है और नहीं भी।

समाधान के तरीके
वर्षा या वाष्पीकरण द्वारा ठोस पदार्थ तैयार करने के लिए सॉल्वैंट्स का उपयोग करना संभव है। कभी-कभी विलायक का उपयोग जलतापीय  के रूप में किया जाता है जो सामान्य क्वथनांक से अधिक तापमान पर दबाव में होता है। इस विषय पर भिन्नता प्रवाह विधियों का उपयोग है, जहां उच्च तापमान विलायक के रूप में कार्य करने के लिए मिश्रण में अपेक्षाकृत कम पिघलने बिंदु का नमक जोड़ा जाता है जिसमें वांछित अभिक्रिया हो सकती है। यह बहुत उपयोगी हो सकता है

गैस अभिक्रियाएं
कई ठोस अभिक्रियाशील गैस प्रजातियों जैसे क्लोरीन, आयोडीन, ऑक्सीजन आदि के साथ तीव्र अभिक्रिया करते हैं। अन्य अन्य गैसों के साथ व्यसन बनाते हैं, उदा। सीओ या एथिलीन। इस तरह की अभिक्रियाएं प्राय: ट्यूब(नली)ों में आयोजित की जाती हैं जो दोनों तरफ से खुली होती हैं और जिसके माध्यम से गैसों को पारित किया जाता है। इसका एक रूपांतर यह है कि अभिक्रिया को मापने के उपकरण जैसे कि थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण के अंदर होने दिया जाए। उस मामले में अभिक्रिया के दौरान रससमीकरणमितीय जानकारी प्राप्त की जा सकती है, जो उत्पादों की पहचान करने में मदद करती है।

सामग्री के स्फटिक को शुद्ध करने और विकसित करने के लिए रासायनिक परिवहन अभिक्रियाओं का उपयोग किया जाता है। प्रक्रिया प्राय: एक सीलबंद ampoule में की जाती है। परिवहन प्रक्रिया में परिवहन एजेंट की एक छोटी मात्रा को जोड़ने की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए, आयोडीन, जो एक वाष्पशील मध्यवर्ती प्रजाति उत्पन्न करता है जो माइग्रेट (परिवहन) करता है। Ampoule को तब दो तापमान क्षेत्रों के साथ एक चूल्हा में रखा जाता है।

रासायनिक वाष्प जमाव एक ऐसी विधि है जो आणविक पूर्ववर्तियों से कोटिंग्स और अर्धचालकों की तैयारी के लिए व्यापक रूप से नियोजित है।

नए चरण, चरण आरेख, संरचनाएं
कृत्रिम पद्धति और लक्षण वर्णन प्राय: इस अर्थ में साथ-साथ चलते हैं कि एक नहीं बल्कि अभिक्रिया मिश्रण की एक श्रृंखला तैयार की जाती है और गर्मी उपचार के अधीन होती है। स्टोइकोमेट्री समान्यता एक व्यवस्थित तरीके से भिन्न होती है, यह पता लगाने के लिए कि कौन से स्टोइकियोमेट्रीज़ नए ठोस यौगिकों या ज्ञात लोगों के बीच ठोस समाधान का नेतृत्व करेंगे। अभिक्रिया उत्पादों को चिह्नित करने के लिए एक प्रमुख विधि पाउडर विवर्तन है, क्योंकि कई ठोस अवस्था अभिक्रियाएं पॉलीस्फटिकाइन सिल्लियां या पाउडर का उत्पादन करती हैं। पाउडर विवर्तन मिश्रण में ज्ञात चरणों की पहचान की सुविधा प्रदान करता है। यदि कोई पैटर्न पाया जाता है जो विवर्तन डेटा पुस्तकालयों में ज्ञात नहीं है, तो पैटर्न को अनुक्रमित करने का प्रयास किया जा सकता है, यानी समरूपता और यूनिट सेल के आकार की पहचान करने के लिए। (यदि उत्पाद स्फटिकीय नहीं है तो लक्षण वर्णन समान्यता अधिक कठिन होता है।) एक बार जब एक नए चरण की इकाई कोशिका ज्ञात हो जाती है, तो अगला चरण चरण के स्टोइकोमेट्री को स्थापित करना होता है। यह कई तरीकों से किया जा सकता है। कभी-कभी मूल मिश्रण की संरचना एक संकेत देती है,

यदि केवल एक उत्पाद पाया जाता है - एक एकल पाउडर पैटर्न - या यदि कोई ज्ञात सामग्री के अनुरूप एक निश्चित संरचना का चरण बनाने की कोशिश कर रहा था लेकिन यह दुर्लभ है। प्राय:, नई सामग्री का शुद्ध नमूना प्राप्त करने के लिए कृत्रिम पद्धति को परिष्कृत करने में काफी प्रयास की आवश्यकता होती है। यदि उत्पाद को बाकी अभिक्रिया मिश्रण से अलग करना संभव है, तो तात्विक विश्लेषण का उपयोग किया जा सकता है। एक अन्य तरीके में स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन बीम में विशेषता एक्स-रे की पीढ़ी सम्मलित है। एक्स-रे विवर्तन का उपयोग इसकी इमेजिंग क्षमताओं और डेटा निर्माण की गति के कारण भी किया जाता है। उत्तरार्द्ध को प्राय: प्रारंभिक प्रक्रियाओं को फिर से देखने और परिष्कृत करने की आवश्यकता होती है और यह इस सवाल से जुड़ा होता है कि कौन से चरण किस रचना और किस स्टोइकोमेट्री पर स्थिर हैं। दूसरे शब्दों में, चरण आरेख कैसा दिखता है। इसे स्थापित करने में एक महत्वपूर्ण उपकरण थर्मल विश्लेषण तकनीक है जैसे खास तरह की स्कैनिंग उष्मामिति या विभेदक थर्मल विश्लेषण  और तेजी से  सिंक्रोटॉन  के आगमन के कारण, तापमान पर निर्भर पाउडर विवर्तन। चरण संबंधों का बढ़ा हुआ ज्ञान प्राय: आगे की ओर ले जाता है पुनरावृत्त तरीके से कृत्रिम प्रक्रियाओं में शोधन। इस प्रकार नए चरणों को उनके गलनांक और उनके स्टोइकोमेट्रिक डोमेन द्वारा चित्रित किया जाता है। उत्तरार्द्ध कई ठोस पदार्थों के लिए महत्वपूर्ण है जो गैर-स्टोइकियोमेट्रिक यौगिक हैं। XRD से प्राप्त सेल पैरामीटर बाद की एकरूपता श्रेणियों को चिह्नित करने में विशेष रूप से सहायक होते हैं।

स्थानीय संरचना
स्फटिक की बड़ी संरचनाओं के विपरीत, स्थानीय संरचना निकटतम पड़ोसी परमाणुओं की बातचीत का वर्णन करती है। परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी के तरीके नाभिक के चारों ओर विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की जांच के लिए विशिष्ट परमाणु नाभिक का उपयोग करते हैं। उदा. विद्युत क्षेत्र ढाल जाली विस्तार/संपीड़न (तापीय या दबाव), चरण परिवर्तन, या स्थानीय दोषों के कारण होने वाले छोटे परिवर्तनों के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। मोसबाउर स्पेक्ट्रोस्कोपी और पर्टुरबेड कोणीय सहसंबंध सामान्य तरीके हैं।

आगे की विशेषता
कई मामलों में, नए ठोस यौगिकों की और विशेषता होती है विभिन्न प्रकार की तकनीकों द्वारा जो ठोस-अवस्था रसायन विज्ञान को ठोस-अवस्था भौतिकी से अलग करने वाली महीन रेखा को फैलाती है। लक्षण वर्णन (सामग्री_विज्ञान) देखें।

ऑप्टिकल गुण
गैर-धातु सामग्री के लिए, प्राय: यूवी/विज़ स्पेक्ट्रा प्राप्त करना संभव होता है। सेमीकंडक्टर्स के मामले में जो बैंड गैप का अंदाजा देगा।

बाहरी संबंध

 * , Sadoway, Donald. 3.091SC; Introduction to Solid State Chemistry, Fall 2010. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare)
 * , Sadoway, Donald. 3.091SC; Introduction to Solid State Chemistry, Fall 2010. (Massachusetts Institute of Technology: MIT OpenCourseWare)