Estructura cristalina: Índices de Miller. Y en términos de grado de compacidad? Volumen de átomos= Volumen de la celda= ( ) 3

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Purificación Ríos Cabrera
hace 7 años
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1 1 Cuántos átomos hay en una celda unidad? Vértices 1/8 Caras 1/2 Número total de átomos en la celda unidad: 8 en los vértices: 8 x 1/8 = 1 6 en las caras: 6 x 1/2 = 3 Total: 4 átomos Y en términos de grado de compacidad? Volumen de átomos= 4 4 πr 3 Volumen de la celda= ( ) r Fracción de empaquetamiento

2 2 Pero ya decíamos que no todas las estructuras cristalinas presentan empaquetamiento compacto; en algunos casos los requerimientos del tipo de enlace en el material en cuestión son incompatibles con este tipo de empaquetamiento por lo que se obtienen estructuras más abiertas, menos compactas. En la figura siguiente se muestran los factores de empaquetamiento de las estructuras cristalinas cúbicas más frecuentes, incluyendo la centrada en caras de la que ya hemos hablado. 1 átomo por celda 2 átomos por celda 4 átomos por celda

3 3 Antes de pasar a ver algunas de las estructuras cristalinas reales más frecuentes, tenemos que estudiar la nomenclatura habitual para nombrar tanto a las posiciones de los puntos de red dentro de la celda, como los diferentes planos y direcciones característicos de una red cristalina (planos atómicos y direcciones cristalográficas). Red 2D Vectores de la red OD

4 4 La secuencia para determinar los índices de una dirección o un plano en tres dimensiones sería la siguiente: DIRECCIONES CRISTALOGRÁFICAS 1.- Se traza un vector paralelo a la dirección que se quiere indexar, que pase por el origen de coordenadas del sistema.

5 5 2.- Se determina la longitud de la proyección de ese vector sobre cada uno de los ejes en función de las dimensiones de la celda unidad 3.- Estos tres números se multiplican o dividen por un factor común para reducirlos al menor entero posible. Una vez calculados los índices, la recta se representa por estos tres enteros encerrados entre corchetes y sin comas entre ellos [uvw]. u, v y w corresponden a las proyecciones reducidas a lo largo de los ejes x, y, z respectivamente. Por supuesto los índices pueden ser negativo, cuando éste el caso se indica colocando una línea sobre el índice. [112] [0 2 1] [ 111] [210]

6 6 Veamos ahora como se describen los planos cristalográficos. Como hacíamos para las direcciones cristalográficas podemos establecer un secuencia para ver cuáles son los índices de Miller de un plano determinado. 1.- De todos los planos paralelos a aquél del que se quieren determinar los índices, se elige el que esté más próximo al origen sin cruzarlo. El plano en cuestión, o bien corta o bien es paralelo (corta en el infinito) a cada uno de los ejes cristalográficos. 2.- Se determinan los puntos de corte con los ejes en función de los vectores de la red. Se multiplican o dividen por un factor común los recíprocos de los cortes con los ejes que se han determinado. Estos serán los tres números enteros a los que denominamos índices de Miller y que, como en el caso de las direcciones cristalográficas, representamos entre paréntesis y sin separar por comas.

7 7 (221) (212) (11 1 ) ( 1 11) Finalmente la posición de un átomo en la celda se determina por las componentes de su vector de posición respecto al origen expresadas en términos de los módulos de los vectores de la celda. ½ c ½ a ½ b

8 8 En la mayor parte de las estructuras cristalinas se pueden encontrar direcciones no paralelas, y por tanto con diferentes índices, que sin embargo son equivalentes. Esta equivalencia se refiere al hecho de que las distancias interatómicas a lo largo de esas direcciones son idénticas. Esto ocurre por ejemplo en cristales cúbicos con las siguientes direcciones: [100], [010], [001], [ 1 00], [0 1 0] y [00 1 ]. En el caso del sistema cúbico son equivalentes todas las direcciones que tienen índices con idénticos valores absolutos, sin importar el orden pero no ocurre lo mismo en todos los sistemas cristalinos. Por ejemplo en el sistema tetragonal las direcciones [100] y [010] son equivalentes, mientras que las direcciones [100] y [001] no lo son. A efectos de simplificar la nomenclatura, resulta conveniente agrupar todas las direcciones equivalentes en una familia que se representa por los índices de una de las direcciones encerradas en paréntesis angulares, <100> para el ejemplo anterior. De la misma forma, podemos encontrar planos cristalográficos equivalentes con índices de Miller distintos. En este caso la equivalencia se refiere al la disposición de los átomos dentro del plano. Recurriendo de nuevo al sistema cúbico vemos que los planos (111), ( 1 11), (1 1 1), (11 1 ), ( 1 11), (111), (11 1) y (1 1 1 ) son equivalentes, y se dice de ellos que pertenecen a la misma familia, lo que se denota como {111}. Como ocurría para las direcciones cristalográficas, sólo en el caso del sistema cúbico se puede afirmar que todos los planos con los mismos índices en valor absoluto y un orden cualquiera son equivalentes.

9 9 Los cristales hexagonales tienen una peculiaridad que hace que sea conveniente recurrir a un sistema de indexación ligeramente distinto, conocido como de Miller-Bravais. En este sistema en lugar de los tres índices (hkl), se utilizan cuatro índices (hkil). Veamos por qué se usan y cómo se determinan estos índices. Las tres caras mostradas en la celda unidad hexagonal son planos pertenecientes a la misma familia, sin embargo con el sistema de ejes elegidos esta equivalencia no es en absoluto obvia a la vista de los índices de Miller.

10 10 Introduzcamos un cuarto eje, que denotamos u, tal como se muestra en la figura Este cuarto eje es en realidad una combinación lineal de los ejes x e y puesto que los tres están en el mismo plano. El índice asociado a este nuevo eje se puede expresar en términos de los índices de Miller h y k de manera que i=- (h+k). Si ahora reasignamos índices a los planos señalados......hemos resuelto el problema de notación, puesto que ahora los tres planos cristalográficos si se expresan mediante índices fácilmente asociables a la misma familia. (0001) (10 11)

11 11 El sistema de Miller-Bravais también se utiliza para asignar índices a las direccines cristalográficas en el sistema hexagonal. Reasignamos índices a los ejes x, y, z

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