Kimia padatan berurusan dengan sintesis, struktur, dan sifat material padat, membentuk fondasi ilmu material. Padatan kristalin dicirikan oleh susunan periodik atom, ion, atau molekul dalam ruang tiga dimensi. Unit berulang terkecil adalah sel satuan, didefinisikan oleh tiga vektor kisi (a, b, c) dan sudut di antaranya (α, β, γ). Ada tujuh sistem kristal (kubik, tetragonal, ortorombik, heksagonal, rombohedral, monoklinik, triklinik) dan empat belas kisi Bravais yang menggambarkan semua kemungkinan susunan simetri translasi. Kombinasi jenis kisi dan basis (atom atau gugus atom yang terkait dengan setiap titik kisi) menentukan struktur kristal lengkap.
Kemasan Rapat dan Situs Interstisial
Banyak struktur padatan didasarkan pada susunan kemasan rapat bola. Dalam kemasan rapat heksagonal (hcp), lapisan ditumpuk dalam pola ABAB, sedangkan kemasan rapat kubik (ccp, juga disebut kubus berpusat muka, fcc) mengikuti pola ABCABC. Keduanya mencapai efisiensi kemasan 74%, dengan setiap bola dikoordinasikan oleh 12 tetangga terdekat. Sisa 26% ruang terdiri dari situs interstisial dari dua jenis: lubang tetrahedral (dikoordinasikan oleh 4 atom) dan lubang oktahedral (dikoordinasikan oleh 6 atom). Dalam ccp, ada 8 lubang tetrahedral dan 4 lubang oktahedral per sel satuan. Okupansi situs-situs ini menentukan stoikiometri banyak senyawa ionik dan interlogam. Sebagai contoh, dalam struktur spinel (AB₂O₄), A menempati situs tetrahedral dan B menempati situs oktahedral dalam susunan oksida ccp.
Struktur Ionik
Senyawa ionik mengkristal dalam struktur karakteristik yang memaksimalkan tarikan elektrostatik sambil meminimalkan tolakan. Struktur garam batu (NaCl) terdiri dari kisi fcc yang saling menembus dari kation dan anion, dengan setiap ion dalam koordinasi oktahedral (bilangan koordinasi 6). Struktur CsCl didasarkan pada kisi kubik sederhana dari satu ion dengan ion lainnya di pusat badan (bilangan koordinasi 8). Dalam zink blenda (ZnS), ion sulfida membentuk susunan ccp dengan Zn²⁺ menempati setengah lubang tetrahedral (bilangan koordinasi 4). Wurtzit adalah analog heksagonal dari ZnS. Struktur fluorit (CaF₂) memiliki Ca²⁺ dalam ccp dengan F⁻ menempati semua situs tetrahedral, sedangkan struktur antifluorit membalik posisi ion (mis., Li₂O). Tipe struktural ini diatur oleh aturan rasio jari-jari: rasio r_+/r_- memprediksi bilangan koordinasi yang disukai.
Cacat dalam Padatan Kristalin
Kristal nyata mengandung cacat yang sangat mempengaruhi sifat fisik dan kimianya. Cacat titik meliputi vakansi (atom hilang), interstisial (atom ekstra di situs yang biasanya tidak terisi), dan pengotor substitusi. Cacat Schottky terdiri dari pasangan vakansi kation dan anion, menjaga netralitas muatan dan stoikiometri, umum dalam senyawa yang sangat ionik seperti NaCl. Cacat Frenkel melibatkan kation yang berpindah dari situs kisinya ke situs interstisial, meninggalkan vakansi, khas untuk senyawa yang kurang ionik seperti AgCl. Konsentrasi cacat intrinsik ini meningkat secara eksponensial dengan suhu. Cacat garis (dislokasi) sangat penting untuk memahami sifat mekanik: dislokasi tepi melibatkan setengah bidang atom tambahan, sedangkan dislokasi ulir menciptakan distorsi heliks. Batas butir, batas kembar, dan cacat penumpukan adalah contoh cacat planar yang mempengaruhi difusi dan reaktivitas.
Teori Pita: Konduktor, Semikonduktor, dan Isolator
Teori pita memperluas teori orbital molekul ke padatan diperluas. Orbital atom bergabung membentuk orbital kristal, yang terdelokalisasi di seluruh kristal dan membentuk pita energi yang dipisahkan oleh celah pita (E_g). Dalam konduktor (logam), tingkat Fermi berada di dalam pita, memungkinkan elektron bergerak bebas di bawah medan listrik yang diterapkan. Dalam isolator, pita valensi terisi penuh dan dipisahkan dari pita konduksi kosong oleh E_g besar (> 3 eV). Semikonduktor memiliki nilai E_g antara (0,5-3 eV) dan dapat didoping untuk mengontrol konduktivitas. Doping melibatkan introduksi pengotor yang disengaja: doping tipe-n menambahkan atom kaya-elektron (mis., P dalam Si), sedangkan doping tipe-p menambahkan atom kekurangan-elektron (mis., B dalam Si). Sambungan p-n, terbentuk pada antarmuka semikonduktor tipe-p dan tipe-n, adalah blok bangunan fundamental dioda, transistor, dan sel surya.
Superkonduktivitas dan Material Lanjutan
Superkonduktivitas adalah fenomena resistansi listrik nol di bawah suhu kritis (T_c). Superkonduktor konvensional (mis., NbTi, T_c ≈ 10 K) dijelaskan oleh teori BCS, di mana elektron membentuk pasangan Cooper melalui getaran kisi (fonon). Superkonduktor suhu-tinggi, seperti kuprat (mis., YBa₂Cu₃O_{7-δ}, T_c ≈ 92 K), mengandung struktur mirip perovskit berlapis dengan bidang CuO₂ yang penting untuk superkonduktivitas. Perovskit (ABO₃) adalah keluarga struktural yang luar biasa serbaguna, menunjukkan feroelektrisitas (BaTiO₃), piezoelektrisitas (PZT), magnetisme, dan superkonduktivitas. Zeolit adalah aluminosilikat mikropori dengan saluran dan rongga yang terdefinisi baik, banyak digunakan sebagai saringan molekul, katalis, dan penukar ion. Kerangka logam-organik (MOF) memperluas konsep ini ke material hibrida dengan luas permukaan yang sangat tinggi, ukuran pori yang dapat disetel, dan aplikasi dalam penyimpanan gas, pemisahan, dan katalisis.
