МАТЕРІАЛИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТА ОПТОЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНОЛОГІЙ Навчальний посібник Чернівці
|
|
Скачати 1.2 Mb.
|
|
Міністерство освіти і науки України Черенівецький національний університет імені Юрія Федьковича К. Ю. Зенкова МАТЕРІАЛИ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ТА ОПТОЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНОЛОГІЙ Навчальний посібник Чернівці “Рута” 2007 Розділ 1. Закономірності у формуванні структури кристалічних матеріалів
У природі існує два різновиди твердих тіл, які відрізняються за властивостями – кристалічні та аморфні. Кристалічні тіла при нагріванні залишаються твердими, тобто зберігають надану їм форму, до деякої визначеної температури, за якою вони переходять у рідкий стан. При охолодженні процес відбувається у зворотному напрямку. Причому, перехід з одного стану в інший відбувається ізотермічно (рис. 1) при визначеній температурі плавлення.  Рис.1. Аморфні тіла при нагріванні розм’ягшуються у значному температурному інтервалі, стають в’язкими, а потім переходять у рідкий стан. При охолодженні процес йде у зворотному напрямку. На кривій охолодження неможливо відмітити цей інтервал перетворень. Кристалічний стан твердого тіла характеризується меншим термодинамічним потенціалом і більш стабільно, ніж аморфний стан. Аморфний стан можна розглядати як переохолоджену рідину із істотно пониженою рухомістю частинок. Його можна зафіксувати у багатьох органічних та неорганічних речовинах охолодженням з рідкого стану. Однак при повторному нагріванні, тривалій витримці при кімнатних температурах, а у деяких випадках, при деформації, нестабільність аморфного тіла проявляється у частковому або повному переході у кристалічний стан. Прикладами такого переходу можуть бути: помутніння неорганічного скла при нагріванні, часткова кристалізація плавленого бурштину при нагріванні, цвітіння оптики при тривалому використанні, часткова кристалізація капронової нитки при розтязі, що супроводжується зміцнінням. Часткова кристалізація при повторному нагріванні представлена на прикладі структури кременистого полімеру (рис.2). Рис.2. Кристали мають радіальну симетрію, решта – аморфна речовина. Кристалічні тіла характеризуються впорядкуванням розташування в просторі елементарних частинок, з яких вони складені (іонів, атомів, молекул). Цей геометричний фактор приводить до анізотропії (векторіальності) властивостей, а також до наявності у кристалі - площин, за якими відбувається зсув елементарних частинок при деформації. Електронна будова атомів, які складають кристал, визначають характер міжатомної взаємодії і формують електричні, теплові, магнітні та оптичні властивості кристалу. Енергія такої взаємодії визначає: температури плавлення та випаровування, коефіцієнти стиску та розширення, атомний діаметр, енергію активації дифузії, а також такі механічні властивості, як модуль пружності. Більшість механічних та фізичних властивостей матеріалів (міцність, пластичність, коерцитивна сила та ін.) залежать від структури. Поняття структури – є широким. Це є можливі неоднорідності будови, які спостерігаються по об'єму всієї деталі, які часто спостерігаються неозброєним оком або при незначних збільшенням за допомогою лупи. Такий вид структури носить назву макроструктури. Вивчаючи макроструктури на спеціальних зразках (шліфованих та протравлених), можна побачити різні види порушення суцільності (тріщини, раковини газову пористість та ін.), хімічну неоднорідність (ліквації), неоднорідність, яка викликається через обробку тиском (фігури течії). Дослідження макроструктури, незважаючи на простоту, є досить корисним методом вивчення матеріалів. Більшість матеріалів складаються з дрібних кристаликів (зерен), розміри яких можуть досягати декількох ангстрем (10-10 м). Спостерігати такі дрібні структурні складові - мікроструктуру можна за допомогою оптичного (до 10-5 см) або електронного мікроскопа (до 4  10-8 см).Мікроскопічні методи дають можливість визначити розміри і форму зерен, наявність різних за своєю природою зерен, їх розподіл і відносні об’ємні кількості, форму шлакових включень і мікропорожнин, орієнтування кристалів, наявність спеціальних кристалографічних ознак. Тонка структура на рівні розподілу атомів в кристалі та електронів в атомі вивчається дифракційними методами (рентгенографія, електронографія, нейтронографія). Аналізуючи дифракційну картину, яка отримається при взаємодії атомів кристалу з короткими хвилями (10-8-10-10 см) рентгенівських променів (або хвиль електронів, нейтронів) можна отримати повну інформацію про атомну будову кристалів та аморфних тіл. Ці методи дозволяють встановити форму та розміри атомної комірки кристалу, із скількох атомів складається комірка і де вони розташовані, різні види порушень і розташування атомів, визначити напрямок магнітних моментів окремих атомів, розташованих в кристалі, розподіл електронної густини атомів та інші особливості атомної будови.
Елементарні частинки (іони, атоми, молекули), з яких побудований кристал, розташовуються по-різному, але закономірно по різних напрямках. По паралельних напрямках розташування частинок однаково. Якщо у кристалі провести три напрямки x, y, z, які не лежать в одній площині, то відстань між частинками, які розташовані по цих напрямках у загальному випадку не однакові і відповідно дорівнюють a, b, c (рис.3).  Рис. 3. Розташування елементарних частинок у кристалі Площини, які паралельні координатним площинам і проведені на відстані a, b, c одна від одної розбивають кристал на множину паралелепіпедів, рівних і паралельно орієнтованих. Найменший паралелепіпед носить назву елементарної комірки. Послідовне переміщення його утворює просторову кристалічну решітку. Вершини паралелепіпеда носять назву вузлів просторової решітки. З цими вузлами співпадають центри тяжіння елементарних частинок, з яких побудований кристал. Просторові кристалічні решітки повністю визначають будову кристалу. Для опису елементарної комірки кристалічної решітки використовують шість величин: три відрізки, які дорівнюють відстаням до найближчих елементарних частинок по осях координат, а, b, c, та три кути між цими відрізками  .Співвідношення між цими величинами визначають форму комірки. По формі елементарних комірок всі кристали поділяють на сім систем (сингоній) (табл.1). Табл.1 .
Розмір елементарної комірки кристалічної решітки вимірюють відрізками a, b, c . Вони носять назву періодів решітки. Знаючи періоди, можна визначити іонний та атомний радіуси елементів. Він дорівнює половині найменшої відстані між частинками у решітці. У більшості випадків решітки є складними, оскільки елементарні частинки знаходяться не лише у вузлах кристалічної решітки, але й на її гранях або в центрі решітки (рис.4). Ступінь складності визначають по числу частинок, які знаходяться в одній елементарній комірці. У простій просторовій решітці (рис.4, а) завжди на одну комірку припадає одна частинка. У кожній комірці є вісім вершин, але кожна частинка у вершині відноситься, відповідно до восьми комірок, таким чином, кожній комірці відповідає восьма частина об’єму, а всього вузлів в комірці вісім, отже на кожну комірку припадає 1 елементарна частинка. У складній просторовій решітці на одну комірку завжди припадає більше однієї частинки. На об’ємну-центровану комірку (рис. 4, б), наприклад, дві: одна від вершини, а друга, центрована, яка відноситься лише до даної комірки. У гранецентрованій комірці (рис.4, в) є чотири частинки, одна від вершини і три від шести центрованих площин, оскільки елементарна частинка, яка знаходиться в центрі площини, відноситься одночасно до двох комірок. Рис.4. Система, період, число частинок, які приходяться на елементарну комірку, повністю визначають розташування елементарних частинок у кристалі. Інколи використовують додаткові характеристики кристалічної решітки, що випливає з її геометрії і описують щільність упаковки елементарних частинок в кристалі. Такими характеристиками є координаційне число і коефіцієнт компактності. Число найближчих рівновіддалених елементарних частинок визначають координаційне число. Наприклад, у решітці об’ємо-центрованого куба (ОЦК) для кожного атома число таких сусідів дорівнює восьми (К8). Для простої кубічної решітки координаційне число буде 6 (К6). Відношення об’єму всіх елементарних частинок, які відповідають одній елементарній комірці, до всього об’єму елементарної комірки, визначає коефіцієнт компактності. Для простої кубічної решітки цей коефіцієнт дорівнює 0,52, для ОЦК – 0,68, ГЦК – 0,74. Решта простору заповнюють пори, які поділяють на октаедричні та тетраедричні. Ці пори показані маленькими точками на решітках ГЦК та ГПУ (рис.5). Рис.5. Для багатьох кристалів характерна щільна упаковка елементарних частинок.
Вказуючи на фізичні або механічні властивості кристалу, необхідно додатково вказувати напрямок, до якого ці властивості відносяться. По паралельних напрямках властивості однакові, тому достатньо вказати для всього сімейства паралельних прямих один напрямок, які проходить через початок координат. Це дає можливість визначити напрямок прямої, лише однією точкою, оскільки іншою точкою відіграє початок координат. Такою точкою є вузол кристалічної решітки, який займається елементарною частинкою. Координати цього вузла виражають цілими числами u, v,  в одиницях відрізків a, b, c і заключають у квадратні дужки [u, v, ] і називають індексами напрямку. Їх завжди задають як цілі числа, а від’ємні значення індексу позначають знаком мінус над індексом (рис. 6).Рис. 6. Наявність анізотропії приводить до необхідності введення системи і у позначеннях площин. Положення площини в просторі визначається відрізками, які відсікаються площиною по осях xyz. Ці відрізки виражаються цілими числами m, n, p в одиницях відрізків a, b, c. Якщо по аналогії з індексами напрямку використовувати ці числа для позначення символів площини, то індекси площин, паралельних до осей координат, дорівнюють безмежності. Прийнято за індекси площин брати обернені відрізки:  . Три цих числа h, k, l у круглих дужках, носять назву індексів площини.Розглянемо дві паралельних площини I та II (рис.7). Площина II відсікає відрізки: m=1, n = 2, p = 2, обернені відрізки будуть рівними  . Індекси отримуються дрібними числами, тому що із заданого сімейства площин була взята площина, яка не є найближчою до початку координат. Ця площина відсікає відрізки:  , а тому обернені відрізки дорівнюють h=2, k=1, l=1. Індекси даної площини (211).Рис. 7. Якщо площини відсікають по осях від’ємні відрізки, то це позначається знаком мінус над відповідним індексом. У кубічному кристалі (см. рис.5) площини, перпендикулярні до осей x ,y, z , мають індекси (100), (010), (001). Вони співпадають з гранями куба і носять назву площин куба. Площини щільної упаковки (рис.5 г, д, заштриховані площини) носять назву площин ковзання, оскільки по цих площинах зсуваються атоми при пластичній деформації кристалу.
Анізотропія – це векторіальність властивостей кристалу, яка виникає як наслідок впорядкованого розташування атомів (іонів, молекул) в просторі. Властивості кристалів визначаються взаємодією атомів. У кристалі відстані між атомами в різних кристалографічних напрямках різні, а тому різні і властивості. Анізотропія притаманна всім властивостям кристалу. Найбільш сильно вона проявляється у кристалах зі структурами, які характеризуються незначною симетрією (табл. 2) . З приведених значень коефіцієнтів лінійного (теплового) розширення в кристалах по трьох взаємо перпендикулярних осях (див. табл. 2) видно, що анізотропія різко проявляється на структурах моноклінної, ромбічної і практично не відчувається на кубічних структурах. Таблиця 2 Коефіцієнт лінійного розширення кристалів
Такий же характер впливу симетрії структури на питомий електроопір. Магнітні властивості анізотропні і на кубічних кристалах. Наприклад, намагнічуваність феромагнетиків, які мають кубічну решітку, різна в різних напрямках. В техніці анізотропія властивостей кристалу важлива при використанні монокристалів. Так називають кристали, які отримані штучно. У природних умовах кристалічні тіла - полікристали, тобто складаються з множини дрібних по-різному орієнтованих кристалів. У цьому випадку анізотропія не проявляється, оскільки середньоквадратична відстань між атомами по всіх напрямках є майже однаковою. У зв’язку з цим полікристалічні тіла є квазіізотропними. У процесі обробки під тиском кристалографічні площини одного індексу в різних зернах можуть орієнтуватися паралельно. Такі полікристали називають текстурованими, і вони, подібно до монокристалів, анізотропні. Таблиця 3 Модуль пружності кристалів
Значення властивостей полікристалів займають проміжне положення в інтервалах значень для монокристалів (табл. 3).
Властивості кристалів залежать від взаємодії атомів, іонів та електронів між собою. Наприклад, на електричні, магнітні, теплові та оптичні властивості основний вплив здійснює взаємодія електронів. Атоми в кристалічній решітці твердого тіла наближуються один до одного настільки, що виникає вплив електромагнітних полів один на одний. Енергетичний стан електронів атома набувають істотних змін, як наслідок, підрівні розщеплюються і перетворюються в енергетичну зону (рис. 8). Рис. 8. Найбільше розщеплення набувають підрівні високих енергій, в тому числі валентні підрівні. Для даної природи атомів ширина енергетичної зони зростає при віддаленні від ядра, а при зближенні атомів зони перекриваються. Зміна енергетичних станів атомів при наближенні ілюструє схема, наведена на рис.9. Вільний атом зображений у вигляді потенціальної ями – просторової фігури, яка отримується обертанням кривої, яка зображує залежність потенціальної енергії електрона від відстані його від ядра атома. Електрони можуть знаходитися лише всередині цієї ями на визначених енергетичних рівнях (рис.9, а). Рис.9. При незначному зближенні атоми залишаються ізольованими один від одного енергетичним бар’єром. Цей бар’єр перешкоджає переходу електронів до сусіднього атому. При подальшому зближенні енергетичні зони перекриваються (рис.9, б), що понижує цей бар’єр. Як наслідок, валентні електрони, які мають більшу енергію, ніж цей бар’єр, можуть вільно переміщуватися від одного атому до іншого. Є можливим обмін і узагальнення валентних електронів. Електрони, які мають меншу енергію, ніж енергетичний бар’єр, залишаються розділеними і у такому обміні не приймають участі. На електричні властивості кристалів більший вплив здійснює густина заповнення електронами енергетичних станів валентної зони. При накладанні електричного поля електрони збуджуються, тобто переходять на більш високий енергетичний підрівень. Наявність незаповнених підрівнів у валентній зоні кристалів (см. рис.8) дозволяє здійснити такий перехід, не вимагаючи при цьому значних енергій. Це має місце у металах і забезпечує кристалам гарну електропровідність. При повному заповненні валентної зони такий перехід стає можливим лише тоді, коли електрони зможуть подолати зону заборонених енергій і перейдуть в зону більш високих енергій, які мають вільні підрівні. Для цього переходу електрону необхідна значна кількість енергії. Кристали з такою електронною структурою по своїх електронних властивостях відносяться до напівпровідників або діелектриків. Теплопровідність кристалічних тіл обумовлена також, як і електропровідність, рухом валентних електронів, а також взаємодією атомів (іонів) один з одним. У кристалі з недобудованими валентними енергетичними зонами теплопровідність здійснюється в основному, валентними електронами і такі кристали характеризуються гарною теплопровідністю. До них відносять метали. Діелектрики, в яких енергетичні зони повністю добудовані, характеризуються значно гіршою теплопровідністю, оскільки основна частина теплоти передається через взаємодію іонів. Магнітні властивості кристалів також залежать від заповнення енергетичних зон атомів. При незаповнених підрівнях спінові моменти електронів нескомпенсовані, і як наслідок кристал стає парамагнетиком, або навіть феромагнетиком. При заповнених енергетичних зонах спіновий момент дорівнює нулю і кристал буде діамагнетиком.
Природа сил, які утримують іони, атоми або молекули в певних місцях кристалічної решітки, визначають будову кристалу та його властивості. Характер зв’язку, який виникає між елементарними частинками у кристалі, формується електронною будовою атомів, які вступають у взаємодію. Елементарні частинки в кристалі наближуються на певну відстань, яка забезпечує кристалу найбільшу термодинамічну стабільність. Відстань, на яку зближуються частинки, визначається взаємодією сил, діючих в кристалі. Сили притягання виникають завдяки взаємодії електронів з додатньо зарядженим ядром власного атому, а також з додатньо зарядженими ядрами сусідніх атомів. Сили відштовхування виникають як наслідок взаємодії додатньо заряджених ядер сусідніх атомів при їх зближенні. Сили відштовхування проявляються при істотному зближенні і зростають інтенсивніше, ніж сили притягання (рис. 10). Рівновага сил відбувається при зближенні елементарних частинок на відстані d0. Зближенню відповідає мінімум енергії, що робить кристал термодинамічно стабільним. Це значення носить назву енергії зв’язку Eзв. Рис.10. Всі кристали за характером основного зв’язку поділяють на молекулярні, ковалентні, металічні та іонні. Однак такий поділ є умовним, оскільки в деяких випадках може бити не один тип зв’язку, а декілька. 4.1. Молекулярні кристали Ці кристали, де основний тип зв’язку – Ван-дер-Ваальсовий. Такий зв’язок виникає між будь-якими елементарними частинками (іонами, атомами, молекулами), але для багатьох кристалів він малий порівняно з іншими більш суттєвими силами. У кристалах інертних газів зв’язок Ван-дер-Ваальса єдиний, а отже, він визначає структуру та властивості кристалів (табл. 4). Відомо, що аргон , як і інші інертні гази, може переходити у рідкий і навіть твердий стан при дуже низьких температурах. Таблиця 4 Енергія (ккал/моль) і тип зв’язку різних кристалів
Атоми інертних газів мають повністю добудовані енергетичні рівні, а тому при зближенні атомів обмін електронами є неможливим. Виникнення сил протягування між атомами пояснюється миттєвою поляризацією атомів під час зближення (рис. 11). Рис.11 Аналогічні сили діють між молекулами з насиченими зв’язками у кристалах двоатомних газів H2, N2, Cl2, існування яких лише можливо при дуже низьких температурах, а також в кристалах I2, H2O, CO2, CH4 та інших органічних речовинах. Сили Ван-дер-Ваальса не мають напрямленого характеру, оскільки миттєвий диполь утворюється з кожним з сусідніх атомів. Як наслідок атоми, намагаючись збільшити число сусідів у кристалічній решітці, упаковуються найбільш компактним чином. Такою решіткою для інертних газів є гранецентрована кубічна решітка, у вузлах якої розміщуються атоми (рис.5, б, д). Кристал йоду має ромбічну решітку (рис. 12), у вузлах якої розташовані молекули. Енергія зв’язку сил Ван-дер-Ваальса незначна (табл. 4), тому молекулярні кристали мають низькі температури плавлення та випаровування. Кристалічний йод випаровується вже при кімнатних температурах. Молекулярні кристали – діелектрики, оскільки кристал побудований з електрично нейтральних атомів (молекул), де енергетичні зони повністю добудовані, що виключає можливість переміщення електронів при накладанні електричного поля. За звичай такі кристали прозорі для електромагнітного випромінювання. Мала енергія зв’язку визначає низький модуль пружності кристалів, але значні коефіцієнти теплового розширення (табл. 2, нітроанілін). 4.2. Ковалентні кристали Кристали з ковалентним типом зв’язку складають елементи з неметалічними властивостями, які є електронегативними із значним потенціалом іонізації. Вступаючи у взаємодію з елементами інших груп, атоми відбирають валентні електрони, добудовуючи свою валентну зону. Вступаючи у взаємодію один з одним, атоми узагальнюють свої валентні електрони з сусідніми атомами, добудовуючи тим самим свою валентну зону. Ковалентні кристали утворюють вуглець, кремній, германій, сурма, вісмут та ін. Аналогічні сили діють між атомами в молекулах H2, O2, N2, F2, Cl2 та ін. Колективізація валентних електронів відбувається в кристалі в об’ємі групи атомів. Число атомів, з якими відбувається узагальнення електронів, залежить від валентності елементів і може бути визначено згідно з правилом (8-N), де N – валентність елементу. Наприклад, для вуглецю це число дорівнює 4. У ковалентних кристалах у вузлах кристалічної решітки розташовуються атоми, між якими діють ті ж сили. Наприклад, атом вуглецю має чотири валентних електрони, за допомогою яких він утворює чотири напрямлені зв’язки і приймає участь в обмінній взаємодії з чотирма сусідніми атомами. Між кожною парою атомів має місце обмін валентними електронами, подібно до атомів у молекулі водню. У природі вуглець зустрічається в двох кристалічних формах (рис. 13). Обидві кристалічні решітки характеризуються наявністю у кожного атому чотирьох сусідів. У складній решітці алмазу це видно в елементі, якій зображений пунктиром. Всі чотири сусіди в решітці розташовуються на однаковій відстані від центрального атому. У гексагональній решітці графіта один з чотирьох сусідів знаходяться на значному віддалені, що послаблює зв’язок, між чотирма атомами в площині основи решітки діють ковалентні сили, а між основами – слабкі сили Ван-дер-Ваальса – решітка стає шаруватою. При деформації графіту в першу чергу, руйнуються зв’язки між шарами, що і пояснюється низькою твердістю графіту. Коефіцієнт теплового розширення має велике значення в напрямку дії сил Ван-дер-Ваальса. Ковалентний зв’язок характеризується напрямленістю, оскільки кожний атом вступає в обмінну взаємодію з певним числом сусідніх атомів. Внаслідок цього атоми в ковалентних кристалах розташовуються не компактно і утворюють кристалічні стуктури з незначним координаційним числом. Направленість міжатомних зв’язків та нещільно упаковані кристалічні структури приводять до низької пластичності, але високої твердості. Як наслідок значної енергії зв’язку ковалентні кристали характеризуються високими температурами плавлення та випаровування. Утворення заповнених валентних зон при такому зв’язку перетворює ковалентні кристали у напівпровідники і навіть діелектрики. Температурний коефіцієнт електроопору в ковалентних кристалах має від’ємне значення, тобто при нагріванні опір понижується. 4.3. Металічні кристали Це є кристали, де основний зв’язок – металічний. У кристалі при взаємодії один з одним, а також з елементами інших груп, атоми легко віддають свої валентні електрони, оскільки мають малий потенціал іонізації, і перетворюються у додатній іон. Їх називають електропозитивними елементами. У металічному кристалі валентні енергетичні зони атомів перекриваються, утворюючи спільну зону з вільними підрівнями. Це дає можливість валентним електронам вільно переміщуватися в межах цієї зони від атома до атому. Відбувається узагальнення валентних електронів по об’єму всього кристалу. Таким чином, валентні електрони в металі неможна вважати втраченими або набутими атомами. Вони узагальнені атомами по об’єму всього кристалу на відміну від ковалентних кристалів, де узагальнення обмежено однією групою атомів. Металічний зв’язок, на відміну від інших типів зв’язку, не напрямлений, тому кожний атом намагається притягнути як можна більшу кількість атомів. Наслідком цього є високе координаційне число і значна компактність кристалічних структур металів. Серед металів і деяких неметалів є розповсюдженим явище поліморфізму – здатність у твердому стані при різних температурах (або тисках) мати різні типи кристалічних структур. Енергія металічного зв’язку є меншою порівняно з енергією ковалентного зв’язку, тому метали, порівняно з ковалентними кристалами, мають меншу температуру плавлення, випаровування, модуль пружності, але більш високий коефіцієнт теплового розширення. Як наслідок ненапрямленості металічного зв’язку і утворення щільно упакованих структур металічні кристали більш пластичні і менш тверді, ніж ковалентні кристали. Гарна електропровідність забезпечується наявністю вільних підрівнів у валентній енергетичній зоні. Температурний коефіцієнт електроопору у металічних кристалах має додатнє значення, тобто електроопір при нагріванні зростає. Метали на відміну від молекулярних кристалів не прозорі для електромагнітних хвиль від самих низьких частот до середини ультрафіолетової області спектра. Металічні кристали не лише непрозорі, але добре відбивають випромінювання, тобто мають блиск. 4.4. Іонні кристали При утворенні складних кристалів, що складаються з елементів різної валентності, можливо утворення іонного типу зв’язку. Такі кристали носять назву іонних. При наближенні атомів і перекритті валентних енергетичних зон між елементами відбувається перерозподіл електронів. Електропозитивний елемент втрачає валентні електрони, перетворюючись у додатній іон, а електронегативний – набуває його, добудовуючи тим самим свою валентну зону до стійкої конфігурації, як в інертних газах. Таким чином, у вузлах іонного кристалу розташовуються іони. Іонний зв’язок направлений, оскільки перерозподіл валентних електронів відбувається між атомами однієї молекули. Для ковалентних кристалів координаційне число, а отже і тип решітки, визначається валентністю елемента. Для іонних кристалів координаційне число визначається відношенням радіусів металічного та неметалічного іону, оскільки іони в решітці розташовуються, як кульки різних діаметрів. Радіус неметалічного іону більший за радіус металічного, що приводить до щільно упакованих кристалічних структур. Металічні іони заповнюють пори в кристалічній решітці, яка утворена іонами неметалу. В іонних кристалах координаційне число визначає число іонів протилежного знаку, які оточують даний іон. За значенням енергія зв’язку іонного кристалу близька до енергії зв’язку ковалентних кристалів. Обидві енергії більші за енергію зв’язку металічних і молекулярних кристалів, тому іонні кристали мають високу температуру плавлення та випаровування, високий модуль пружності і низький коефіцієнт стискає мості та теплового розширення. Направленість зв’язку спричинює високу твердість та відсутність пластичності. Заповнення енергетичних зон як наслідок перерозподілу електронів робить іонні кристали діелектриками.
Будова реальних кристалів відрізняється від ідеальних. У реальних кристалах завжди є дефекти, а тому немає ідеально правильного розташування атомів по всьому об’єму кристалу. Дефекти або недосконалості кристалічної будови рухомі, вони можуть зближуватися і вступати у взаємодію. При нагріванні рухомість дефектів збільшується, хоча швидкості переміщення різних дефектів залишаються різними. Завдяки рухомості дефектів і взаємодії, їх концентрація в кристалах змінюється. Концентрація дефектів у реальних кристалах зростає після закалювання, деформування або інших видів обробки. Дефекти кристалів поділяють на точкові, лінійні і поверхневі. Розміри точкового дефекту близькі до міжатомної відстані. У лінійних дефектів довжина на декілька порядків більша за ширину; у поверхневих дефектів мала товщина, а ширина і довжина більша її на декілька порядків. Точкові дефекти. До найпростіших точкових дефектів відносять вакансії, міжвузельні атоми та домішкові атоми (рис. 14) Рис.14. Вакансія – пустий вузол кристалічної решітки, міжвузельний атом – атом, який є переміщеним з вузла в позицію між вузлами. Домішкові атоми розміщуються або у вузлах решітки, або між вузлами, утворюючи відповідно тверді розчини заміщення або втілення. Вакансії і міжвузельні атоми проявляються в кристалах при будь-якій температурі вищій за абсолютний нуль завдяки тепловим коливанням атомів. Збільшення числа вакансій при нагріванні відбувається на вільних поверхнях кристалу. Атоми у приповерхневому шарі коливаються поряд з іншими атомами. Деякі з них з підвищеною енергією можуть вийти в адсорбційний шар, залишив ямки. У такі ямки переміщуються атоми з наступного шару, а покинуті ними вузли стають вакансіями. Кристал розчиняє пустоту на своїй поверхні. Утворені вакансії потім рівномірно насичують об’єм кристалу. Точкові дефекти неперервно переміщуються в решітці. Сусідній з вакансією атом може зайняти її місце і залишити свій вузол вільним, куди переходить інший атом. Це рівносильно переміщенню вакансії на одну міжатомну відстань. Далі такий процес повторюється ще раз й ще раз. Чим вища температура, тим більше вакансій і тим частіше вони переходять з одного вузла в інший. Вакансії – найважливіші точкові дефекти, вони прискорюють всі термічно активовані процеси: дифузію, розпад пересичених твердих розчинів і т.п. Всі точкові дефекти спотворюють кристалічну решітку, збільшують електроопір і, в певній мірі, зміцнюють кристали. В іонних та ковалентних кристалах вакансії та інші дефекти електрично активні і можуть бути як донорами, так і акцепторами електронів. Це створює в кристалах переважність визначеного типу провідності і змінює їх електричні властивості. Лінійні дефекти. Найважливіші типи лінійних недосконалостей – крайові та гвинтові дислокації. Крайова дислокація – край “зайвої” напівплощини в решітці. Навколо дислокації решітка щільно спотворена і має підвищену енергію. Мірою спотворення – є вектор Бюргерса. Він отримається, якщо обійти замкнений контур в ідеальному кристалі, переходячи від вузла до вузла, а потім той же шлях повторити в реальному кристалі, заключивши дислокацію всередину контуру. У реальному кристалі контур є незамкнутим. Вектор, який потрібний для замикання контуру, носить назву вектора Бюргерса. Для крайової дислокації вектор Бюргерса дорівнює міжатомарній відстані і перпендикулярний дислокаційній лінії. Вектор Бюргерса є характеристикою дислокації, він визначає її енергію, рухомість та інші властивості. Дислокації з рівними, але протилежно напрямленими векторами Бюргера є дислокаціями різних знаків. Дислокації одного знаку відштовхуються одна від одної, а протилежних знаків – притягаються. Дислокації виникають вже при кристалізації, їх густина є значною, тому вони здійснюють істотний вплив на властивості матеріалів. Дислокації служать місцем концентрації домішкових атомів, а саме домішок втілення, оскільки це зменшує спотворення решітки. У напівпровідниках дислокації впливають на електричні та інші властивості, знижують електроопір, зменшують час життя носіїв. Роль дислокацій особливо важлива в мікроелектроніці, де використовують тонкі плівкові кристали і дислокації сприяють шкідливому короткому замиканню завдяки більш легкій дифузії домішок. Поверхневі дефекти. У промисловості використовуються як полікристалічні, так і монокристалічні матеріали. В першому випадку матеріал складається з великої кількості дрібних кристалів, (або зерен), кристалографічні площини яких у кожному зерні орієнтовані по-різному. Кожний кристал, в свою чергу, складається зі зерен або блоків. Субзерно – частина кристалу відносно правильної будови. Найважливіші поверхневі дефекти: границі зерен та субзерен, а також дефекти упаковки. Мірою недосконалості є поверхнева енергія. Границя зерен являє собою перехідну область шириною до 10 міжатомарних відстаней, де решітка одного кристалу переходить в решітку іншого кристалу. Перехідний шар має складну будову, в ньому порушена правильність розташування атомів, є скупчення дислокацій, підвищена концентрація тих домішок, які понижують поверхневу енергію. Границі між зернами носять назву велико кутовими, оскільки відповідні кристалографічні напрямки у сусідніх зернах утворюють кути в десятки градусів. Рис. 15. Границі субзерен - стінки дислокацій, які поділяють зерно на окремі субзерна або блоки. (рис. 15 ). Кут взаємної розорієнтації між сусідніми субзернами незначний (не більше ніж 50), тому такі границі є малокутовими. На малокутових границях накопичуються домішки. Дефект упаковки це частина атомної площини, в межах якої порушений нормальний порядок чергування атомарних шарів. Дефекти упаковки тісно пов’язані з дислокаціями і обмежені малорухомими частковими дислокаціями. Чим менша поверхнева енергія дефекту упаковки, тим він ширший і тим сильніший його вплив на властивості. Дефекти упаковки впливають на електроопір, зміцнення при деформуванні, рекристалізацію, кристалографію фазових перетворень. Границі зерен впливають на більшість механічних характеристик, по-перше, тому що вони заважають рухатися дислокаціям, по-друге, тому що на границях концентруються домішки. Межа текучості зв’язана з розмірами зерен d залежністю  , де  і k - постійні для даного матеріалу. Чим менше зерно, тим вища межа текучості, в’язкість і менша небезпека крихкого відриву. Аналогічно, але слабкіше впливає на механічні властивості розмір субзерен. Вздовж границі зерен і субзерен швидко протікає дифузія (набагато швидше, ніж крізь кристал), особливо при нагріванні. Завдяки дифузії по границях зерен механічні властивості дрібнозернистого металу при високих температурах гірші, ніж у крупнозернистого.Границі зерен і субзерен, які характеризуються підвищеною енергією, служать місцем зародження фаз при фазових перетвореннях. На властивостях кристалів відображається взаємодія між дефектами, коли вони взаємно знищуються (наприклад, дислокації різних знаків або вакансії і міжвузельні атоми) або утворюють комплекси (наприклад, дві вакансії об’єднуються в стійкий комплекс з меншою енергією – дівакансію). Розділ 2. КРИСТАЛІЗАЦІЯПерехід металу з рідкого або пароподібного стану у твердий з утворенням кристалічної структури називається первинною кристалізацією. Утворення нових кристалів в речовині носить назву вторинної кристалізації. Процес кристалізації складається з двох етапів, що відбуваються одночасно: зародження і ріст кристалів. Кристали можуть зароджуватися мимовільно (спонтанна кристалізація) або рости на готових центрах кристалізації (не мимовільна кристалізація). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
, 
, 
, 
Схожі:
|
КОНФЛ І КТОЛОГ І Я Навчальний посібник Конфліктологія: Навчальний посібник. Авт. Зінчина О. Б. – Харків: ХНАМГ, 2007. – 164 с |
Юрія Федьковича Загальні питання маркетингу та менеджменту Навчальний... Рецензенти: Ангельський О. В., доктор фіз мат наук, професор, Бучковський І. А., кандидат технічних наук, доцент |
|
Використання засобів захисту електронних таблиць В лабораторній роботі використано матеріали розробки Ефімової О. В., Морозова В. В. (Навчальний посібник "Курс компьютерной технологии",... |
НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК Сергієнко В. В. Філософські проблеми наукового пізнання : навчальний посібник. / В. В. Сергієнко − Кременчук : Кременчуцький національний... |
|
Яцківський Л. Ю., Зеркалов Д. В. З57 Транспортне забезпечення виробництва. Навчальний посібник Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів напряму “Транспортні технології” вищих навчальних... |
ЗАГАЛЬНИЙ КУРС Рекомендовано Міністерством освіти і науки України... Маляренко В. А. Енергетичні установки. Загальний курс: Навчальний посібник. – Харків: ХНАМГ, 2007. – 287с з іл |
|
К-сть годин Структура інформаційної системи. Апаратна й інформаційна складові інформаційної системи. Взаємозв’язки апаратної та інформаційної... |
Урок №4. Тема: Структура інформаційної системи. Апаратна та програмна... Мета: ознайомити учнів із структурою інформаційної системи, основними пристроями апаратної складової інформаційної системи, їх функціями... |
|
1 Інтерактивний електронний посібник "Основи інформаційно-електронних технологій". 2 Методичний посібник "ІНТЕРАКТИВНЕ КОМП’ЮТЕРНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ELECTRONICS WORКBENCH v 12" |
ТЕОРІЯ КРИМІНАЛЬНОЇ ВІДПОВІДАЛЬНОСТІ Навчальний посібник Куц В. М. Теорія кримінальної відповідальності. Навчальний посібник – К.: НАПУ, 2011. 307 с |
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua