Laboratorium inżynierii materiałowej LIM

Transkrypt

1 Laboratorium inżynierii materiałowej LIM wybrane zagadnienia fizyki ciała stałego czyli skrót skróconego skrótu dr hab. inż.. Ryszard Pawlak, P prof. PŁP

2 Fizyka Ciała Stałego I. Wstęp Związki Fizyki Ciała Stałego z inżynierią materiałową II. Budowa ciał stałych Powstawanie ciał stałych Wiązania chemiczne w kryształach Struktura krysztaliczna, defekty kryształów Ciała amorficzne Polimery

3 Fizyka Ciała Stałego III. IV. Właściwości elektronowe ciał stałych Elektronowa teoria pasmowa Ruch elektronów i przewodnictwo metali V. Półprzewodniki VI. VII. Dielektryczne właściwości ciał Magnetyzm i magnetyki

4 Istota Fizyki Ciała Stałego FCS bada jeden z podstawowych stanów materii, występującej w fazie skondensowanej, zachowującej objętość i kształt. I etap klasyczny nauka o elementarnych czynnikach otaczającego świata. Badania makroskopowych właściwości ciał i elementów zjawisk zewnętrznych, obojętny przedmiot badania II etap Fizyka atomu i cząstek - badanie wyodrębnionych tworów (atom, elektron swobodny). Jak jest zbudowana materia?, atomy, elektrony, jony, powstanie mechaniki kwantowej.

5 Istota Fizyki Ciała Stałego III etap Fizyka ciała stałego Składanie poznanych wcześniej elementów w makroskopowe ciało stałe zastosowanie mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej do wytłumaczenia zjawisk w makroskopowym ciele stałym. Ciało stałe - skupisko wielkiej liczby elementów: w 1 cm 3 ~ atomów!!!!!!!!!! Zastosowanie poważnych metod naukowych do opisu tak wielkiej liczby atomów??????

6 Zdobycze Fizyki Ciała Stałego - przykłady Elektronika półprzewodników: Lasery: od tranzystora do mikroprocesora telekomunikacja, zastosowania technologiczne, zapis i odczyt informacji, medycyna Inżynieria materiałowa: półprzewodniki, nanomateriały, supersieci, nadprzewodniki i ferromagnetyki, materiały cienkowarstwowe, polimery fluorescencyjne i przewodzące, materiały fotoniczne i optyczne, materiały żaroodporne, trudnotopliwe

7 Zdobycze Fizyki Ciała Stałego Tranzystor grudzień 1947 Bardeen, Bratain, Schockley Mikroprocesor graficzny rok 2006 ~ 20 mm 360 milionów tranzystorów!!!!

8 Powstawanie ciał stałych Powstawanie ciał stałych krystalicznych Ciała stałe powstają z cieczy poprzez zestalanie, najczęściej w wyniku procesu krystalizacji. Centra krystalizacji. Krystalizacja homogeniczna i heterogeniczna. Ciała stałe polikrystaliczne, składające się z wielu mniejszych kryształów. Monokryształy.

9 Powstawanie ciał stałych Powstawanie ciał stałych amorficznych - brak porządku geometrycznego poza obszarem najbliższych sąsiadów Ciała stałe amorficzne powstają poprzez zwiększenie lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury. Ciała amorficzne - niezależnie od prędkości schładzania nie stworzą struktury krystalicznej, np.: wosk, smoła, asfalt. Szkła - ciała amorficzne, które uległy zestaleniu, ponieważ prędkość schładzania była na tyle duża, iż nie zdążyła powstać struktura krystaliczna.

10 Budowa ciał stałych Podstawowe problemy budowy ciał stałych: siły występujące pomiędzy atomami, czyli wiązania chemiczne sposób ułożenia atomów w ciele stałym, czyli struktura krystaliczna, struktura ciał amorficznych i cząsteczkowych, FCS dotyczy zasadniczo ciał krystalicznych

11 Budowa ciał stałych - wiązania Siły odpychające - bliskiego zasięgu Wynikają z: zasady nieoznaczoności; 2 0 kwantowej natury atomów Siły przyciągające - dalekiego zasięgu Wynikają z oddziaływania elektromagnetycznego U R O R U min

12 Budowa ciał stałych - wiązania Wiązanie jonowe Kryształy jonowe Wiązanie kowalencyjne Wiązanie metaliczne Na Cl - Wiązania van der Waalsa siły Van der Waalsa

13 Budowa ciał stałych - struktura krystaliczna T 14 typów sieci krystalicznych 7 układów krystalograficznych, zbudowanych na figurach geometrycznych - komórki prymitywne. 7 dodatkowych układów krystalograficznych, poprzez umieszczenie dodatkowych węzłów sieci na przecięciu się przekątnych głównych komórki prymitywnej lub na przecięciu się przekątnych ścian bocznych.

14 Struktura krystaliczna - defekty Właściwości rzeczywistych ciał stałych silnie zależą od różnorodnych odstępstw od idealnej budowy, czyli defektów struktury Defekty punktowe defekt Schottky ego atom międzywęzłowy defekt Frenkla domieszki substytucyjne i międzywęzłowe

15 Defekty liniowe kryształów Dyslokacja krawędziowa (liniowa)

16 Struktura krystaliczna - defekty Jak dużo jest defektów? Defekty punktowe Dla miedzi w pobliżu temperatury topnienia (1356 K) 1 atom na ok nie jest na swoim miejscu Dyslokacje liniowe w metalach wyżarzonych rzędu 10 6 linii/cm 3, po silnych odkształceniach plastycznych >10 12 linii/cm 3 Istnienie dyslokacji tłumaczy, dlaczego obserwowane wytrzymałości mechaniczne materiałów są razy mniejsze od teoretycznych (materiałów bez defektów).

17 Defekty przestrzenne kryształów Dyslokacja śrubowa Błędy ułożenia Granice ziaren Powierzchnie zewnętrzne

18 Ciała niekrystaliczne - polimery Polimery materiały organiczne zbudowane ze związków węgla, wodoru i pierwiastkow niemetalicznych Cechy polimerów Mery silnie powiązane w długie łańcuchy, dzięki skłonności do uwspólniania par elektronów (silne wiązania kowalencyjne) Elektrony związane w obrębie makrocząsteczki, pomiędzy łańcuchami na ogół oddziaływania słabe (sieciowanie) Niewielki stopień usieciowania duża podatność do odkształceń nietrwałych elastomery (guma) Termoplasty Termoutwardzalne (duże możliwości modyfikacji właściwości)

19 Ciała niekrystaliczne - polimery atom C atom H

20 Elektrony w ciele stałym W pojedynczym atomie - dyskretne, skwantowane wartości energii elektronów. Jeżeli atomy znajdują się w dużej odległości - w każdym z nich takie same poziomy energii potencjalnej elektronów. Na V= 0 Na 3s 1 3s 1 2p 6 2p 6 2s 2 1s 1 2s 2 1s 1 V x> > a V

21 Elektrony w ciele stałym Zbliżanie atomów na odległość (rzędu stałej sieci krystalicznej) powoduje rozszczepienie poziomów energetycznych na szereg podpoziomów, nieznacznie od siebie odległych (zakaz Pauliego). W atomie sodu w paśmie s - 2 elektrony, w paśmie p - 6 elektronów; w krysztale z n atomów - 2n oraz 6n elektronów. Na Na Na Na 3s 2p 2s 1s V x= a

22 Elektrony w ciele stałym Różnice pomiędzy podpoziomami: ev, czyli prawie ciągłe widmo energii w granicach pasma. Pasma energii dozwolonej oddzielone są pasmami zabronionymi Właściwości elektryczne ciał są określone przez wzajemne usytuowanie pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa

23 Elektrony w sieci krystalicznej E 0 Pasma przewodnictwa Pasma walencyjne Pasma zabronione Pasma wewnętrzne (całkowicie zapełnione) dielektryk przewodnik półprzewodnik