Orientacyjny plan zajęć (semestr VI)

Transkrypt

1 Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 1. Wprowadzenie 2. Wiadomości wstępne Struktura, defekty, wiązania a właściwości; Podstawy termodynamiczne; Dyfuzja; Reakcje w fazie stałej. Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 3. Wybrane materiały funkcjonalne i technologie stosowane w elektronice i elektrotechnice: Materiały elektroniczne i elektrotechniczne: metale; Materiały elektroniczne i elektrotechniczne: półprzewodniki; Wytwarzanie monokryształów; Cienkie warstwy; Litografia, trawienie i inne technologie półprzewodnikowe; Układ scalony, połączenia między różnymi materiałami;

2 Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 4. Inne materiały funkcjonalne Szkło i aerożele; Nadprzewodniki; Kompozyty; Materiały twarde; Orientacyjny plan zajęć (semestr IX) 1. Materiały ceramiczne Izolatory; Przewodniki jonów; Materiały magnetyczne; Ceramiki o szczególnych właściwościach mechanicznych; 2. Materiały a energia Magazynowanie i oszczędzanie energii Ogniwa fotowoltaiczne; Diody elektroluminescencyjne i lasery; Ogniwa paliwowe; 3. Materiały naturalne

3 Świat materiałów Metale Ceramika, szkło Kompozyty Polimery, elastomery Pianki Materiały naturalne Unit 1, Frame 1.4 Znaczenie różnych materiałów

4 Funkcja materiału... SKŁAD, STRUKTURA, WIĄZANIA PROCESY TECHNOLO- GICZNE FUNKCJA WŁAŚCI- WOŚCI I KSZTAŁT Na czym polega wybór odpowiedniego materiału? PROJEKTOWANIE

5 Projektowanie Stworzyć produkt efektywnie i bezpiecznie spełniający swoją funkcję przy rozsądnych kosztach Gromadzenie danych analiza statystycz na Wybór materiałów i procesów Analiza Ekonomiczna Mechanical Properties Bulk Modulus GPa Compressive MPa Strength Ductility Elastic Limit MPa Endurance Limit MPa Fracture Toughness MPa.m 1/2 Hardness MPa Loss Coefficient Modulus of Rupture MPa Poisson's Ratio Shear Modulus GPa Tensile Strength MPa Young's Modulus GPa $ Test Wyniki testu Wszystkie dane Potencjalne zastosowania Produkt końcowy Badania Wybór i wdrożenie Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Ogólne: gęstość g/cm 3 cena około 8 zł/kg Własności mechaniczne: Moduł Younga GPa Granica sprężystości MPa Wytrzymałość MPa Wydłużenie 6-8 % Twardość - Vickers 6-15 HV Odporność na uderzenia duża

6 Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Własności termiczne Maksymalna temperatura pracy K Rozszerzalność termiczna x10-6 1/K Ciepło właściwe J/kg.K Przewodność cieplna W/m.K Własności elektryczne Dobry izolator Własności optyczne Nieprzezroczysty Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Procesy technologiczne ABS może być wyciągane, kształtowane w formach pod ciśnieniem lub wytwarzane w postaci arkuszy, które są później ostatecznie formowane w próżni w podwyższonej temperaturze. Fragmenty można ze sobą łączyć za pomocą ultradźwięków, zgrzewania, lub można je sklejać żywicami poliestrowymi, epoksydowymi itd.

7 Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Mając to wszystko na uwadze: Z ABS wytwarza się: kaski, rury hydrauliczne, wewnętrzne części wyposażenia samochodów, pokłady łodzi, walizki, tace,obudowy komputerów, zabawki,.. 1. Wiadomości wstępne 1. Wiązania chemiczne. 2. Struktura krystaliczna. 3. Defekty strukturalne. 4. Co z tego wszystkiego wynika: niektóre właściwości fizyczne i chemiczne.

8 Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału a zatem i potencjalnych funkcji pełnionych przez materiał są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracjia elektronowa składników materiału. Wiązania: uwagi ogólne F A F R r F = F + F N A R 1. Gdzie F N : Wypadkowa siła działająca między atomami 2. F A : Siła przyciągająca 3. F R : Siła odpychająca

9 Obliczanie energii wiązania: 1. Zależność między siłą i energią: de 2. Gdy dr wiązania E = E N = = = Fdr r F r E N F dr + A dr A = 0, E E N N = + E 0 R r F R dr Energia Siła i energia

10 Wiązanie jonowe Wiązanie kowalencyjne 1. Nie jest to zwykłe nałożenie chmur elektronowych; 2. Zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii;

11 Wiązanie metaliczne Wiązania pomiędzy cząsteczkami: Przyciąganie między dipolami (mogą to być też tylko chwilowe dipole),

12 Wiązanie wodorowe Rodzaje ciał stałych Krystaliczne i amorficzne

13 Można sobie kryształ wyobrazić jako: Powtarzające się w przestrzeni, identyczne bryły geometryczne KOMÓRKI ELEMENTARNE lub PRYMITYWNE Aby jednoznacznie opisać budowę ciała krystalicznego: Należy podać: KSZTAŁT ROZMIAR ZAWARTOŚĆ Komórki elementarnej lub prymitywnej

14 Kształty możliwych komórek elementarnych Istotne pojęcia: Stosowane oznaczenia: wskaźniki kierunków i płaszczyzn; Liczba atomów w komórce elementarnej; Liczba koordynacyjna; Gęstość upakowania; Kierunki i płaszczyzny gęsto upakowane; Luki tetraedryczne, oktaedryczne, sześcienne;

15 Wskaźniki kierunków, płaszczyzn,.. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Gęstość upakowania, liczba koordynacyjna,... Ilość atomów w komórce: 4 Liczba koordynacyjna: 12 Gęstość upakowania: 0.74 Płaszczyzny najgęściej upakowane: (001) i (111)

16 Gęstość upakowania na płaszczyźnie: (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Kierunki gęsto upakowane. Znajdowanie kierunku gęsto upakowanego. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

17 Położenia międzywęzłowe Położenia międzywęzłowe (luka międzywęzłowa) Położenia pomiędzy normalnymi atomami i jonami w krysztale w których inny atom lub jon może się znajdować. Zazwyczaj, rozmiar położenia międzywęzłowego jest mniejszy niż jon lub atom zajmujący takie położenie. Położenia międzywęzłowe są ważne m in dlatego, że są one często zajęte przez mniejsze atomy (w kryształach związków chemicznych). Położenia międzywęzłowe Położenia międzywęzłowe mogą być różne: Luka sześcienna Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną osiem. Luka oktaedryczna - Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną sześć. Luka tetraedryczna - Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną cztery.

18 Położenia międzywęzłowe w regularnych komórkach elementarnych. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Przykład: luki oktaedryczne w komórce fcc (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

19 Przykład: luki oktaedryczne w komórce fcc 12 oktaedrycznych położeń międzywęzłowych na środkach krawędzi sześcianu: 1,0, ,, ,0, 2 1,1, ,, ,0, 2 1,0, ,, ,1, 2 1,1, , 2 1 0,1, 2,1 Oraz jedna w środku: 1/2, 1/2, 1/2. Każde z położeń na krawędziach komórki należy do czterech sąsiednich komórek, zatem tylko 1/4 każdego położenia należy do komórki. Zatem, liczba oktaedrycznych położeń międzywęzłowych w jednej komórce elementarnej fcc: (12 krawędzi) (1/4 na komórkę) + 1 w środku = 4

20 Materiały amorficzne O tym, czy dane ciało będzie krystaliczne, czy amorficzne decydują różne czynniki, z których najważniejszym jest szybkość chłodzenia.

21 Materiały amorficzne 1. Uporządowanie atomów w materiale amorfcznym nie jest całowicie przypadowe: 1) Koordynacja atomów jest podobna. 2) Kąty między wązaniami i ich długość też są zbliżone do tych w krysztale. Uporządowanie jest reprezentowane przez radialną funckję rozkładu, g(r) g(r) jest prawdopodobieństwem znalezienia atomu w odległości między r a r+δr od środka atomu odniesienia. Radialna funkcja rozkładu 1. Wybieramy atom odniesienia o promieniu a; Wtedy: 2. g(r) = 0 dla r<a 3. g(r) 1 dla dużych r 4.W odległościach pośrednich, g(r) oscyluje wokół jedności - uporządkowanie bliskiego zasięgu. Najbliżsi sąsiedzi dowolnego atomu wykazują pewne uporządkowanie - jednak nie takie jak w krysztale. SiO 4 -kąty są około 120º ale nie są dokładnie równe 120 º

22 Radialna funkcja rozkładu 1.Wynik pomiaru i obliczone na jego podstawie odległości między atomami w szkle kwarcowym: Radialna funkcja rozkładu Nie ma dużej różnicy między amorficznym ciałem stałym a cieczą.

23 Defekty punktowe. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Dyslokacje. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

24 Mikrostruktura 1. Granice międzyziarnowe występują we wszystkich materiałach polikrystalicznych. Jak wszystko to się ze sobą wiąże, zależy jedno od drugiego i wpływa na właściwości materiału

25 1. Jak wiązanie chemiczne wpływa na strukturę materiału Wiązanie jonowe. Wiadomo, że kryształy jonowe krystalizują tylko w niektórych strukturach. Wynika to z silnego elektrostatycznego odpychania między jonami tego samego znaku.

26 Promienie jonowe Promienie jonowe, r k /r a r kation r anion LK ZnS < NaCl CsCl 4

27 Przykład: CsCl r Cs + = 0.17 nm i r Cl - = nm, zatem: r Cs +/ r Cl - = 0.17/0.181 = Ponieważ < < 1.000, więc liczba koordynacyjna powinna być 8. Taka właśnie jest. (c) 2003 Brooks/Cole Publising / Thomson Learning Struktura fluorytu.

28 Inne struktury jonowe ZnS (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning α-ai 2 0 3

29 Wiązanie kowalencyjne. Również kryształy kowalencyjne krystalizują tylko w niektórych strukturach. Wynika to z kierunkowości wiązania. W rezultacie:

30 Przykłady struktur krystalicznych o dominującym wiązaniu kowalencyjnym Wiązanie metaliczne 1. Wiązanie jest bezkierunkowe. Im więcej elektronów uczestniczy w tworzeniu wiązania, tym lepiej. +ve ion cores -ve electron sea

31 Kryształy metaliczne są gęsto upakowane

32 2. Jak wiązanie chemiczne wpływa na defekty Wiązanie jonowe. Podstawowym warunkiem, który musi być spełniony aby utworzyć defekt jest warunek obojętności elektrycznej: kryształ jako całość musi pozostać obojętny.

33 Wakanse Defekt Schottky ego = para wakansów: kationowego i anionowego Defekt Frenkla = Para wakans atom międzywęzłowy Domieszki 1. Sprawa jest prosta, gdy mają taki sam ładunek: Gdy podstawnik ma inny ładunek: wakans

34 Dyslokacje w kryształach jonowych. Dyslokacja w krysztale MgO Wiązanie kowalencyjne. Wiązanie kowalencyjne jest zazwyczaj silne. W związku z tym utworzenie wakansu wymaga dużej energii. Domieszki, natomiast, można wytworzyć łatwo i mają one bardzo duże znaczenie technologiczne. Dyslokacje powstają, ale są mało ruchliwe.

35 Wiązanie metaliczne. W kryształach metalicznych występują wszystkie możliwe defekty. Podsumowanie: jaki to wszystko ma wpływ na właściwości materiału (w wielkim skrócie)

36 F F Właściwości fizyczne 1. Temperatura topnienia; 2. Moduły sprężystości moduł Younga (E). 3. Wytrzymałość - naprężenie, powyżej którego materiał się trwale odkształca. 4. Współczynnik rozszerzalności cieplnej miara zmiany rozmiarów materiału wskutek zmiany temperatury. 5. Właściwości elektryczne. T M Długość wiązania, r r Temperatura topnienia, Tm Energia (r) Energia wiązania, Eo Energia (r) r o mniejsza T m r Długość równowagowa r o r Eo= energia wiązania większa T m Tm jest wyższa gdy Eo większa. 15

37 d( Energia) sila = = d( odleglosc) de da 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning E Prawo Hooke a length, Lo niezdeformowane L rozciągnięte Przekrój poprzeczny A 0 F Moduł Younga F L = E A o Lo A naprężenie odkształcenie Zatem: F = 0 E( L ) siła jest liniową funkcją zmiany Lo długości, a współczynnik proporcjonalności zależy od E.

38 E 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Zatem moduł Younga zależy od nachylenia dflda w pobliżu odległości równowagowej. Oznacza to, że: E Moduł Younga jest większy gdy Eo jest większe Energia r o Długość równowagowa r Mniejszy moduł Younga Większy moduł Younga 16

39 α Współczynnik rozszerzalności cieplej, α długość Lo T 1 < T 2 T 1 L T 2 L = α (T 2 -T 1 ) Lo α 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Materiały o silnym wiązaniu: duże E 0, co oznacza głębokie i wąskie minimum energii, mają mały współczynnik rozszerzalności cieplnej.

40 Wytrzymałość Wytrzymałość i granica plastyczności zależy od rodzaju wiązań chemicznych, od struktury krystalicznej i od defektów struktury Naprężenie Stal Aluminium Alumina Glass Odkształcenie Przewodnictwo elektryczne

41 Metale Tylko w metalach są prawie swobodne elektrony, które przewodza prąd. Pasmo przewodzenia Pasmo walencyjne Półprzewodniki i izolatory Pasmo przewodzenia (puste) Duża przerwa energetyczna Pasmo walencyjne (całkowicie zapełnione) Pasmo przewodzenia (puste) Mała przerwa Pasmo walencyjne (całkowicie zapełnione) Izolator Półprzewodnik

42 Wpływ defektów na właściwości elektryczne: P N Pasmo przewodnictwa Pasmo przewodnictwa Poziomy domieszek Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne