Laboratorium inżynierii materiałowej LIM wybrane zagadnienia fizyki ciała stałego czyli skrót skróconego skrótu dr hab. inż.. Ryszard Pawlak, P prof. PŁP
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
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
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.
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 ~ 10 23 atomów!!!!!!!!!! Zastosowanie poważnych metod naukowych do opisu tak wielkiej liczby atomów??????
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
Zdobycze Fizyki Ciała Stałego Tranzystor grudzień 1947 Bardeen, Bratain, Schockley Mikroprocesor graficzny rok 2006 ~ 20 mm 360 milionów tranzystorów!!!!
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.
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.
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
Budowa ciał stałych - wiązania Siły odpychające - bliskiego zasięgu Wynikają z: 1 0 - zasady nieoznaczoności; 2 0 kwantowej natury atomów Siły przyciągające - dalekiego zasięgu Wynikają z oddziaływania elektromagnetycznego U R O R U min
Budowa ciał stałych - wiązania Wiązanie jonowe Kryształy jonowe Wiązanie kowalencyjne Wiązanie metaliczne Na Cl - Wiązania van der Waalsa siły Van der Waalsa
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.
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
Defekty liniowe kryształów Dyslokacja krawędziowa (liniowa)
Struktura krystaliczna - defekty Jak dużo jest defektów? Defekty punktowe Dla miedzi w pobliżu temperatury topnienia (1356 K) 1 atom na ok. 1300 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 10 3-10 4 razy mniejsze od teoretycznych (materiałów bez defektów).
Defekty przestrzenne kryształów Dyslokacja śrubowa Błędy ułożenia Granice ziaren Powierzchnie zewnętrzne
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)
Ciała niekrystaliczne - polimery atom C atom H
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
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
Elektrony w ciele stałym Różnice pomiędzy podpoziomami: 10-23 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
Elektrony w sieci krystalicznej E 0 Pasma przewodnictwa Pasma walencyjne Pasma zabronione Pasma wewnętrzne (całkowicie zapełnione) dielektryk przewodnik półprzewodnik