ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 1 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης ΚΑΒΑΛΑ 018 1
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ. ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ 3. ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ 4. ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ 5. ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 6. ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 7. ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ 8. ΕΞΥΠΝΑ ΥΛΙΚΑ 9. ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΩΝ
Οι ιδιότητες των υλικών µελετώνται από την Επιστήµη των Υλικών (Material Science), Όταν µιλάµε για την Επιστήµη των υλικών εκείνο που εννοούµε είναι η Φυσική όπως εφαρµόζεται στην ύλη που βρίσκεται σε µια από τις τρεις γνωστές καταστάσεις. Η αξιοποίηση των δεδοµένων της Επιστήµης των υλικών, για τεχνολογικούς σκοπούς υλοποιείται από το γνωστικό αντικείµενο που ονοµάζουµε Τεχνολογία Υλικών. 3
Τα θεµελιώδη ερωτήµατα είναι Ποιο είναι το υλικό που έχουµε, π.χ Si; Γιατί έχει τις ιδιότητες που έχει, π.χ γιατί συµπεριφέρεται σαν ηµιαγωγός; Ποιοι µικροσκοπικοί παράγοντες διαµορφώνουν αυτές τις µακροσκοπικές ιδιότητες Σε τι µας χρησιµεύουν οι ιδιότητες αυτές, π.χ στην κατασκευή microchip; 4
Φυσικές Ιδιότητες Στερεά Υγρά -Αέρια Μηχανικές Ιδιότητες Μαλακά - Σκληρά Θερµικές Ιδιότητες Θερµικοί αγωγοί Θερµικοί Μονωτές Ηλεκτρικές Ιδιότητες Αγωγοί Μονωτές Ηµιαγωγοί Υπεραγωγοί Μαγνητικές Ιδιότητες Διαµαγνητικά-Παραµαγνητικά Σιδηροµαγνητικά Οπτικές Ιδιότητες Διαφανή Αδιαφανή - Ηµιδιαφανή 5
Φάσματα εκπομπής (α) Υδρογόνου (Η), β) Υδραργύρου (Ηg) γ) Νατρίου (Να) και δ) Ηλιακού φωτός. 6
Το 1913 ο Bohr πρότεινε το δικό του µοντέλο για το άτοµο. Τα στοιχεία-κλειδιά αυτού του µοντέλου ήταν πως: H στροφορµή L του ηλεκτρονίου πρέπει να παίρνει διακριτές τιµές (είναι κβαντισµένη) µε τιµές ακέραια πολλαπλάσια της σταθεράς (h/π): Οι ατοµικές τροχιές είναι σταθερές και εκπέµπεται ή απορροφάται φως µόνον όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδάει από την µια ενεργειακή στάθµη στην άλλη. 7
Κάθε άτοµο έχει µια κατώτατη ενεργειακή στάθµη που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια που µπορεί να έχει το άτοµο. Αυτή η κατάσταση ονοµάζεται θεµελιώδης κατάσταση ενώ οι άλλες διεγερµένες. 8
Σαν ενέργεια ιονισµού χαρακτηρίζουµε την απαιτούµενη ενέργεια που πρέπει να λάβει ένα ηλεκτρόνιο για να καταστεί ελεύθερο. 9
10
1 me 4 13,60eV E n = (4 πε 0 ) n! = n 11
1 ) ( ) ( ) ( ) ( x E x x U dx x d m ψ ψ ψ = +! 4 0 13,60 ) (4 1 n ev n me E n = =! πε ) ( ) ( x E dx x d m ψ ψ =!
n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός Ειδικές ονοµασίες έχουµε για τιµές του κύριου κβαντικού αριθµού όπως: n=1 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα Κ n= αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα L n=3 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα M n=4 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα N 13
Kβαντικός αριθµός τροχιακής στροφορµής l L = l( l +1)! µε l=0,1,.n-1 Mαγνητικός κβαντικός αριθµός m l L = m z l! µε m l =(0 ±1±.±l) Κβαντικός αριθµός spin m s S = m! s s το m s λαµβάνει µόνο τις τιµές ±1/. 14
Προέρχονται από την αλληλεπίδραση δύο ιονισµένων ατόµων. Οφείλεται σε ισχυρές ελκτικές ηλεκτροστατικές δυνάµεις ανάµεσα σε ένα θετικά φορτισµένο ιόν και ένα αρνητικά φορτισµένο ιόν. 15
Ο οµοιοπολικός δεσµός χαρακτηρίζεται από µία αµοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων από όµοια άτοµα ενός ή δύο στοιχείων που έρχονται σε επαφή δηµιουργώντας ένα ή περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων. 16
Είναι δεσµοί ανάµεσα σε δίπολα. Η αλληλεπίδραση µεταξύ διπόλων είναι ελκτική και οδηγεί σε ασθενείς δεσµούς ανάµεσα στα άτοµα ή µόρια Εµφανίζονται σε υγρά ή στερεά σε χαµηλές θερµοκρασίες. 17
Δηµιουργούνται όταν ένα πρωτόνιο εισχωρεί ανάµεσα σε δύο άτοµα τα πολώνει και τα έλκει λόγω διπολικών ροπών εξ επαγωγής 18
Τα στερεά µπορούν να χαρακτηριστούν σαν γιγαντιαία µόρια. Τα άτοµα οργανώνονται σε δοµές µε περιοδική επανάληψη µιας βασικής µονάδας ή συγκροτήµατος ατόµων. Πλέγµα είναι η γεωµετρική διάταξη σηµείων που έχει προκύψει από σύνολο µετατοπίσεων. Τα σηµεία που αποτελούν το πλέγµα ονοµάζονται δεσµοί. Η κρυσταλλική δοµή ενός στερεού προκύπτει από το σχήµα Δοµή = Πλέγµα + Βάση, 19
0
1
Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν: Ισχυρούς δεσµούς. Υψηλό σηµείο τήξης (δύστηκτα υλικά) και βρασµού, λόγω µεγάλης ενέργειας ιοντικού δεσµού. Αγωγιµότητα πολύ µικρότερη ενός µετάλλου και ανάλογη της θερµοκρασίας. Είναι διαφανείς για όλες τις συχνότητες µέχρι την βασική συχνότητας απορρόφησης.
Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν Μεγάλη σκληρότητα. Υψηλά σηµεία τήξης και βρασµού. Είναι µονωτές και ηµιαγωγοί. Είναι διαφανείς σε ακτινοβολίες µικρής συχνότητας µεγάλου µήκους κύµατος ενώ αδιαφανείς για µικρό µήκος κύµατος µεγάλης συχνότητας. Οµοιοπολικοί κρύσταλλοι δηµιουργούνται από άτοµα των αµέταλλων στοιχείων. 3
Παρουσιάζουν: Μεγάλη ηλεκτρική αγωγιµότητα. Μεγάλη θερµική αγωγιµότητα. Είναι αδιαφανείς έως στο µέσο της υπεριώδους περιοχής του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος. 4
Οι ατέλειες δοµής είναι: Πρόσθετο άτοµο. Είναι το ξένο άτοµο το οποίο παρεισδύει µέσα στο πλέγµα. Πλεγµατικό κενό. Είναι µία κενή θέση στην πλεγµατική δοµή επειδή ένα άτοµο λείπει. Άτοµο πρόσµιξης Είναι ξένο άτοµο το οποίο αντικαθιστά ένα άτοµο του µητρικού πλέγµατος Εξαρµόσεις- Εξαρθρώσεις Επηρεάζουν τις µηχανικές ιδιότητες όπως την ολκιµότητα και την ελατότητα των υλικών. 5
Τα τρία είδη γραµµικών ατελειών (α) πλεγµατικά κενά, (β) ενδόθετα άτοµα, (γ) και (δ) αντικατάσταση ατόµου από άλλο άτοµο. 6
(α) Γραµµικές ατέλειες και (β) Κοχλιοειδείς. 7
Τα τρία είδη επιφανειακών ατελειών. α) Διδυµίες, β) Σφάλµατα επιστοίβασης και γ) Διαχωριστικέςεπιφάνειες 8
Η ενεργειακή κατανοµή των σταθµών στα µεµονωµένα άτοµα αλλάζει όταν αυτά αλληλεπιδρούν για τον σχηµατισµό στερεού. Εάν τώρα πλησιάσουµε τα ιόντα έτσι ώστε να σχηµατίσουν µόριο τότε η κάθε ενεργειακή στάθµη χωρίζεται σε δύο στάθµες πολύ κοντά η µία µε την άλλη. Εάν τώρα έχουµε Ν ιόντα από κάθε είδος το ενεργειακό εύρος κάθε στάθµης παραµένει συγκεκριµένο αλλά µέσα σε αυτό πρέπει να χωρέσουν όλες οι ατοµικές στάθµες των Ν ιόντων µε αποτέλεσµα το σχηµατισµών ζωνών (ή ταινιών) 9
Εάν για παράδειγμα έχουμε Ν=10 3 άτομα και το εύρος μιας ενεργειακής ταινίας είναι 3eV τότε δύο γειτονικές ενεργειακές θα διαφέρουν κατά 3 = 3x10 3 10 ev 3 ev 30
31
Ονοµάζουµε ενεργειακό χάσµα E g την ενεργειακή διαφορά µεταξύ της κορυφής της ταινίας σθένους E v και του πυθµένα της ταινίας αγωγιµότητας E c E g =E c -E v Ενεργειακό κατώφλι Ε t ονοµάζουµε την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κορυφή της ταινίας σθένους για να βρεθεί έξω από τον κρύσταλλο, Ε t = E - E ν Ηλεκτρονική συγγένεια χ ορίζεται η ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να µεταπηδήσει από τον πυθµένα της ζώνης αγωγιµότητας στη στάθµη του κενού. χ= Ε t -E g 3
Ενεργειακό χάσµα E g και ενεργειακό κατώφλι E t 33
Οι τρεις κατηγορίες υλικών µε βάση το ενεργειακό τους χάσµα. α) Δύο αλληλεπικαλυπτόµενες ταινίες (µέταλλο) β) Μία σχεδόν γεµάτη ταινία που διαχωρίζεται από µικρό ενεργειακό χάσµα από µία σχεδόν άδεια ενεργειακή ταινία (ηµιαγωγός) γ) Μία γεµάτη ενεργειακή ταινία που χωρίζεται από ένα µεγάλο ενεργειακό χάσµα από µία γεµάτη ενεργειακή ταινία (µονωτής). 34
Για να διαπιστωθεί εάν είναι οµοιόµορφη η κατανοµή του αριθµού των ηλεκτρονίων τους διάφορες ενεργειακές καταστάσεις, ορίζουµε την πυκνότητα ενεργειακών καταστάσεων g(ε). Αυτή ορίζεται ως ο αριθµός των ενεργειακών καταστάσεων ανά µονάδα ενέργειας, που αντιστοιχούν σε ενέργεια Ε στο ενεργειακό εύρος γύρω από την τιµή de, δηλαδή πόσες καταστάσεις ανά µονάδα ενέργειας υπάρχουν µε ενέργεια µεταξύ Ε και Ε+dE. Εάν ds ο αριθµός των καταστάσεων που οι ενέργειες τους καλύπτουν ενεργειακή περιοχή de τότε η ποσότητα που δίνεται από την σχέση ds (m) V g( E) = = E de π! 3 3 1 πυκνότητα καταστάσεων ανά µονάδα όγκου N( E) = g( E) V 35
Εξάρτηση της πυκνότητας ενεργειακών καταστάσεων ή του αριθµού ηλεκτρονίων της ταινίας αγωγιµότητας µε την ενέργεια. 36
Ε=Ε F f(e)=1/. Ε<Ε F f(e)>1/ Ε>Ε F f(e)<1/. dn ( E) = N( E) f ( E) de 3 3 π 3! n 3 E = F m 4 37
f ( E) = ( E E ) 1+ e 1 kt F 3 3 3 3 π! n E F = m 4 E F = E αδεια + Ε κατειληµ ένη 38