9 Билет. Применение фазовых переходов в технике и технологиях.

Фазовые переходы первого рода — фазовые переходы, при которых скачком изменяются первые производные термодинамических потенциалов по интенсивным параметрам системы (температуре или давлению). Переходы первого рода реализуются как при переходе системы из одного агрегатного состояния в другое, так и при в пределах одного агрегатного состояния (в отличие от фазовых переходов второго рода, которые происходят в пределах одного агрегатного состояния).

-при переходе системы из одного агрегатного состояния в другое: кристаллизация (переход жидкой фазы в твердую), плавление (переход твердой фазы в жидкую), конденсация (переход газообразной фазы в твердую или жидкую), взгонка (переход твердой фазы в газообразную), эвтектическое, перитектическое и монотектическое превращения.

-в пределах одного агрегатного состояния: эвтектоидное, перитектоидное и полиморфное превращения, распад пересыщенных твердых растворов, распад (расслоение) жидких растворов, упорядочение твердых растворов.

Иногда к фазовым переходам первого рода относят также мартенситные превращения (условно, так как в ходе мартенситного превращения реализуется переход в стабильное, но неравновесное состояние — метастабильное состояние).

Фазовые переходы второго рода — фазовые переходы, при которых первые производные термодинамических потенциалов по давлению и температуре изменяются непрерывно, тогда как их вторые производные испытывают скачок. Отсюда следует, в частности, что энергия и объём вещества при фазовом переходе второго рода не изменяются, но изменяются его теплоёмкость, сжимаемость, различные восприимчивости и т. д.

Фазовые переходы второго рода сопровождаются изменением симметрии вещества. Изменение симметрии может быть связано со смещением атомов определённого типа в кристаллической решётке, либо с изменением упорядоченности вещества.

В большинстве случаев, фаза, обладающая большей симметрией (т. е. включающей в себя все симметрии другой фазы), соответствует более высоким температурам, но существуют и исключения. Например, при переходе через нижнюю точку Кюри в сегнетовой соли, фаза, соответствующая меньшей температуре, обладает ромбической симметрией, в то время как фаза, соответствующая большей температуре, обладает моноклинной симметрией.

Для количественной характеристики симметрии при фазовом переходе второго рода вводится параметр порядка, пробегающий отличные от нуля значения в фазе с большей симметрией, и тождественно равный нулю в неупорядоченной фазе.

-переход парамагнетик-ферромагнетик или парамагнетик-антиферромагнетик (параметр порядка — намагниченность),

-переход металлов и сплавов в состояние сверхпроводимости (параметр порядка — плотность сверхпроводящего конденсата),

-переход жидкого гелия в сверхтекучее состояние (п.п. — плотность сверхтекучей компоненты),

-переход аморфных материалов в стеклообразное состояние.

10 Билет

10. Элементарная база компьютеров. Развитие твердотельной электроники. Технологии микроэлектроники. Развитие нанотехнологии.

Элементная база компьютера

В 1642 г. Блез Паскаль, французский математик, изобрёл устройство, позволяющее складывать десятичные числа. В основе устройства были шестерни на стержнях.

В 1673 г. Г. В. Лейбниц создал "ступенчатый вычислитель" - счетную машину, позволяющую складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать квадратные корни, при этом использовалась двоичная система счисления.

В 1822 г. английский математик Чарлз Бэббидж. "Разностная машина", так называлось детище Чарлза, работала на паровом двигателе и считывала данные с перфокарт.

В 1918 г. русский ученый М.А. Бонч-Бруевич и английские ученые В. Икклз и Ф. Джордан (1919) независимо друг от друга создали электронное реле, которое сыграло большую роль в развитии компьютерной техники.

Релейные ЭВМ.1941 год. Немецкий ученый Конрад Цузе создал компьютер Z3, работающий на основе электрических реле. Всего было использовано 2600 реле.

Ламповые ЭВМ. В 1943 год. В Великобритании был построен компьютер Colossus Mark 1 на 1500 электронных лампах.

1945 год - Джон фон Нейман, американский ученый, выдвинул идею использования внешних запоминающих устройств, для хранения программ и данных. Нейман разработал структурную принципиальную схему компьютера. Схеме Неймана соответствуют и все современные компьютеры.

Транзисторные интегральные ЭВМ.

В 1968 году был создан первый компьютер на интегральных схемах.

1971 год. Именно с этого года начинается развитие микропроцессоров, и создала первый микропроцессор американская фирма Intel.

В 1973 году появляется процессор Intel 8080, который становится стандартом процессоров на долгое время.

В 1979 году в Японии началась программа по разработке компьютеров 5-го поколения. Компьютеры пятого поколения должны были для достижения сверхпроизводительности интегрировать огромное количество процессоров.

Развитие твердотельной электроники.

Еще в ХIХ веке выдающийся физик Фарадей столкнулся с первой загадкой - с повышением температуры электропроводность исследуемого образца возрастала по экспоненциальному закону. К тому времени было известно, что электрическое сопротивление многих проводников линейно увеличивается с ростом температуры. Спустя некоторое время А.С.Беккерель обнаружил, что при освещении "плохого" проводника светом возникает электродвижущая сила – фото ЭДС - вторая загадка.

Кроме того было обнаружено изменение сопротивления селеновых стержней под действием света, что в определенной степени подтвердило сущность второй загадки, связанной с фотоэлектрическими свойствами "плохих" проводников.

В 1906 году физик К.Ф.Браун сделал важное открытие: переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, не подчиняется закону Ома; более того, свойства контакта определяются величиной и знаком приложенного напряжения. Это была 3-я физическая загадка.

В 1879 г.  физик Холл открыл явление возникновения электрического поля в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, направленное перпендикулярно току. Электрическое поле возникало и в полупроводниках. Открытие Э.Холла - четвертая загадка "плохих"  проводников.

Исследовательские работы существенно активизировались после создания зонной теории полупроводников. В верхней зоне - проходимости - находятся свободные заряды. Нижняя зона, в которой заряды связаны, валентная. Между ними - запрещенная зона. Если ее ширина велика, то в твердом теле электропроводность отсутствует и оно относится к диэлектрикам. Если не велика, то электроны могут возбуждаться и переходить из валентной зоны в более высокоэнергетическую. На освободившихся от электронов местах образуются дырки, которые эквивалентны носителям положительного заряда.

Выяснилось, что существуют полупроводники с электронным типом проводимости (п-тип), для кот. Эффект Холла отрицателен, и с положительным эффектом Холла, имеющие дырочный тип проводимости (р-тип). Первые наз. донорными, вторые - акцепторными.

В результате многих экспериментов удалось изготовить образец, включающий границу перехода между двумя типами проводимости. И удалось разгадать все 4 загадки "плохих" проводников.

Микроэлектроника — подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическими размерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше.

Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя фотолитографию и легирование. Большинство компонентов обычной электроники: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы и проводник — также применяются и в микроэлектронике, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении.

Цифровые интегральные микросхемы по большей части состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы также содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах.

Различают такие направления микроэлектроники, как интегральная и функциональная.

Развитие нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". 1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания".

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии.