Матведответ

р - пироэлектрический коэффициент.

При неизменной температуре спонтанный электрический момент диэлектрика скомпенсирован свободными зарядами противоположного знака (свободные заряды на рис. 42 обведены кружочками) за счет процессов электропроводности или адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы.

При нагреве или охлаждении поляризован ность РСП изменяется (уменьшение РСП условно изображено исчезновением нескольких диполей) часть зарядов на поверхности диэлектрика освобождается, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток

J = –SdPСП/dt = SpdT/dt,

где S — поверхность пироэлектрика; dT/dt - скорость изменения температуры.

Кроме того, все пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, поэтому в них при изменении температуры за счет температурного изменения размеров возникает пьезоэлектрическая поляризация. Это так называемый вторичный пироэлектрический эффект.

Температурные изменения спонтанной поляризованности обусловлено двумя основными причинами. С одной стороны, повышение температуры нарушает упорядоченность в расположении элементарных дипольных моментов (первичный или истинный пироэффект), а с другой стороны, нагревание вызывает изменение линейных размеров диэлектрика и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную деформацией (вторичный пироэффект).

Пироэлектрический коэффициент р учитывает оба эти фактора

Все пироэлектрики обладают и обратным электрокалорическим эффектом, то есть их температура изменяется при поляризации. Численно электрокалорический эффект характеризуется тем же пирокоэффициентом:

P = dS/dE,

где S — энтропия.

Качество пироэлектрика принято характеризовать приведенным физическим параметром

RB=Р/( ·c),

где – диэлектрическая проницаемость; с - удельная объемная теплоемкость.

Чем больше значение RB тем большую разность потенциалов можно получить на образце при одной и той же поглощаемой мощности.

Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрические материалы и турмалин и сульфат лития

(LiSO4H2O).

Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности для регистрации ИК и СВЧ излучения.

Принцип действия пироэлектрических фотоприемников очень прост: лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) поверхность сегнетоэлектрического кристалла, нагревает его. В результате нагревания изменяется спонтанная поляризованность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется электронной схемой. Специфическим свойством таких тепловых фотоприемников является отсутствие избирательности по спектру излучения. Существенное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой ИК области спектра. Наряду с этим они обладают достаточно высоким быстродействием (способны работать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувствительности уступают полупроводниковым фотоприемникам.

Наибольшим пироэлектрическим коэффициентом обладают кристаллы ниобата бария – стронция (SrXBa1- XNb2O6) у которых Р = (4–28)104 Кл/(м2к), но из-за высокой чувствительность по напряжению RB оказывается незначительной.

Наиболее высоким RB = (8,5·10-12 м/В) обладают кристаллы триглициринсульфата (ТГС) — наиболее широко используемым в низкочастотных детекторах излучения, но он гигроскопичен, поэтому необходима специальная герметизация в практических устройствах.

Повышенной чувствительностью на высоких частотах характеризуются кристаллы LiNbO3 и LiTaO3, отличающиеся стабильностью пироэлектрических свойств. Благодаря высокой температуре Кюри они не требуют специальных приемов закрепления монодоменизированното состояния и могут устойчиво работать до температур порядка 500°С.

Пироэлектрический эффект проявляется и в поляризованной сегнетокерамике, хотя пироэлектрические свойства поликристаллических образцов заметно хуже, чем у монокристаллов.

1.1.1.1.1.1.1.1.6872. Электреты

Электретом называют твердый диэлектрик, длительно создающий в окружающем пространстве электростатическое поле в отсутствии внешних источников за счет предварительной поляризации или электризации.

Электреты являются электрическими аналогами постоянных магнитов. Поле электрета индуцируется зарядами предварительно созданной остаточной поляризации или электризации.

В пироэлектриках и поляризованных сегнетоэлектриках также имеется остаточная поляризация, однако, ее заряды обычно компенсированы натекающими свободными зарядами, в результате чего внешнее поле равно нулю. В электретах остаточная поляризация компенсирована не полностью или перекомпенсирована свободными зарядами, а напряженность внешнего поля не равна нулю и может быть очень высокой - до пробивной напряженности окружающей среды.

Янтарь, натертый о сукно, притягивает легкие предметы. Это явление было описано древнегреческим философом Фалесом Милетским еще в VI в. до н.э. Понятие о диэлектриках, сохраняющих остаточную поляризацию подобно намагниченности постоянных магнитов, введено М.Фарадеем в 1838 г., а термин «электрет» был преложен английским физиком О.Хевисайдом в 1896г. Первые образцы электретов были изготовлены японским физиком М.Егути в 1922 году из охлажденного в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков: пальмового воска и канифоли. В 1957 г. советскими физиками А.Н.Губкиным и Г.В.Сканави обнаружен электретный эффект в керамических материалах СаTiO3, SrTiO3 и др. Однако массовое применение электретов началось после открытия и исследования в 60-х годах электретого эффекта в полимерах, таких как политетрафторэтилен, полииэтилентерефталат, поликарбонат.

Электреты классифицируют, прежде всего, по способу формирования зарядов.

Термоэлектреты — получают при воздействии на нагретый диэлектрик электрического поля с последующим охлаждением в этом поле. Нагрев обычно производят до температуры плавления или размягчения для восков и смол, или до температуры стеклования полимеров, когда с одной стороны, резко облегчается ориентация полярных молекул под действием поля, а с другой стороны растет электрическая проводимость, что способствует ускорению процесса электризации и накопления объемных зарядов (ток абсорбции). После охлаждения диэлектрика в электрическом поле подвижность полярных молекул или свободных зарядов резко уменьшается, и диэлектрик длительно может сохранять сформированную остаточную поляризацию и заряды. Фотоэлектреты – получают воздействием света на диэлектрик, помещенный в электрическое поле. Под действием света в диэлектрике возникает фотопроводимость. Освобождаемые светом носители заряда смещаются внешним электрическим полем, и некоторые из них застревают на ловушках. После выключения света носители разноименных зарядов оказываются «замороженными» у противоположных сторон диэлектрика, который становится электретом. Таким образом, если в термоэлектретах перераспределение зарядов стимулируется повышенной температурой, то в фотоэлектретах – освещением.

Радиоэлектреты получают воздействием на диэлектрик радиоактивного излучения (ускоренных заряженных частиц). При излучении ускоренные заряженные частицы (электроны, ионы) либо выбивают электроны из поверхпостного слоя, либо, наоборот, внедряются в поверхностный слой диэлектрика и создают в нем дополнительные дефекты; поверхность диэлектрика оказывается заряженной (рис. 43).

Электроэлектреты получают путем воздействия на диэлектрик только электрического поля, без нагрева или облучения, по физический процесс электризации фактически сводится к рассмотренным. В зазоре между электродом и диэлектриком в сильном поле образуется газовый разряд; ионы газа, ускоренные полем, бомбардируют поверхность диэлектрика, создавая дефекты и стабильнее заряды в поверхностном слое. Процесс получения электрета протекает лучше при пониженном давлении газа в коронном разряде. Такие электроэлектреты иногда называют короноэлектретами.

Трибоэлектреты получают контактной электризацией, трением двух диэлектриков. При тесном соприкосновении двух различных тел часть зарядов (электронов) одного из них, с меньшей работой выхода, переходит на другой. Трение также нарушает нейтрализацию поверхностного заряда диэлектрика ионами воздуха. В результате при разделении контактирующих материалов их поверхности оказываются заряженными. Стабильные трибоэлектреты получают, например, при натирании сухим мехом политетрафторэтилена. Электреты можно получить также за счет механического напряжения или деформации диэлектрика (механоэлектреты) и др. воздействий.

Как видно из рисунка, кроме электретов с разноименными зарядами на противоположных сторонах существуют электерты, имеющие во всем объеме заряд одного знака (радио-, трибоэлектреты). Их называют моноэлектретами. Знак заряда электрета может совпадать со знаком формирующего напряжения на прилегающем электроде, а может быть противоположен ему. Заряд первого типа называют гомозарядом, а второго - гетерозарядом. Гомозаряды образуются инжекцией извне, как это происходит в электро- и радиоэлектретах. Гетерозаряд формируется за счет смещения в противоположные стороны собственных зарядов диэлектрика — связанных или свободных. Это происходит в случае наличия у диэлектрика дипольной поляризации или миграционной поляризации (термоэлектреты), а также накопления носителей заряда на ловушках в приэлектродных слоях диэлектрика — так называемой приэлектродной поляризации (некоторые электро- и фотоэлектреты). Гетерозаряд может быть получен и путем облучения диэлектрика заряженными частицами большой энергии (>10кэВ), проходящими через всю толщину диэлектрика и застревающими у его противоположной стороны (на передней стороне со временем оседают компенсирующие заряды другого знака).

С течением времени заряд электрета изменяется. Это связано с разрушением остаточной поляризации, освобождением носителей заряда, захваченных ловушками, нейтрализацией объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика. Стабильная составляющая заряда электрета связана с носителями, закрепленными на наиболее глубоких ловушках, и наблюдается в материалах с очень высоким удельным сопротивлением, где постоянная времени разряда = 0 составляет многие годы.

Время жизни электретов в нормальных условиях может достигать десятков лет. Оно быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. При нагревании происходит освобождение носителей заряда, захваченных ловушками, а также нейтрализация объемных зарядов за счет электропроводности диэлектрика.

Применение электретов. Как указывалось, образец электрета, создающий вокруг себя электрическое поле, подобен магниту, создающему магнитное поле. Поэтому во многих областях применения электреты конкурируют с магнитными материалами.

Фотоэлектреты применяют для световой записи информации на диэлектрическую пленку (подобно записи на магнитную пленку). Световое изображение проектируется на диэлектрик, помещенный в постоянное электрическое поле, при этом освещенные места электризуются, а затемненные остаются незаряженными. Напылением заряженного порошка скрытое электростатическое изображение можно сделать видимым. На этом основана ксерография (то есть сухая фотография). Трибоэлектретный эффект (заряд трением) используется в электростатических генераторах высокого напряжения. Основное же применение .электретов - в микрофонах и телефонах, датчиков давления, дозиметров радиации, датчиков влажности, вибрации, ускорений, электрометров, клавишных вычислительных машинах, электрофотографии и др.

Обычно электрет в отличие от магнита имеет вид тонкой пластинки или пленки с разноименными зарядами одинаковой поверхностной плотности Q на противоположных сторонах.

Если электрет поместить между металлическими обкладками, то индуцированный заряд на них:

где Q - заряд на поверхности электрета;

h1 — зазор между одной из поверхностей электрета и электродом (принимаем, что зазор между другой поверхностью и электродом бесконечно мал);

h2 - толщина электрета;

- диэлектрическая проницаемость материала электрета.

При изменении зазора h1 индуцированный заряд также меняется. При периодическом изменении зазора в цепи между электродами происходит переменный ток, частота которого равна частоте изменения зазора. Так как внутреннее сопротивление системы электрет - электроды велико (107-108 Ом), ток не зависит от внешней нагрузки и получается своеобразный генератор переменного тока.

В преобразователях обычно применяют полимерные пленки толщиной 3-20 мкм, металлизированные с одной стороны.

Таблица 1 – Электретные материалы

Впервых электретных преобразователях использовались воски, смолы и их смеси. Это полярные диэлектрики с температурой плавления 85-90°С. Электретирование производилось помещением расплавленной смеси в сильное электрическое поле и охлаждением до затвердевания в этом поле.

После выключения поля сохраняется остаточная поляризация и соответствующий гетерозаряд. Однако со временем к поляризационным зарядам Ор натекают компенсирующие свободные заряды противоположного знака QC, в результате чего суммарный заряд Q = QP + QC уменьшается и может изменить свой знак, став гомозарядом.

Аналогично ведет себя заряд электрета из полярных диэлектриков — полиметилметакрилат, поливинилхлорида, полиэтилентерефталат, получаемые термополяризацией при Т = 120-135°С.

Внеполярных диэлектриках электретный эффект связан с гомозарядом, обусловленным инжекцией заряженных частиц со стороны электродов. Этот заряд частично спадает со временем, не меняя знака. Снижение Q во время стабилизации обусловлено освобождением зарядов с мелких ловушек. Для полу4ения долгоживущих электретов заряжаемый диэлектрик нагревают до Т = 100-200°С, при которой образуются глубокие ловушки.

Наибольшее применение из неполярных диэлектриков нашли политетрафторэтилен и полимеры на его основе. Эти пленки (толщиной 3-20 мкм) металлизированные с одной стороны. Такие электреты получают электронной бомбардировкой в вакууме.

Керамику электризуют, помещая в сильное электрическое поле (Е = 2 МВ/м) при температуре Т = 150-200°С. Ток абсорбции и миграционная поляризация создают суммарный гомозаряд.

1.1.1.1.1.1.1.1.6973. Материалы для твердотельных лазеров

Лазер представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью излучения.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А.Эйнштейном явление вынужденного (стимулированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля. Первые приборы на основе вынужденного излучения были созданы в 50-х годах независимо и практически одновременно в СССР академиками Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и в США группой ученых во главе с Ч.Таунсом.

Основными элементами лазеров на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки. Активной средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона; при этом матрица играет пассивную роль. Тип активного иона в основном определяет спектр излучения лазера.

Рабочее тело лазера изготавливают, как правило, в виде цилиндрического стержня, торцевые поверхности которого обрабатываются с высокой степенью точности. Параллельность торцов выдерживается в пределах нескольких угловых секунд. Для возбуждения активных ионов используется оптическая накачка с помощью газоразрядных ламп.

Из радиотехники известно, что необходимым условием работы любого генератора является наличие положительной обратной связи, т.е. часть энергии колебаний должна поступать с выхода генератора на его вход. В оптических квантовых генераторах (лазерах) положительная обратная связь осуществляется резонатором, который обычно выполняют в виде двух плоскопараллельных зеркал. Одно из них полупрозрачно для выхода излучения из активного элемента. Отражающие поверхности резонатора иногда совмещают с торцами рабочего стержня.

Несмотря на то, что матрица не участвует в процессах генерации колебаний, многие физические свойства активной среды определяются именно матрицей. Поэтому вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований:

-неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

-вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безизлучательных переходах;

-матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного луча, ослабляется его интенсивность;

-материал основы должен обладать высокой нагревостойкостью и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки при высокой плотности излучения накачки и генерации;

-матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетового излучения ламп накачки;

-материал должен быть технологичен, т.е. доступен для массового производства цилиндрических стержней необходимых размеров. Увеличение размеров рабочего тела позволяет повысить мощность излучения лазера;

-структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения, фториды различных металлов, а также оксидные и фторбериллиевые стекла. Основу последних составляет BeF2.

Основные требования к активатору сводятся к следующему:

I) ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкие сильные линии люминесценции. Чем шире полоса оптического поглощения, тем большая часть излучения накачки используется для возбуждения активных ионов. Однако, чем меньше ширина линий люминесценции, тем выше характеристики лазерного излучения и тем меньше мощность, требуемая для накачки. Желательно также, чтобы частота возбуждающего (т.е. поглощающего) излучения не очень сильно превышала частоту лазерного излучения. В противном случае значительная часть поглощаемой энергии будет расходоваться на нагрев кристаллической решетки; 2) активатор должен создавать возбужденные метастабильные уровни (т.е. уровни с большим временем

жизни), на которых можно накопить значительное количество электронов. При этом время жизни электронов на метастабильных уровнях должно определяться в основном излучательными оптическими переходами 3) ионы активатора должны вводиться в матрицу без нарушения ее оптической однородности, механической прочности и термостойкости.

В качестве активных ионов используются исключительно элементы переходной группы и редкоземельные элементы, содержащие внутренние незаполненные 3d- и 4f-электронные оболочки. Глубоко расположенные электроны внутренних орбит экранируются внешними оболочками от электростатического взаимодействия с соседними ионами кристаллической решетки. Это приводит к слабому расщеплению внутренних уровней и обеспечивает высокую монохроматичность излучения лазера.

Одним из наиболее освоенных материалов лазерной техники является рубин. Именно на рубине в 1960 г. был

создан первый твердотельный лазер. Рубинами называют кристаллы -корунда (Al2O3), в которых часть ионов алюминия замещена ионами хрома. Количеством хрома определяется цвет рубина. В лазерной технике используют розовые рубины с содержанием Cr2O3 около 0,05 мас.%, что соответствует концентрации 1,6·1025 ионов хрома в одном кубическом метре. При содержании окиси хрома более 0,5 мас.% рубин приобретает красную окраску. Чистые кристаллы -корунда оптически прозрачны в диапазоне 0,17-6,5 мкм.

Кристалл рубина обладает оптической анизотропией и имеет почти кубическую симметрию, несколько искаженную вдоль одной из пространственных диагоналей, в результате чего истинная симметрия кристалла ромбоэдрическая. Ценными качествами рубина являются высокие механическая прочность и теплопроводность.

Ионы хрома создают в широкой запрещенной зоне корунда систему энергетических уровней, которые существенно отличаются от уровней энергии в свободных атомах хрома из-за воздействия электростатического внут-рикристаллического поля Уровень Э1 на рис. 45 соответствует основному, т.е. невозбужденному состоянию хрома. Уровни,

расположенные выше, характеризуют возбужденные состояния активатора. Широкая полоса Э3 используется для поглощения накачки. Переходы электронов между уровнями Э1 и Э2 ответственны за генерацию излучения в кристалле.

При возбуждении внешним полем электроны из основного состояния Э1 переходят в полосу Э2, а затем за очень короткое время (примерно 10-8 секунды) безизлучательным путем переходят на уровень Э2. Избыточная энергия идет на нагрев кристаллической решетки. Уровень Э3 является метастабильным, т.е. характеризует возбужденное состояние с достаточно большим временем жизни (~10-3с). Это приводит к накоплению электронов на уровне Э3 и созданию инверсной населенности, что необходимо для генерации вынужденного излучения.

Если возвращение электрона в основное состояние происходит самопроизвольно, спонтанно, то различные активные ионы излучают неодновременно и независимо. Поэтому излучаемые электромагнитные волны не согласованы по фазе. Случайный характер имеет не только момент испускания иона, но и направление его распространения. В результате спонтанное излучение оказывается некогерентным и несфокусированным в пространстве.

Однако активный ион может перейти в основное состояние не спонтанно, а вынужденно, под действием электромагнитной волны, если только частота этой волны соответствует частоте перехода (Э3 – Э1). Образно говоря, такая резонансная волна «раскачивает» электрон на метастабильном уровне и ускоряет его переход в состояние с меньшей энергией. Вероятность вынужденного перехода пропорциональна интенсивности «вынуждающего» излучения. Особенность вынужденного испускания состоит в том, что излучаемый при электронном переходе «новорожденный» фотон по своим параметрам абсолютно неотличим от вызвавших переход первичных фотонов: он имеет те же частоту и фазу, то же направление распространения.

Двойное преобразование энергии (электричество – свет – когерентное излучение) практически исключает достижение высокого коэффициента полезного действия твердотельных лазеров. Положение осложняется тем, что источники накачки имеют размытый спектр и возбуждение активных ионов происходит лишь в небольшой части этого спектра.

Искусственные кристаллы рубина обычно выращивают в печах по методу Вернейля. По этому методу тщательно размельченный порошок окиси алюминия с добавкой Cr2O3 медленно падает в пламя водороднокислородной горелки. Отдельные частички порошка, проходя через пламя, расплавляются и затем кристаллизуются на затравочном кристалле, помещенном вне пламени. Полученную заготовку отжигают, а потом обрабатывают, придавая ей необходимые форму и размеры. Высококачественные кристаллы рубина могут быть получены и методом вытягивания из расплава.

Наряду с рубином важнейшим материалом лазерной техники является иттрий-алюминиевый гранат, в кристаллической решетке которого часть ионов иттрия замещена ионами неодима (сокращенная запись ИАГ:Nd3+). Низкая пороговая энергия возбуждения при комнатной температуре, высокая механическая прочность и хорошая теплопроводность дают возможность применять этот материал в лазерах, работающих в непрерывном и высокочастотном режимах. Весьма важны высокие эксплуатационные характеристики ИАГ:Ndлазеров: температурная и радиационная стойкость. Кристаллы ИАГ оптически изотропны и прозрачны в диапазоне 0,2 - 4 мкм.

Поскольку в спектре ИАГ:Nd3+ отсутствуют широкие полосы поглощения, то для увеличения эффективности оптической накачки обычно используют эффект сенсибилизации. В качестве сенсибилизатора вводят ионы Сr3+. В гранатовой матрице наблюдается достаточно высокая растворимость как редкоземельных элементов/так и элементов переходной группы. Энергия накачки, поглощенная в широких полосах сенсибилизирующего иона Сr3+, резонансным безизлучательным путем передается активным ионам Nd3+. Сенсибилизация позволяет повысить коэффициент полезного действия до 5-7% и довести мощность в непрерывном режиме генерации до сотен ватт. По мощности излучения и значению коэффициента полезного действия лазеры (ИАГ:Nd3+ + Сr3+) конкурируют с мощными лазерами на углекислом газе, отличаясь от последних значительно меньшими габаритами и более удобной для практического применения длинной волны излучения.

Лазеры находят применение в системах оптической локации, в телевидении, голографии, информационноизмерительной технике, в медицине.

1.1.1.1.1.1.1.1.7074. Жидкие кристаллы

Жидкими кристаллами называют такие вещества, которые находятся в промежуточном (мезоморфном) состоянии между изотропной жидкостью и твердым кристаллическим телом. С одной стороны, они обладают текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, а с другой - для них характерна анизотропия свойств и. прежде всего, оптическая анизотропия.

Малость молекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру жидкого кристалла, является принципиальной основой сильной зависимости свойств от внешних факторов (температуры, давления, электрического поля и др.). Эта зависимость, в свою очередь, открывает богатые возможности при разработке индикаторных устройств различного назначения.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником Ф.Рейнитцером. Однако широкое практическое применение эти вещества нашли сравнительно недавно. Специфика жидких кристаллов

заключается в ограниченном температурном интервале существования мезофазы (т.е. жидкокристаллического состояния). Жидкокристаллическое состояние образуют в основном органические соединения с удлиненной палочкообразной формой молекул. По признаку общей симметрии все жидкие кристаллы подразделяются на три вида: смектические, нематические, и холестерические Смектическая фаза характеризуется слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в

плоскостях, равноудаленных друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счет упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть слоев обеспечивается лишь взаимным скольжением слоев, поэтому вязкость среды достаточно велика. Из-за высокой вязкости смектические жидкие кристаллы не получили широкого применения в технике. Слово «смектос» по-гречески - мыло; к этим кристаллам относятся мыльные растворы.

Внематической фазе длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора. Слово «немое» по-гречески означает нить.

Вхолестерической фазе ориентировка молекул плавно меняется от слоя к слою, так как молекулы выстраиваются в пространственные спирали. К этому виду относятся в основном соединения холестерина. Ориентационный порядок в расположении молекул приводит к анизотропии свойств жидких кристаллов: показатель преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, удельное сопротивление, вязкость и другие параметры в направлении, параллельном молекулярным осям, и в перпендикулярной плоскости неодинаковы.

Свойства жидких кристаллов сходны со свойствами сегнетоэлектриков. Как и сегнетоэлектрики, жидкие кристаллы разбиты на домены - области с одинаковыми направлениями осей молекул. В переменном электрическом поле для некоторых из них характерны петли гистерезиса с ярко выраженным насыщением. В точках фазового перехода диэлектрическая проницаемость е имеет максимум, исчезающий с повышением частоты, как у дипольных сегнетоэлектриков. Однако время переориентации диполей в жидких кристаллах очень велико по сравнению с сегнетоэлектриками. и петли гистерезиса и максимум с наблюдаются лишь на очень низких частотах (< 1Гц).

Как уже отмечалось, структура жидких кристаллов очень подвижна и легко изменяется при внешних воздействиях. Изменение структуры в свою очередь приводит к изменению оптических, электрических и других свойств. Поэтому можно управлять свойствами жидких кристаллов путем очень слабых внешних воздействий, т.е. использовать их в качестве чувствительных индикаторов этих воздействий. На практике используют изменение оптических свойств при внешних воздействиях электрическим полем в нематических кристаллах и тепловым – в холестерических.

Жидкие кристаллы нематического типа применяют благодаря присущему им электрооптическому эффекту динамического рассеяния. Слабое электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, вызывает

выстраивание молекул осями с высокой параллельно полю. Однако, если напряжение превысит некоторое пороговое значение, устойчивая доменная структура разрушается, возникает ячеистая структура, сопровождающаяся появлением гидродинамических течений. При дальнейшем увеличении напряжения течение в жидкости становится турбулентным, а вещество оптически неоднородным. Жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии рассеивает свет во всех направлениях. Эффект динамического рассеяния приводит к изменению прозрачности жидкого кристалла, под действием электрического поля. Поле может быть как постоянным, так и переменным с низкой частотой (до 102-104 Гц в зависимости от материала). Время установления состояния динамического рассеяния составляет 1-10 мс, а исчезновение после снятия напряжения – 20-200 мс. Быстродействие индивидуальных жидкокристаллических соединений выше, чем смесей; оно повышается с увеличением напряжения.

Жидкокристаллическая ячейка, основанная на эффекте динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок с нанесенными на их внутренние стороны прозрачными электродами, между которыми расположен тонкий слой (обычно 5-50 мкм) жидкого кристалла. При подаче напряжения больше порогового (обычно достаточно 8-50 В) молекулы жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Под прозрачным электродом виден яркий рисунок по форме электрода. Нанося прозрачные электроды в виде цифр, букв и других знаков, получают возможность высвечивать эти знаки в отраженном или проходящем свете.

Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное сопротивление (106 - 108 Ом·м – неочищенные и 108 - 1010 Ом·м – тщательно очищенные). Поэтому мощность, потребляемая на питание ячейки, не превышает

1 Вт/м2. Для сравнения укажем, что индикатор на светодиодах потребляет 105 Вт/м2, а газоразрядный и люминофорный — 103 Вт/м2. Жидкокристаллические индикаторы – не только самые простые и дешевые, но и самые экономичные; их применение перспективно в малогабаритных устройствах с питанием от батареек - наручных часах, карманных ЭВМ и т.п.

В качестве нематических жидкокристаллических материалов применяют органические соединения – азометины, эфиры, кислоты. Интервал существования мезоморфной фазы в индивидуальных соединениях 10 - 20 К, что недостаточно для их использования в реальных климатических условиях. На практике применяют смеси двух или более жидкокристаллических соединений. Интервал мезоморфной фазы смесей может достигать 50-100 К и охватывать рабочие интервалы от минус 40 до плюс 60°С. Наибольший интервал

температур жидкокристаллического состояния получается в эвтектической точке смеси, температура плавления в которой минимальна.

Для получения цветных изображений в жидкие кристаллы вводят красители, обладающие длинными палочкообразными молекулами. Молекулы красителя ориентируются молекулами жидкого кристалла перпендикулярно электродам ячейки и оказываются невидимыми. При подаче напряжения, когда начинается турбулентное течение в жидкости, молекулы красителя, увлекаемые жидкостью, поворачиваются и рассеивают свет определенного цвета.

Холестерические жидкие кристаллы используют благодаря присущему им свойству изменять окраску. Из-за интерференции на витках спирали молекул освещенный белым светом кристалл кажется окрашенным. При изменении внешних условий, например температуры, расстояние между витками спирали изменяется, что ведет к изменению окраски. Это позволяет изготовлять простейшие чувствительные индикаторы температуры для медицины (например, для индикации участков тела с повышенной температурой), электроники (контроль перегрева отдельных узлов и деталей) и других областей науки и техники. В качестве материалов для таких термометров применяют производные холестерина и их смеси.

1.1.1.1.1.1.1.1.7175. Полупроводниковые материалы.

Полупроводниковые материалы — вещества с чётко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых

приборов. Удельная электрическая проводимость σ при 300 К составляет 104−10~10 Ом−1·см−1 и увеличивается с ростом

температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т. п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Структура [править] Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие.

Кристаллические полупроводниковые материалы [править] Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы,

которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы.

Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, α-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы — Ge и Si имеют кристаллическую решётку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа AIIIBV элементов III и V группы периодической системы имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решётке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15 %) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, то есть интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимуществ. тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, GaN, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP,AlAs — непрямозонные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы типа АIIIВV образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов — тройных и более сложных (GaxAl1-xAs, GaAsxP1-x, GaxIn1-xP, GaxIn1-xAsyP1-y и т. п.), также являющихся важными.

Соединения элементов VI группы (О, S, Se, Те) с элементами I—V групп периодической системы, а также с переходными металлами и РЗЭ. В обширной группе этих полупроводниковых материалов наибольший интерес

представляют соединения типа AIIBVI с кристаллической структурой типа сфалерита или вюрцита, реже типа NaCl. Связь между атомами в решётке носит ковалентно-ионный характер (доля ионной составляющей достигает 4560 %). Имеют большую, чем у полупроводниковых материалов типа AIIIBV, протяженность области гомогенности. Для соединений типа AIIBVI характерен полиморфизм и наличие политипов кубической и гексагональной модификаций. Являются в основном прямозонными полупроводниками. Важнейшие представители этой группы полупроводниковых материалов — CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS. Многие соединения типа AIIBVI образуют между собой непрерывный ряд твёрдых расплавов, характерными представителями которых являются CdxHg1- xTe, CdxHg1-xSe, CdTexSe1-x. Физические свойства соединений типа AIIBVI в значительной мере определяются содержанием собственных точечных дефектов структуры, имеющих низкую энергию ионизации и проявляющих высокую электрическую активность.

Тройные соединения типа AIIBIVCV2 кристаллизуются в основном в решётке халькопирита. Обнаруживают магнитное и электрическое упорядочение. Образуют между собой твёрдые расплавы. Во многом являются электронными аналогами соединений типа АIIIВV. Типичные представители: CuInSe2, CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2.

Карбид кремния SiC — единственное химическое соединение, образуемое элементами IV группы. Обладает полупроводниковыми свойствами во всех структурных модификациях: β-SiC (структура сфалерита); α-SiC (гексагональная структура), имеющая около 15 разновидностей. Один из наиболее тугоплавких и широкозонных среди широко используемых полупроводниковых материалов.

Некристаллические полупроводниковые материалы [править] Типичными представителями этой группы являются стеклообразные полупроводниковые материалы —

халькогенидные и оксидные. К первым относятся сплавы Tl, P, As, Sb, Bi с S, Se, Те, характеризующиеся широким диапазоном значений удельной электрической проводимости, низкими температурами размягчения, устойчивостью к кислотам ищелочам. Типичные представители: As2Se3-As2Te3, Tl2Se-As2Se3. Оксидные стеклообразные полупроводниковые материалы имеют состав типа V2O5-P2O5-ROx (R-металл I—IV гр.) и характеризуются удельной электрической проводимостью 10−4−10−5 Ом−1см−1. Все стеклообразные полупроводниковые материалы имеют электронную проводимость, обнаруживают фотопроводимость и термоэдс. При медленном охлаждении обычно превращаются в кристаллические полупроводниковые материалы. Другим важным классом некристаллических полупроводниковые материалы являются твёрдые расплавы ряда аморфных полупроводников с водородом, так называемые гидрированные некристаллические полупроводниковые материалы: a-Si:H, a-Si1-xCx:H, a-Si1-xGex:H, a-Si1-xNx:H, a-Si1-xSnx:H. Водород обладает высокой растворимостью в этих полупроводниковых материалах и замыкает на себя значительное количество «болтающихся» связей, характерных для аморфных полупроводников. В результате резко снижается плотность энергетических состояний в запрещенной зоне и появляется возможность создания р-n-переходов. Полупроводниковыми материалами являются также ферриты, сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики.

1.1.1.1.1.1.1.1.7276. Электропроводность полупроводников.

Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные электроны получают энергию для отрыва от ядра. С ростом температуры число свободных электронов и дырок

увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное электрическое сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей)

полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников. Дырка. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной

оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Этот процесс обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.

Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.

Энергетические зоны. Между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Подвижность. Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов примеси Подвижностью называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и

величиной приложенного электрического поля

При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:

Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда, вероятностьстолкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.

Размерность подвижности — м²/(В·с).

1.1.1.1.1.1.1.1.7377. Собственные и примесные полупроводники. Основные и не основные

носители заряда.

Собственная проводимость. Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где — удельное сопротивление, — подвижность электронов, — подвижность дырок, — их

концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость. Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Электронные полупроводники (n-типа)Полупроводник n-типа.

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

Дырочные полупроводники (р-типа) Полупроводник p-типа.

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя