ФИЗИКАЛЫ_ МАТЕРИАЛТАНУ_А КІРІСПЕ1

Баспаға əл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті физика техникалық факультетінің Ғылыми кеңесі жəне Редакциялық баспа кеңесі шешімімен ұсынылған

Пікір жазғандар:

физика -математика ғылымдарының докторы, профессор Г.Ш. Яр- Мухамедова физика -математика ғылымдарының докторы, профессор С.Е. Көмеков

физика -математика ғылымдарының кандитаты, доцент Ф.Б. Белисарова

Физикалық материалтануға кіріспе: оқу құралы/ Исмайлова Г.А., Приходько О.Ю., Ташкеева Г.Қ.– Алматы: Қазақ университеті, 2014.

Оқу құралында тепе-тең жəне тепе-тең емес жағдайлардағы материалдар фазаларының заңдылықтары мен пайда болуын, берілген қасиеттері бар материалдар жасау жолдарына олардың қасиеттерінің тəуелділіктерін оқытуға арналған. Сондай-ақ бұл кітапта металдардың, жартылай өткізгіштердің жəне диэлектриктердің негізгі физикалық қасиеттері, материалдардың химиялық байланыстарының ерекшеліктері қарастырылған. Оқулық жоғары оқу орнындағы техникалық бағытта оқитын студенттерге арналған.

2

3

АЛҒЫ СӨЗ

Адамзат өркениетінің үдерісі əртүрлі материалдарды жасап шығару, алу жəне оларды қолдану прогрестерімен байланысты. Жаңа материалдар еңбектің тиімділігін арттырады. Бүгінгі күні ой еңбегінің тиімділігін арттыратын, есептеуіш техникада ақпараттарды сақтау жəне беру, өндірісті автоматтандыру прогрестерін қамтамасыз ететін, пайдалы əсер коэффициенті жоғары энергиялардың əртүрге айналдыратын тиімді материалдар мен құрылғылар ерекше мəнге ие.

Физикалық материалтану – тепе-тең жəне тепе-тең емес жағдайларда материалдардың фазаларының (металдардың, жартылай өткізгіштердің жəне диэлектриктердің жəне т.б.) заңдылықтары мен пайда болуының атомдық механизмдерін, бұл материалдардың көлемдік жəне бетттік қасиеттерінің химиялық байланыс сипаттамаларына, химиялық жəне фазалық құрамға тəуелділігін, құрылымдық жетіспеушілік, берілген қасиеттері бар материалдар жасау жолдарын жəне химиялық құрамды соңғы жолдармен басқаруды, материалдардың фазалық жəне құрылымдық күйлерін оқытатын ғылыми пəн.

Курстың мақсаты тепе-тең жəне тепе-тең емес жағдайларда материалдардың (металдардың, жартылай өткізгіштердің жəне диэлектриктердің жəне т.б.) фазаларының заңдылықтары мен пайда болу механизмдерін, олардың қасиеттерінің химиялық байланыс сипаттамаларына, химиялық жəне фазалық құрамдарға тəуелділігін жəне берілген қасиеттері бар материалдарды жасау жолдарын оқыту болып табылады.

Тепе-тең жəне оған жақын жағдайлардағы қоспаның фазалық құрамы туралы, фазалық ауысудың бастапқы жəне соңғы нүктелері туралы маңызды ақпараттарды күй диаграммасынан алуға болады.

Екі жəне үш жүйелердің құрам-қасиет диаграммасымен сəйкестіктегі күй диаграммалары белгілі қасиеттері бар қоспаларды легирлеу жəне жасап шығару теорияларының негізі болып саналады.

Материалтану жəне жаңа материалдар технология аумағында жұмыс жасайтын мамандар үшін күй диаграммалары – бұл жаңа материалдарды іздеу жəне бар материалдарды жақсарту болып табылады. Металлургтер үшін күй диаграммалары өңдеу жəне металдарды алу жəне біріктіру жəне оларды қоспалардан тазартудың металлургиялық үдерістерін жетілдірудегі база болып табылады.

4

КІРІСПЕ. «ФИЗИКАЛЫҚ МАТЕРИАЛТАНУҒА КІРІСПЕ» КУРСЫНЫҢ МІНДЕТТЕРІ

Берілген қасиеттері бар материалдарды жасап шығаруда оның қасиеттері қандай факторларға жəне қалай, қандай шамада тəуелді, қалай жəне қандай шамада басқаруға болатыны туралы толық түсініктер қажет.

Материалдардың қасиеттері көптеген қасиеттерге тəуелді жəне көбінесе, химиялық байланыстар сипаттамалары, материалдардың фазалық күйлері, түрлері, қоспаның концентрациясы мен сипатталарымен анықталынады. Материалдардың қасиеттеріне өте күшті əсер ететін атомдық құрылымның ақаулары - олардың өзара жəне қоспа арасындағы байланыстар.

Қатты денелердегі, əсіресе металдардағы құбылыстар мен қасиеттерді түсіндірудің:

-макроскопиялық немесе феноменологиялық;

-микроскопиялық немесе аномистикалық сияқты екі жолы бар. Макроскопиялық түсіндіруде қатты дене оның ішкі құрылысының

детализациялануынсыз біртегіс орта ретінде қарастырып, түсіндіреді. Материалдардың кедергісімен жəне басқа ғылымдармен жақындауға негізделінген.

Микроскопиялық жақындауда қатты денелердің қасиетін баяндау жəне суреттеу оны құрайтын бөлшектердің, яғни атомдық деңгейіндегі, өзара əсерлесулерінің заңдылықтарына негізделінген. Бұл жақындауда құрылым- қасиет тізбегі жүзеге асырылады. Микроскопиялық жақындау бүгінде қатты денелердегі құбылыстар мен қасиеттерді бақылаудың интерпретациясындағы жалғыз салмақты ғылыми жақындау болып табылады.

Жалпы жағдайда, белгіленген қасиеттері бойынша материалдарды жасап шығаруда:

Технология → атомдық құрылым → (энергетикалық спектр) → физика-химиялық қасиеттер → технология сияқты логикалық жүйелілікті

(реттілікті) орындауды қамтамасыз ету керек.

Материалтанудағы зерттеу объектісі табиғатта кездеспейтін, яғни монокристалдары жоғары дəрежеде тазаланған жартылай өткізгіштер, яғни өңделген материалдар болып табылады.

Физикалық материалтанудың теоритикалық негіздеріне:

-Менделеевтің периодтық заңдылығы;

-термодинамика заңдары;

-химиялық байланыстар теориясы;

-қатты денелердің аумақтық теориялары;

-атомдардың орналасуындағы жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің құрылымданудағы жақын реттіліктің орналасу рөлі (ең алғаш А.Ф.Иоффемен құрылымдалған) қатысты.

Материалтану ХІХ ғасырдың ортасында пайда болды. Материалтанудың негізін жетекші ғалымдар – Аносов (1797-1831 ж.) жəне Чернов (1839-1921 ж.) қалаған. Жартылай өткізгіштер материалтануы

5

академик А.Ф.Иоффенің басқаруымен ХХ ғасырдың 30-40-жылдары құрылымданды.

ХХғасырдың 20-жылдары АҚШ-та сигнетик тұздардың сегнетоэлектрлік қасиеттері ашылған болатын.

1944 жылы КСРО ҒА-ның академигі Б.М. Вул барий титанатының (BaTi) сегнетоэлектрлік қасиеттерін ашты.

1948-1949 жылдары АҚШ-та Дж. Бардин, У. Шокли жəне У. Брайтейн алғашқы транзисторды жасап шығарды.

ХХғасырдың 40-жылдарының басында АҚШ-та алғашқы атомдық реактор шығарылған.

1950 жылы Дж.К. Тилл жəне Дж.Б. Литл приборлық тазалықта алғашқы монокристалл алған болатын.

1958 жылы АҚШ жəне КСРО дислокациясыз кремнийдің алуын мерекелеген болатын.

1958-60 жылдары жаңа матриалдардың құрылымдануын талап еткен космостық техника дамыды.

ХХғасырдың 60-жылдары КСРО-да галлий арсениді (GaAs)

кейінірек аморфты гидрогенизирленген кремний (а-Si:Н) қабыршақтары алынды (У. Спир, П. Ле Комбер).

1960-1970 жылдары гетероқұрылымды технологиялы жəне теориялар құрылды (Ж.И.Алферов).

1970 жылы АЖИМ – аса жоғары интегралдық микрожүйелер жасалынды.

ХХғасырдың 80 жылдары жоғары торлар ашылды (суперрешетка).

ХХғасырдың 90 жылдары кванттық нүктелер мен кванттық шұңқырлардың лазерлердің құрылуына бастапқыда қызмет еткен, қатты денелердегі квантты-өлшемді эффектілер ашылды.

Қазіргі уақытта жаңа материалдарды зерттеу интенсивті түрде жүргізілуде жəне жаңа технологиялар мен кұралдар: композиттер, полимерлер, аморфты металдар; ұнтақты металллургия, радиациялы технология, жоғары температуралы асқын өткізгіштік; конструкциялы материалдар; фуллерендер, нанотүтікшелер, наноөткізгіштер; наноматериалдардағы құрылғыларды қайта жасау өңделіп жасалуда.

1.1-суретте ғылымдағы материалтанудың жалпы құрылымдық жағдайы көрсетілген.

6

1.1-сурет. Ғылымдағы материалтанудың жалпы құрылымдық жағдайы

«Физикалық материалтануға кіріспе» курсында негізгі мəселе – материалдардың қасиеттері жəне құрылымы, құрамы арасындағы тəуелділіктерді қарастыру, материалдардың əртүрлілігі жəне олардың қолдану аймағы, қасиеттерді құрылымдау тұрғысынан білімді жетілдіру, термиялық, химиялық-термиялық жəне басқа да біріктіру əдістері мен өңдеуді оқып үйрету.

§ 1. Жалпы жағдайы

Металл, диэлектрик жəне жартылай өткізгіштердің негізгі физикалық қасиеттері материалдардың қасиеттерінен құрам мен алу технологиясының

7

əсер ету заңдылықтарын жеңілдетіп түсіндіру үшін мақсатты түрде қарастырылады.

Практикалық қызығушылығы көп материалдардың қасиеті, сондықтан жартылай өткізгішті электротехникада қолданылатын неғұрлым маңызды материалдар үшін қасиеттерді қарастырамыз. Бұл қасиеттер тобын келесі үлгілермен классификациялауға болады.

1.1-кесте. Жартылай өткізгіштердің, диэлектриктердің жəне металдардың негізгі физикалық қасиеттері

Жалпы жағдайда материалдар қасиеттері 3 сипаттамаға: 1.Химиялық байланыстар табиғатына; 2.Химиялық құрам жəне фазалық күйге;

3.Атомдық құрылымдардың туынды дəрежесіне тəуелді.

Құрылымдық ақаулардың қасиеттеріне эффективті əсері бойынша қасиеттерін былай топтауға болады:

а) құрылымдық – сезімтал емес қасиет – табиғатымен жəне химиялық байланыс беріктігімен анықталынатын құрылымдық дефектілерге практикалық түрде тəуелсіз немесе аз мөлшерде тəуелді;

ə) құрылымдық сезімтал қасиет – құрылымдық ақаулардың əсерінен, олардың түрлері жəне концентрациясы əсерінен айтарлықтай өзгеріске ұшырайды. Бұл қасиеттер бөлшектер немесе квазибөлшектердің – атомдар, электрондар, фонондар, дəннің шегі, магнитті жəне электрлік домендер жəне т.б. орын ауыстыруымен күшті өзгеріп отырады.

8

§ 2. Электрлік қасиеттер

Барлық дерлік материалдар белгілі бір дəрежеде электр тогын өткізеді, яғни электрөткізгіштікке ие. Осы тұрғысынан материалдар өткізгіштер, жартылай өткізгіштер жəне диэлектриктер болып бөлінеді.

Физикада металдар немесе бейметалдар болып бөлінуі материалдардың электрлік кедергісінің тəртібімен анықталынады: металдарда ол электрондық бұлттардың құрылымдалуымен жəне Т → 0 К, ρ → 0 кезінде анықталынады. Ол бейметалдарда, яғни жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде Т → 0 К, ρ → ∞ кезінде анықталынады.

Электрфизикалық қасиеттері бойынша (меншікті электрлік кедергісі ρ) негізгі үлкен 3 топқа бөлінуі мүмкін:

-металдар: ρ = (10-6 – 10 -4) Ом*см,

-жартылай өткізгіштер: ρ = (10-4 – 10 10) Ом*см,

-диэлектриктер: ρ > 1010 Ом*см.

Бұл интервалдар шартты, əртүрлі факторлардың əсер ету салдарынан ρ мəнінің шекті мəні жабылып қалуы мүмкін. Жартылай өткізгіштердің меншікті электрөткізгіштігі металдар мен диэлектриктердің σ арасындағы аралық болып табылады.

Материалдардың электр тогын өткізу қабілеттілігі мен мүмкіндігі негізгі жағдайда: химиялық байланыс түрімен, тыйым салынған аумақтың енімен, еркін заряд тасымалдаушылардың түрлерімен, концентрациясы жəне қозғалғыштығымен қамсыздандырылған.

Электрлік қасиеттерін сипаттайтын негізгі параметрлер болып: меншікті электр өткізгіштік γ (Ом-1*м-1); меншікті электр кедергісі ρ (Ом*м); меншікті электр кедергісінің температуралық коэффициенті αρ табылады.

Меншікті электр өткізгіштігі γ ток тығыздығы ј (А/м2) осы токты тудыратын электрлік өрістің кернеулігін Е (В/м) байланыстырады, ол:

(Ом заңының дифференциалдық формасы) тəуелділігімен беріледі. Меншікті электр кедергі - меншікті электрлік өткізгіштікке кері шама

болып табылады:

мұндағы, γ - меншікті электр өткізгіштігі, [γ] = [См/м], (См – Сименс). Ток тығыздығы ј токты тасымалдаушы зарядқа е, оның санына n жəне

өрістің кернеулігіне:

9