ВВЕДЕНИЕ

В

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Алматы 2012

Казахский национальный университет имени аль – Фараби
Приходько О.Ю., Ташкеева Г.К. «Введение в физическое материаловедение» Настоящее учебное пособие предназначено для изучения закономерностей и механизмов образования фаз материалов в равновесных и неравновесных условиях, зависимости их свойств от путей создания материалов с заданными свойствами. В учебном пособии также рассмотрены основные физические свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, особенности химических связей в материалах.
Введение в физическое материаловедение
Приходько О.Ю., Ташкеева Г.К.
2012 год
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ …………………………………………………….…………. 4
ВВЕДЕНИЕ. ЗАДАЧИ КУРСА «ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» …………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ДИЭЛЕКТРИКОВ И МЕТАЛЛОВ ….…………... 7
§ 1. Общие положения ………………………………………………………… 7
§ 2. Электрические свойства ………………………………………………...... 8
§ 3. Оптические свойства …………………………………………………….. 29
§ 4. Акустические свойства ………………………………………………..… 32
§ 5. Магнитные свойства …………………………………………………...… 35
§ 6. Тепловые свойства …………………………………………………….… 44
§ 7. Механические свойства …………………………………………………. 49
ГЛАВА 2. ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ................................................................. 56
§ 1. Строение атомов и химическая связь ……………………………...…… 56
§ 2. Типы химических связей ………………………………………………... 60
§ 3. Химическая связь и атомные и ионные радиусы ……………………… 67
§ 4. Особенности химических связей в металлах и полупроводниках …… 69
ГЛАВА 3. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ...................... 82
§ 1. Основные вопросы термодинамики фазовых равновесий …...….……. 82
§ 2. Фазовые равновесия. Правило фаз. Закон Гиббса ………..…………… 88
§ 3. Методы построения диаграмм фазовых равновесий …………...……... 91
§ 4. Т – Х диаграммы фазовых равновесий двойных систем с неограниченной растворимостью компонентов ……………………………………………….. 97
§ 5. Построение и анализ диаграмм с неограниченной растворимостью по данным об изменении термодинамического потенциала. Коэффициент распределения ……………………………………………………………… 103
§ 6. Т – Х – диаграммы фазовых равновесий двойных систем с ограниченной растворимостью компонентов ……………………………………………… 114
§ 7. Двойные полупроводниковые и диэлектрические фазы …………….. 127
§ 8. Отклонения от равновесного состояния. Роль диаграмм фазовых равновесий при выборе условий кристаллизации и термической обработки ….………………………………………………………………..... 131
§ 9. Р – Т и Р – Т – Х диаграммы фазовых равновесий ………………… 137
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ………………………………… 145
ЛИТЕРАТУРА ………………………………………………………………. 148
ПРИЛОЖЕНИЕ. ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ НЕКОТОРЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИСТЕМ ……………………………………. 149

…………………………………………..

Предисловие

Прогресс человеческой цивилизации связан с прогрессом в разработке, получении и применении различных материалов. Новые материалы повышают эффективность труда. На сегодняшний день особое значение приобретают материалы и устройства, призванные повысить эффективность умственного труда, обеспечить прогресс в вычислительной технике, способах хранения и передаче информации, автоматизации производства, эффективном преобразовании различных видов энергии с высоким КПД.

Физическое материаловедение – это научная дисциплина, изучающая закономерности и атомный механизм образования фаз материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков и др.) в равновесных и неравновесных условиях, зависимость объемных и поверхностных свойств этих материалов от характера химической связи, химического и фазового состава, структурных несовершенств, пути создания материалов с заданными свойствами и управление последними путем воздействия на химический состав, фазовое и структурное состояние материала.

Целью курса является изучение закономерностей и механизма образования фаз материалов (металлов, полупроводников, диэлектриков и др.) в равновесных и неравновесных условиях, зависимости их свойств от характера химической связи, химического и фазового состава и путей создания материалов с заданными свойствами.

Важную информацию о фазовом составе сплавов в равновесных и близких к ним условиях, о температурах начала и конца фазовых превращений можно получить из диаграмм состояния.

Диаграммы состояния двойных и тройных систем в сочетании с диаграммами состав-свойство являются основой теории легирования и создания сплавов с заданными свойствами.

Для материаловедов и специалистов смежных областей диаграммы состояния – это база для поиска новых и улучшения существующих материалов. Для металлургов диаграммы состояния являются базой для разработки и усовершенствования металлургических процессов получения металлов и соединений и их очистки от примесей.

Введение. Задачи курса «введение в физическое материаловедение»

Разработка материалов с заданными свойствами требует ясного понимания того, от каких факторов зависят эти свойства и как, и в какой мере, ими можно управлять.

Свойства материалов зависят от очень многих факторов и определяются, прежде всего, характером химической связи; фазовым состоянием материалов; типом, концентрацией и характером примесей. Очень сильное влияние на свойства материалов оказывают дефекты атомной структуры, их взаимодействие между собой и примесями.

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

- макроскопический или феноменологический;

- микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

В общем случае, для получения материалов с заданными свойствами необходимо обеспечить выполнение следующей логической последовательности:

Технология → атомная структура → (энергетический спектр) → физико-химические свойства → технология

Объектом изучения в материаловедении являются очищенные до высокой степени монокристаллы полупроводников, не встречающиеся в природе, то есть обработанные материалы.

К теоретическим основам физического материаловедения относятся:

-периодический закон Менделеева,

-законы термодинамики,

-теория химической связи,

-зонная теория твердых тел,

-положение о роли ближнего порядка в расположении атомов в формировании свойств полупроводников и диэлектриков (сформулировано впервые А.Ф, Иоффе).

Материаловедение возникло в середине 19-го века. Ведущие ученые, положившие начало металловедению – это Аносов (1797-1831 г.г.) и Чернов (1839-1921 г.г.).

Материаловедение полупроводников начало формироваться в 30-е и 40-е г.г. 20-го века под началом академика А.Ф.Иоффе.

В 20-е г.г. в США были открыты сегнетоэлектрические свойства у сегнетовой соли.

В 1944 г. в СССР академик Вул совершил открытие сегнетоэлектрических свойств у титаната бария (BaTi).

1948 – 1949 г.г. в США Бардин, Шокли и Брайтейн – создали первый транзистор.

В начале 40-х г.г. в США был запущен первый атомный реактор.

1950 г. – Тилл и Литл получили первый монокристалл германия приборной чиcтоты.

1958 год в CША и СССР отмечен получением бездислокационного кремния.

1955 – 1960 г.г. – развитие космической техники, которое потребовало создание новых материалов.

1960-е г.г. – СССР – создание первого твердотельного лазерного генератора на арсениде галлия (GaAs) (Басов, Наследов, Рывкин).

1950-е г.г. СССР – открытие халькогенидных стеклообразных полупроводников – ХСП (Коломиец, Горюнова).

1975 – США – впервые были получены пленки аморфного кремния (а-Si) и позднее пленки аморфного гидрогенизированного кремния (а-Si:Н), (Спир, Ле Комбер).

1960-1970 г.г. – создание теории и технологии гетероструктур. (Ж.И. Алферов)

1970-е г.г. – создание СБИС – сверхбольших интегральных микросхем.

1980-е г.г. – создание сверхрешеток (суперрешеток).

1990-е г.г. – открытие квантово-размерных эффектов в твердом теле, что послужило началом создания лазеров на квантовых ямах и квантовых точках.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования новых материалов и разрабатываются новые технологии и приборы: композиты, полимеры, аморфные металлы; порошковая металлургия, радиационная технология, высокотемпературная сверхпроводимость; конструкционные материалы; фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки; разрабатываются приборы на наноматериалах. На рисунке 1.1. представлено положение материаловедения в общей структуре наук.

Рисунок 1.1. – Положение материаловедения в общей структуре наук

Основными задачами курса «Введение в физическое материаловедение» являются установление зависимости между составом, строением и свойствами материалов, изучение термической, химико-термической обработки и других способов упрочнения, формирование знаний о свойствах основных разновидностей материалов и области их применения.