Дефекты в кристаллахДефектами кристаллов называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в отсутствии атома в узле решётки (вакансия), в замене атома данного вещества (своего атома) чужим атомом (атомом примеси), во внедрении лишнего атома (своего или чужого) в междоузельное пространство. Подобные дефекты, называются точечными. Они вызывают нарушения правильности решётки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов (период кристалла равен длине ребра кристаллической ячейки, рис.1.2).
Рис.1.2. Условное изображение точечных дефектов: 1– вакансия; 2– дислоцированный атом; 3 – примесный атом.
Кроме точечных дефектов существуют линейные, поверхностные и объёмные. Линейные дефекты (одномерные) нарушают периодичность решётки в одном направлении. Линейно винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига, лежащих по разные стороны разреза частей решётки навстречу друг другу. К поверхностным дефектам относятся двухмерные дефекты. Объёмные (трёхмерные) дефекты ― это микропустоты и включения другой фазы. Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе на их прочность. Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решётки и образованием большого количества дефектов. Этим объясняется упрочнение материалов при холодной обработке.
Аморфные вещества. Аморфные вещества во многих отношениях по своим свойствам ближе к жидкостям, чем к кристаллам. Аморфные вещества не обнаруживают анизотропии. В расположении частиц имеется, как у жидкостей, только ближний порядок. Переход от твёрдого аморфного состояния в жидкое при нагревании осуществляется непрерывно, в то время как переход от кристалла к жидкости совершается скачком. Это даёт основание рассматривать аморфные твёрдые тела как переохлаждённые жидкости, частицы которой вследствие сильно возросшей вязкости имеют ограниченную подвижность. Типичными аморфными твёрдыми веществами являются смолы, битумы, стекло. Молекулы газов удалены друг от друга на большие расстояния, поэтому слабо взаимодействуют и не имеют упорядоченного положения из-за теплового движения. Для жидкостей характерен некоторый порядок в расположении атомов и молекул. Особое положение занимают жидкие кристаллы, у которых сочетаются свойства жидкостей и кристаллов. Они обладают упорядоченным расположением молекул, анизотропией свойств, а также вязкостью и текучестью.
1.3.4. Зонная теория твёрдого тела. В 1931г. английский физик Вильсон с помощью математического аппарата квантовой механики построил зонную теорию твёрдого тела, которая позволяет прояснить поведение электронов при энергетических воздействиях на твёрдое тело. Энергия электронов отдельного изолированного атома может принимать строго определённые разные дискретные значения в зависимости от расстояния от ядра атома. Наибольшую энергию имеют валентные электроны. Электроны вращаются вокруг ядра на определённых орбитах. Каждой орбите соответствует строго определённое значение энергии, т.е. каждая орбита представляет собой определённый энергетический уровень. Под воздействием притяжения положительно заряженного ядра электроны полностью заполняют ближайшие к ядру орбиты с минимальными значениями энергии. В твёрдом теле в кубическом миллиметре содержится ~ 1019 атомов и происходит наложение энергетических уровней отдельных атомов с образованием зон энергетических уровней. В зоне столько уровней, сколько атомов в данном кристаллическом теле.
Рис. 1.3. Энергетическая диаграмма: 1– валентная зона; 2 – зона проводимости; 3 – запрещённая зона.
На рис. 1.3 представлены энергетические зонные диаграммы для основных групп материалов, применяемых для изготовления радиоматериалов, работающих в электрическом поле (диэлектрики, полупроводники, проводники). На диаграмме отмечены разрешённые зоны, образованные совокупностью энергетических уровней с разрешёнными значениями энергии (валентная зона, зона проводимости). Разрешённые зоны отделены друг от друга запрещённой зоной энергий, которые электрон в данном кристалле иметь не может. Запрещённая зона характеризуется энергетическим барьером ∆ W, отделяющим валентную зону, от зоны проводимости. Этот барьер является параметром материала, характеризует важное свойство материала и называется ширина запрещённой зоны (ШЗЗ). Электроны, потерявшие в связь с ядрами атомов, образуют зону проводимости (свободную зону). Количество носителей зарядов в зоне проводимости определяет проводимость материала. Электрон из валентной зоны может перейти в зону проводимости при получении дополнительной энергии при нагреве, освещении (электромагнитное излучение оптического диапазона), при воздействии электрическим и магнитным полем, потоком электронов, ядерных частиц, при механических воздействиях. В валентной зоне образуется вакантное место „дырка”. В электрическом поле электрон соседнего атома займёт вакантное место, оставив своё прежнее место вакантным. Таким образом, в валентной зоне начинается перемещение вакантных мест „дырок”. Если ширина запрещённой зоны ∆ W близка к нулю, то валентные электроны могут перейти в зону проводимости благодаря собственной тепловой энергии и увеличить проводимость вещества. Вещества с такой структурой энергетических зон относятся к проводникам. Если ШЗЗ превышает 3÷ 8 эВ, то для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия. Такие вещества относятся к группе диэлектриков. Если значение ШЗЗ составляет 0, 1÷ 0, 3 эВ, то электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости благодаря внешним энергетическим воздействиям. Вещества, проводимость которых можно менять таким образом, ― называются полупроводники. При сообщении атому энергии извне его электроны могут также перейти на одну из более удалённых орбит с более высоким энергетическим уровнем. В этом случае атом называется „ возбуждённым ”. Средняя продолжительность жизнивозбуждённого атома ~ 10-8с. Затем следует переход электрона в первоначальное состояние с выделением кванта энергии (рекомбинация). Дефекты и примеси создают в запрещённой зоне дополнительные энергетические уровни и тем самым существенно меняют проводимость. Поликристаллические и амфорные материалы имеют свои особенности на зонной диаграмме. При помещении полупроводника в электрическое поле свободные носители зарядов под действием сил поля приходят в движение (электроны в зоне проводимости; „дырки” в валентной зоне). При температуре абсолютного нуля и в темноте валентная зона РМ полностью заполнена электронами, а в зоне проводимости нет свободных электронов. В атомах твёрдых тел внутренние электронные орбиты обычно полностью заполнены электронами, которые не меняют своё состояние и не влияют на электрические свойства тел.
1.3.5. Классификация электрорадиоматериалов. Радиоматериалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами, которые используются при изготовлении радиокомпонентов. По поведению в электрическом поле различают: – проводниковые материалы; – полупроводниковые материалы; – диэлектрические материалы; По поведению в магнитном поле различают: – магнитные материалы (µ > > 1); – немагнитные материалы (µ ≈ 1). По способности к поляризации различают: – полярные диэлектрики; – неполярные диэлектрики. По зависимости свойств от частоты различают: – низкочастотные материалы; – высокочастотные материалы. По химическому составу различают: – органические материалы; – неорганические материалы.
Контрольные вопросы. 1. Основные свойства радиоматериалов. 2. Свойства, параметры, характеристики РМ. 3. Потребительские, функциональные, технологические, эксплуатационные свойства РМ. 4. Модель атома Резерфорда-Бора. 5. Виды химических связей. 6. Разновидности твёрдого состояния РМ. 7. Дефекты кристаллов. 8. Зонная теория твёрдого тела. 9. От чего зависит величина тока через твёрдое тело? 10. Классификация радиоматериалов. 11. Что такое „дырка”? 12. Какие кристаллические решётки могут иметь сплавы?
|
