Что называется монокристаллом


Твёрдое тело — это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и объема. По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллы — это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры.

Точнее, частицы колеблются около определенных положений равновесия. Если их мысленно соединить прямыми линиями, то получается своего рода «скелет» кристалла. Такое изображение кристалла называется кристаллической решеткой.

Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных атомов), которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl– (рис. 1). Такие кристаллы называются ионными.

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. На рис. 2 приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

Монокристаллы и поликристаллы


Если периодически повторяющаяся структура (кристаллическая решетка) распространяется по всему объему тела, то образуется «одиночный кристалл» — монокристалл. Монокристаллы имеют форму правильных симметричных многоугольников. Но они редко достигают размеров в несколько сантиметров. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, исландский шпат (рис. 3), топаз (рис. 4).

В природе чаще встречаются беспорядочно сросшиеся между собой монокристаллы. Такие твердые тела называются поликристаллы. Примерами поликристаллов являются: каменная соль (рис. 5), кварц (рис. 6), сахар, лед, железо, медь.

Анизотропия

Упорядоченность в строении кристалла приводит к анизотропии, т.е. зависимости физических свойств от выбранного направления. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. На рисунке 7 условно изображено расположение атомов в одной из плоскостей монокристалла. Через узлы этой плоской решетки проведены различно ориентированные параллельные прямые (1, 2, 3, 4). Видно, что на единицу длины прямых приходится не одинаковое количество атомов. А многие механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц.


Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны.

Температура плавления

Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления tпл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рис. 8, кривая 1).

Зная температуру плавления и температуру тела, всегда можно определить в каком агрегатном состоянии будет находиться кристаллическое тело: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.

Полиморфизм


Практически все вещества в твердом состоянии могут существовать в двух или более кристаллических разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Так, у углерода две разновидности — алмаз и графит: графит отличается мягкостью, алмаз тверд, графит — проводник, алмаз — диэлектрик. Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

См. так же

  1. Википедия
  2. Открытая Физика

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы — соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направляемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет. На рисунке 9 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла — аморфного тела (б).

Свойства аморфных тел

Все аморфные тела изотропные, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Аморфное тело обладает слабо выраженной текучестью. Так, если воронку наполнить кусочками воска, то через некоторое время (различное для разных температур) кусочки воска будут «расплываться». Воск примет форму воронки и начнет «вытекать» из нее.


Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и переходит в жидкость (рис. 8, кривая 2). Вместо температуры плавления приходится говорить о температурном интервале размягчения.

Жидкие кристаллы — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).

По структуре они представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости (рис. 10).

Жидкие кристаллы — это почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры.


  • Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное (от 145 °С до 179 °С) и прозрачное (выше 179 °С). Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника. В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах и телевизорах. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью.

См. так же

  1. Википедия
  2. Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия

По своим необычным свойствам из всей группы твердых тел выделяются полимеры — вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономеров).

  • πολύ- и μέρος — от греч. «много» и «часть».

Например, молекула полимеров образуется повторением группы СH2:

— CH2 — CH2 — CH2 — CH2

Число мономерных единиц в молекуле определяет относительную молекулярную массу полимера, которая, как правило, очень велика — десятки и сотни тысяч атомных единиц массы. Например, полиэтилен имеет относительную массу 35000 а.е.м., каучук — 400000 а.е.м.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путём. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Например, кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок, используемые для изготовления одежды. На основе целлюлозе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы. Освоено производство тканей на основе полиэфирного волокна под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон —синтетические волокна, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности.

Особые механические свойства

  • эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
  • малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло).

См. так же

  1. Википедия
  2. Все о полимерах
  3. Новости мира пластмасс plastmassa.net
  4. Новости мира пластмасс plast-tech.ru

Источник: www.physbook.ru

Монокристалл, отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и характеризующийся анизотропией свойств (см. Кристаллы). Внешняя форма М. обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто М. приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами ограненных природных М. могут служить М. кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От М. отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких М. М. ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн, кварц — пьезоэлектрик (см.


езоэлектричество). М. способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). Поэтому изделия и элементы, изготовленные из М., применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике и др. Первоначально в технике использовались природные М., однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетических кристаллов. Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания М. Исходное вещество для выращивания М. может быть в твердом (в частности, в порошкообразном), жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях. Известны следующие методы выращивания М. из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки. В методе Стокбаргера тигель с расплавом 1 перемещают вдоль печи 3 в вертикальном направлении со скоростью 1—20 мм/ч (рис. 1). температура в плоскости диафрагмы 6 поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. к. тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нем происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней М.

от метод широко используется в промышленном производстве крупных М. флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. В методе Чохральского М. медленно вытягивается из расплава (рис. 2). Скорость вытягивания 1—20 мм/ч. Метод позволяет получать М. заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании М. иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых М. А. В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания М. с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых М. Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2—100 мкм) из бункера 1 (рис. 3) через кислородно-водородное пламя подается на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5. Метод Вернейля — основной промышленный метод производства тугоплавких М.: рубина, шпинелей, рутила и др. В методе зонной плавки создается весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают М. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых М. (В. Дж. Пфанн, 1927), а также тугоплавких металлический М. молибден, вольфрам и др. Методы выращивания из раствора включают 3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.), высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) и гидротермальный.

зкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором 1, в котором создается пересыщение, необходимое для роста кристаллов 2 путем медленного снижения температуры, реже испарением растворителя (рис. 4). Этот метод используется для получения крупных М. сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др. Высокотемпературный кристаллизатор (рис. 5) содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация). Метод применяется для получения М. железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых пленок. Гидротермальный синтез М. основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры. Необходимые для образования М. концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счет высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2) и перепадом температуры между верхней (T1 Монокристалл 250°C) и нижней (Т2 Монокристалл 500 °С) частями автоклава (рис. 6). Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства М. кварца. Методы выращивания М. из газообразного вещества: испарение исходного вещества в вакууме с последующим осаждением пара на кристалл, причем осаждение поддерживается определенным перепадом температуры Т (рис. 7, а); испарение в газе (обычно инертном), перенос кристаллизуемого вещества осуществляется направленным потоком газа (рис. 7, б); осаждение продуктов химических реакций, происходящих на поверхности затравочного М. (рис. 7, в). Метод кристаллизации из газовой фазы широко используется для получения монокристальных пленок и микрокристаллов для интегральных схем и др. целей. Выбор метода выращивания М. определяется требованием к качеству М. (количество и характер присущих М. дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (дислокации, примеси, вакансии; см. Дефекты в кристаллах). Существуют специальные методы уменьшения числа дефектов в М. (отжиг, выращивание М. на бездефектных затравочных кристаллах и др.). При выращивании М. используются различные способы нагревания: омический, высокочастотный, газопламенный, реже плазменный, электроннолучевой, радиационный (в т. ч. лазерный) и электродуговой. Лит.: Бакли Г., Рост кристаллов, пер. с англ., М., 1954; Лодиз Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1973; Маллин Дж., Кристаллизация, пер. с англ., М., 1966; Шубников А. В., Образование кристаллов, М. — Л., 1947; его же, Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Пфанн В. Дж., Принципы зонной плавки, в кн.: Германий, сб. переводов, М., 1955 (Редкие металлы), с. 92. См. также лит. при ст. Кристаллизация. Х. С. Багдасаров.

Источник: www.xn--80aacc4bir7b.xn--p1ai

 

Твердые тела. Моно- и поликристаллы

Твердые тела (кристаллы) характеризу­ются наличием значительных сил межмо­лекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но и форму. Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая, как по­казали рентгенографические исследования немецкого физика-теоретика М. Лауэ (1879-1960), является результатом упо­рядоченного расположения частиц (ато­мов, молекул, ионов), составляющих кристалл. Структура, для которой харак­терно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы, а точнее — точки, относительно которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической ре­шетки.

Кристаллические тела можно разде­лить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы — твер­дые тела, частицы которых образуют еди­ную кристаллическую решетку. Кристал­лическая структура монокристаллов обна­руживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них оста­ются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М. В. Ломоно­совым. Он сделал важный вывод, что пра­вильная форма кристаллов связана с за­кономерным размещением частиц, образу­ющих кристалл. Монокристаллами явля­ются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встре­чаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат). В на­стоящее время многие монокристаллы вы­ращиваются искусственно. Условия роста крупных монокристаллов (чистый раствор, медленное охлаждение и т. д.) часто не выдерживаются, поэтому большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества бес­порядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые те­ла называются поликристаллами (многие горные породы, металлы и сплавы).

Характерной особенностью монокри­сталлов является их анизотропность, т. е. зависимость физических свойств — упругих, механических, тепловых, электри­ческих, магнитных, оптических — от на­правления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки (рис. 102), т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным на­правлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. В поликристаллах анизотро­пия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная

Что называется монокристаллом

ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы.

§71. Типы кристаллических твердых тел

Существует два признака для классифи­кации кристаллов: 1) кристаллографиче­ский; 2) физический (природа частиц, рас­положенных в узлах кристаллической ре­шетки, и характер сил взаимодействия между ними).

1. Кристаллографический признак кристаллов. В данном случае важна толь­ко пространственная периодичность в рас­положении частиц, поэтому можно от­влечься от их внутренней структуры, рас­сматривая частицы как геометрические точки.

Кристаллическая решетка может об­ладать различными видами симметрии. Симметрия кристаллической решетки — ее свойство совмещаться с собой при не­которых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, пово­ротах, отражениях или их комбинациях и т. д. Кристаллической решетке, как до­казал русский кристаллограф Е. С. Федо­ров (1853—1919), присущи 230 комбина­ций элементов симметрии, или 230 различ­ныхпространственных групп.

С переносной симметрией в трехмер­ном пространстве связывают понятие трехмерной периодической структуры — пространственной решетки, или решетки Бравэ, представление о которой введено французским кристаллографом О. Бравэ (1811 —1863). Всякая пространственная решетка может быть составлена повторе­нием в трех различных направлениях од­ного и того же структурного элемента — элементарной ячейки. Всего существует 14 типов решеток Бравэ, различающихся по виду переносной симметрии. Они рас­пределяются по семи кристаллографиче­ским системам, или сингониям, представ­ленным в порядке возрастающей симмет­рии в табл. 3. Для описания элементар­ных ячеек пользуются кристаллографиче­скими осями координат, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки,

а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, по­строенный на ребрах а, b, с называютсяg и b, a между ребрами (табл. 3). Величины а, b и с и g и b, aс углами параметрами элементарной ячейки и однозначно ее оп­ределяют. Что называется монокристаллом

Анизотропия кристаллов

Анизотропия– это зависимость свойств материала от направления. Материал считаетсяизотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считаетсяанизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а Что называется монокристаллом , а в направлении пространственной диагонали – а Что называется монокристаллом . Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.

1.7 Дефекты кристаллической структуры

Структура реальных кристаллов не является идеально симметричной. В реальных кристаллах всегда имеются те или иные отклонения от периодичности расположения атомов. Эти нарушения порядка называют дефектами кристаллической структуры.

Дефекты кристаллической структуры, в зависимости от размеров, подразделяют на точечные, линейные, поверхностные и объёмные.

Точечные дефекты кристаллической структуры во всех трёх измерениях имеют размеры сравнимые с межатомным расстоянием, т.е. порядка одного нанометра. К точечным дефектам структуры относятся вакансии, межузельные атомы и атомы примесей.

Вакансией называют незанятое атомом свободное место в узле кристаллической решётки .Межузельным называют атом, смещённый из узла кристаллической решётки в положение между узлами (рис.3). Данные дефекты возникают, как правило, парами, поскольку смещение атома в межузельное положение сопровождается появлением вакансии.

Примесные атомы – это инородные атомы, которые размещаются либо в узлах кристаллической решётки (примесные атомы замещения), либо в межузельном пространстве (примесные атомы внедрения).

Что называется монокристаллом В – вакансия;

МА – межузельный

атом;

ПАЗ – примесный атом

замещения;

ПАВ – примесный атом

внедрения.

Рис. 3. Точечные дефекты кристаллической структуры.

Вакансии и межузельные атомы непрерывно появляются в кристаллах за счёт энергии тепловых колебаний атомов. Они относительно свободно перемещаются по кристаллу и могут встречаться друг с другом. При встрече межузельного атома с вакансией возможна рекомбинация, т.е. замещение вакантного места межузельным атомом. Дефекты также могут исчезать на любых свободных поверхностях кристалла: на порах, границах зёрен, микротрещинах, которые называют стоками дефектов. Процессы непрерывной рекомбинации, а также исчезновения дефектов на стоках, уравновешиваются процессами их генерации так, что в кристалле всегда поддерживается некоторая равновесная концентрация точечных дефектов. Чем выше температура кристалла, тем выше эта равновесная концентрация дефектов.

Вакансии и межузельные атомы обычно не оказывают заметного влияния на механические свойства материалов, поскольку искажения, вносимые ими в структуру, имеют очень маленький размер. Однако, при возрастании концентрации данных дефектов до значений, значительно превышающих равновесное, это влияние становиться более заметным. Например, при бомбардировке материалов потоком высокоэнергетичных частиц в их поверхностном слое образуется большое число точечных радиационных дефектов, что приводит к существенному изменению поверхностных свойств материала. Имеются сведения о повышении твёрдости и износостойкости облучённой поверхности. Изменяются и другие характеристики облучённых материалов.

Поскольку все точечные дефекты, и особенно примесные атомы, препятствуют прохождению электрического тока через металлические материалы, возрастание их концентрации в металлах приводит к повышению электросопротивления.

Линейные дефекты кристаллической структурыв двух измерениях имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в третьем измерении простираются на многие сотни и тысячи периодов кристаллической решётки. К линейным дефектам структуры относяткраевые и винтовые дислокации.

Краевую дислокациюобразует край АА’ «лишней» атомной полуплоскости, называемой экстраплоскостью (рис. 4).

Что называется монокристаллом Рис.4. Краевая дислокация.

Если экстраплоскость располагается в верхней части кристалла, то соответствующую дислокацию обозначают значком «^», а если в нижней, то знаком «┬». Вдоль линии дислокации кристаллическая структура материала искажена, однако на расстоянии всего в несколько периодов кристаллической решётки от данной линии искажений структуры уже не наблюдается. Линия краевой дислокации обычно бывает изогнутой, а не прямой. Форма этой линии под воздействием внешних и внутренних факторов может изменяться, так же как и её местоположение в кристалле.

В Что называется монокристаллом интовую дислокациюможно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой его части, происходящий по некоторой плоскости скольжения – ПС (рис.5). ЛиниюL, лежащую в этой плоскости и отделяющую ту её часть, где сдвиг уже произошел от той её части, где сдвиг ещё не происходил, называютлинией винтовой дислокации. Кристалл как бы закручивается в спираль вокруг этой линии. Если закручивание происходит по часовой стрелке, то соответствующую дислокацию называют правой, если против часовой стрелки – то левой.

Рис. 5. Винтовая дислокация.

Линия любой отдельной дислокации не может обрываться внутри кристалла. Она либо выходит на поверхность кристалла, в частности на границы зёрен, либо замыкается сама на себя, образуя дислокационную петлю. Под плотностью дислокацийпонимают суммарную протяжённость всех дислокаций, находящихся в единице объёма материала:

Что называется монокристаллом , (1)

где li – длина отдельной дислокации;N– общее число дислокаций в материале;V– объём материала. Единицей измерения ρ является см/см3или см-2.

Равновесная плотность дислокаций в полупроводниковых кристаллах находится в пределах 104 10¸5см–2, а в металлах – 106 10¸8см–2.

В определённых условиях дислокации, также как и точечные дефекты, способны перемещаться по кристаллу. При этом дислокации одного знака отталкиваются друг от друга, а противоположенных знаков – притягиваются. При встрече двух дислокаций противоположенных знаков может произойти их аннигиляция, т.е. взаимоуничтожение. Под воздействием внешних нагрузок, вызывающих пластическую деформацию материала, происходит перемещение дислокаций в сторону свободных поверхностей кристалла. Вместо вышедших на поверхность, а также аннигилировавших дислокаций, в деформируемом материале нарождаются новые дислокации.

Дислокации, благодаря их значительной протяжённости, оказывают существенное влияние на механические свойства материалов. Они играют важную роль в механизме пластического деформирования материалов. При пластической деформации материалов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и дислокации способствуют этому процессу. Благодаря дислокациям атомные слои могут смещаться относительно друг друга не сразу целиком, а поэтапно, т.е. атомными рядами. Такой поэтапный сдвиг атомных слоёв выглядит как движение дислокаций в противоположенном направлении и требует при деформировании значительно меньших усилий.

Учитывая вышесказанное можно утверждать, что металлы и сплавы своей высокой пластичностью обязаны наличию в них достаточно большого количества подвижных дислокаций. Под воздействием холодной пластической деформации плотность дислокаций в металлах возрастает до 101110¸12см–2. При такой высокой плотности дислокации начинают интенсивно взаимодействовать и мешать друг другу, что приводит к ограничению их подвижности. В результате металл становится менее пластичным и более прочным. Такое явление называютнаклёпом.

Поверхностные дефектыкристаллическойструктурыв одном из измерений имеют размеры, сравнимые с межатомным расстоянием, а в двух других измерениях простираются на многие сотни и тысячи межатомных расстояний. К поверхностным дефектам структуры относят границы зёрен, фрагментов и блоков. Указанные границы являются местом скопления всевозможных точечных и линейных дефектов. Они выглядят как дислокационные стенки, разделяющие кристаллический материал на участки (рис.6).

Что называется монокристаллом Рис.6. Дислокационная стенка.

Порядок расположения атомов в зоне границ сильно нарушен. Это наиболее дефектная область материала. По границам зёрен обычно распространяются трещины, разрушающие металлический материал, а также более активно идут процессы взаимодействия металла с химически активными веществами, в частности, процессы окисления, а также травления кислотами.

Поверхностные дефекты оказывают существенное влияние на свойства материалов. Они, в частности, способствуют процессам диффузии, но препятствуют процессу прохождения электрического тока через материал. Для механических свойств особое значение имеет общая протяженность межзёренных границ в единице объёма, т.е. плотность границ. С уменьшением размера зёрен, а, следовательно, увеличением плотности их границ, увеличиваются вязкость, пластичность и прочность металлических материалов.

Объёмные дефекты структуры имеют значительные размеры во всех трех измерениях. К объёмным дефектам структуры относят всевозможные поры, инородные включения, выбоины и царапины на поверхности, микротрещины и т.п. При разрушении материалов объёмные дефекты обычно играют роль концентраторов напряжений и источников трещин, а поэтому являются причиной снижения прочностных характеристик материала.

 

58. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга и Пти.

 

Теплоемкость кристаллов. Закон Дюлонга-Пти. Теория теплоемкости Эйнштейна и Дебая

Расположение частиц в узлах отвечает минимуму их взаимной потенциальной энергии. При смещении частиц из узла решетки возникает возвращающая сила, вследствие которой возникнут колебания частиц, которые можно представить как наложение колебаний вдоль трех координатных осей, т.е. приписать колебанию частицы три колебательные степени свободы. На каждую колебательную степень свободы приходится энергия, равная kT (1/2 kT – в виде кинетической и 1/2 kT – в виде потенциальной энергии). Следовательно, на каждую частицу в узле решетки приходится энергия, равная 3 kT, а энергия одного моля вещества будет равна внутренней энергии U

U = 3NAkT = 3 RT

и молярная теплоемкость твердого тела (для них Сv = Сp )

C = Что называется монокристаллом = 3R.

Это соотношение носит название закона Дюлонга-Пти. Этот закон выполняется только при температурах близких кнормальной и не выполняется при низких температурах.

Для выяснения зависимости теплоемкости кристаллов Эйнштейн предложил теорию, в которой систему из N атомов представил в виде 3N независимых гармонических осцилляторов, колеблющихся с одинаковой частотой ν. Энергия каждого гармонического осциллятора может иметь значения

Что называется монокристаллом n = 0, 1, 2, 3, …

Тогда для системы 3N осцилляторов энергия будет равна

Что называется монокристаллом ,

а теплоемкость твердого тела равна

Что называется монокристаллом ,

где Что называется монокристаллом — характеристическая температура Эйнштейна из условия, что hν = ΘEk. Это формула теплоёмкости кристаллов по теории Эйнштейна.

При высоких температурах когда kT» hν теплоемкость 1моля будет равна

С = 3NAk = 3R.

т.е. отражает закономерность Дюлонга-Пти.

При низких температурах (kT«hν) эта формула качественно правильно описывает ход снижения теплоемкости твердого тела, но все же расходится с опытными данными для температур близких к абсолютному нулю

Пренебрегая единицей в знаменателе, получим выражение для теплоёмкости

Что называется монокристаллом .

При Т→0 экспоненциальный множитель изменяется значительно быстрее, чем Т2. Поэтому при приближении к абсолютному нулю теплоёмкость будет стремиться к нулю по экспоненциальному закону. Опыт показывает, что теплоёмкость кристаллов вблизи абсолютного нуля изменяется не экспоненциально по закону Т3.

Дебай посчитал, что предположение Эйнштейна о равенстве частот всех гармонических осцилляторов является чрезмерно упрощенным. Он предположил, что гармонические осцилляторы обладают спектром (набором) частот, общее число которых ограничено и равно 3N. В соответствии с этим Дебай получил формулы для молярных (См) теплоёмкостей кристаллов

Что называется монокристаллом — при высоких температурах и

Что называется монокристаллом — при низких температурах.

где Что называется монокристаллом — характеристическая температура Дебая.

Это соотношение носит название закона кубов Дебая.

Понятие о зонной теории твердых тел

Взаимодействие электронов и ядер в свободном атоме является весьма сложным. Еще более сложно описать их взаимодействие в кристалле, где каждая частица взаимодействует с огромным числом соседних частиц. Известно, что в изолированном атоме электроны находятся в дискретных энергетических состояниях. Из соотношения неопределенностей для энергии и времени

ΔЕ·Δt Что называется монокристаллом

ширина энергетического уровня для электрона в свободном возбужденном атоме (Δt∼10-8 с) составляет величину порядка 10-7 эВ, а в основном состоянии (Δt→∞) –ΔЕ ≃0. Для электронов в кристалле ширина энергетического уровня Что называется монокристаллом от 1 до 10 эВ. Почему возрастает неопределенность в определении энергии электронов атома в кристалле?

В свободном атоме энергетические состояния определяются взаимодействием их с ядром своего атома. При сближении двух атомов на расстояние менее 10-10м А электронные оболочки валентных (внешних) электронов настолько перекроются, что энергетические уровни уже не будут соответствовать энергетическим уровням электронов свободного атома. В отличие от изолированных атомов, где энергетические уровни электрона представляют резкие линии (определенные значения), при образовании кристалла происходит расщепление уровней и энергетический спектр электронных состояний представляет собой совокупность энергетических уровней, называемых зоной.

Расщепление уровней присуще всем электронам атома, но величина расщепления для разных уровней разная.

Для внутренних оболочек величина расщепления очень мала и внутренние электроны в кристалле ведут себя практически также как и в изолированных атомах.

В результате расщепления энергетических уровней область возможных значений энергии электронов кристалла разделяется на ряд зон (рис. 181) – разрешенных и запрещенных значений энергии. С уменьшением энергии ширина разрешенных зон убывает, а запрещенных – возрастает.

Энергетическая зона не является непрерывным рядом значений энергий электрона, а представляет собой ряд конкретных дискретных уровней, отстоящих друг от друга на величину порядка 10-22 эВ. Разрешенные энергетические зоны в кристалле могут быть по разному заполнены электронами – в предельных случаях либо полностью свободны, или целиком заполнены.

Возможны переходы электронов из одной разрешенной зоны в другую. Для этого необходимо затратить энергию, численно равную ширине запрещенной зоны. Для внутризонных переходов с уровня на уровень требуется очень небольшая энергия (10-4 – 10-8 эВ). Существование энергетических зон позволяет объяснить разделение твердых веществ по электропроводности на металлы, полупроводники и диэлектрики (рис. 182). Электропроводность металла объясняется тем, что электроны валентной зоны (у металлов она является и зоной проводимости) под действием незначительной сообщенной им энергии могут совершать внутризонные переходы, а поскольку они слабо связаны с узлами кристаллической решетки, то под действием слабого электрического поля могут ускоряться и приобретать дополнительную скорость в направлении противоположном полю, т.е. обеспечивать электрический ток.

Что называется монокристаллом Что называется монокристаллом

У полупроводников валентная зона полностью заполнена и для вовлечение электронов в электрический ток им необходимо сообщить энергию не меньшую ширины запрещенной зоны, т.е. перевести электроны из валентной в свободную зону. Ширина запрещённой зоны у полупроводников имеет величину порядка 1эВ.

Еще большая энергия требуется для перевода электрона из валентной в зону проводимости (свободную зону) у изоляторов, почему они и не проводят электрический ток.

У металлов две соседние разрешенные зоны могут перекрываться и тогда переход электрона из валентной зоны в свободную по энергетическим затратам эквивалентен внутризонному переходу.

 

Источник: studopedia.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.