ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΥΛΙΚΩΝΜΑΘΗΜΑ1Ο

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣΥΛΙΚΩΝ

1

Δρ. M.ΧανιάςΑν.Καθηγητής

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ,ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης

ΚΑΒΑΛΑ 2018

2

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΥΛΙΚΑ

2. ΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ

3. ΗΜΙΑΓΩΓΟΙ

4. ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ

5. ΔΙΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

6. ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

7. ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΑ ΥΛΙΚΑ

8. ΕΞΥΠΝΑ ΥΛΙΚΑ

9. ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΩΝ

¨ Οι ιδιότητες των υλικών µελετώνται από την Επιστήµη των Υλικών (Material Science),

¨ Όταν µιλάµε για την Επιστήµη των υλικών εκείνο που εννοούµε είναι η Φυσική όπως εφαρµόζεται στην ύλη που βρίσκεται σε µια από τις τρεις γνωστές καταστάσεις.

¨ Η αξιοποίηση των δεδοµένων της Επιστήµης των υλικών, για τεχνολογικούς σκοπούς υλοποιείται από το γνωστικό αντικείµενο που ονοµάζουµε Τεχνολογία Υλικών.

3

Τα θεµελιώδη ερωτήµατα είναι¨ • Ποιο είναι το υλικό που έχουµε, π.χ Si;¨ • Γιατί έχει τις ιδιότητες που έχει, π.χ γιατί συµπεριφέρεται σαν ηµιαγωγός;

¨ Ποιοι µικροσκοπικοί παράγοντες διαµορφώνουν αυτές τις µακροσκοπικές ιδιότητες

¨ • Σε τι µας χρησιµεύουν οι ιδιότητες αυτές, π.χ στην κατασκευή microchip;

4

Φυσικές Ιδιότητες¨ Στερεά –Υγρά -ΑέριαΜηχανικές Ιδιότητες¨ Μαλακά - ΣκληράΘερµικές Ιδιότητες¨ Θερµικοί αγωγοί – Θερµικοί ΜονωτέςΗλεκτρικές – Ιδιότητες¨ Αγωγοί –Μονωτές –Ηµιαγωγοί –ΥπεραγωγοίΜαγνητικές Ιδιότητες¨ Διαµαγνητικά-Παραµαγνητικά –ΣιδηροµαγνητικάΟπτικές Ιδιότητες¨ Διαφανή –Αδιαφανή - Ηµιδιαφανή

5

6

Φάσματα εκπομπής (α) Υδρογόνου (Η), β) Υδραργύρου (Ηg) γ) Νατρίου (Να) και δ) Ηλιακού φωτός.

Το 1913 ο Bohr πρότεινε το δικό του µοντέλο για το άτοµο. Τα στοιχεία-κλειδιά αυτού του µοντέλου ήταν πως:

¨ H στροφορµή L του ηλεκτρονίου πρέπει να παίρνει διακριτές τιµές (είναι κβαντισµένη) µε τιµές ακέραια πολλαπλάσια της σταθεράς (h/2π):

¨ Οι ατοµικές τροχιές είναι σταθερές και εκπέµπεται ή απορροφάται φως µόνον όταν ένα ηλεκτρόνιο πηδάει από την µια ενεργειακή στάθµη στην άλλη.

7

¨ Κάθε άτοµο έχει µια κατώτατη ενεργειακή στάθµη που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια που µπορεί να έχει το άτοµο. Αυτή η κατάσταση ονοµάζεται θεµελιώδης κατάσταση ενώ οι άλλες διεγερµένες.

8

9

Σαν ενέργεια ιονισµού χαρακτηρίζουµε την απαιτούµενη ενέργεια που πρέπει να λάβει ένα ηλεκτρόνιο για να καταστεί ελεύθερο.

10

11

22

4

20

60,132)4(

1neV

nmeEn −=−=!πε

12

)()()()(2 2

22

xExxUdxxd

mψψψ

=+−!

22

4

20

60,132)4(

1neV

nmeEn −=−=!πε

)()(2 2

22

xEdxxd

mψψ

=−!

13

¨ Ειδικές ονοµασίες έχουµε για τιµές του κύριου κβαντικού αριθµού όπως:

¨ n=1 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα Κ¨ n=2 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα L¨ n=3 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα M¨ n=4 αντιστοιχεί στον φλοιό ή στοιβάδα N

n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός

14

Kβαντικός αριθµός τροχιακής στροφορµής l

!)1( += llLµε l=0,1,2….n-1

Mαγνητικός κβαντικός αριθµός ml

!lz mL =µε ml=(0 ±1±2….±l)

Κβαντικός αριθµός spin ms

!ss mS =το ms λαµβάνει µόνο τις τιµές ±1/2.

¨ Προέρχονται από την αλληλεπίδραση δύο ιονισµένων ατόµων. Οφείλεται σε ισχυρές ελκτικές ηλεκτροστατικές δυνάµεις ανάµεσα σε ένα θετικά φορτισµένο ιόν και ένα αρνητικά φορτισµένο ιόν.

15

¨ Ο οµοιοπολικός δεσµός χαρακτηρίζεται από µία αµοιβαία συνεισφορά ηλεκτρονίων από όµοια άτοµα ενός ή δύο στοιχείων που έρχονται σε επαφή δηµιουργώντας ένα ή περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων.

16

¨ Είναι δεσµοί ανάµεσα σε δίπολα. Η αλληλεπίδραση µεταξύ διπόλων είναι ελκτική και οδηγεί σε ασθενείς δεσµούς ανάµεσα στα άτοµα ή µόρια Εµφανίζονται σε υγρά ή στερεά σε χαµηλές θερµοκρασίες.

17

18

¨ Δηµιουργούνται όταν ένα πρωτόνιο εισχωρεί ανάµεσα σε δύο άτοµα τα πολώνει και τα έλκει λόγω διπολικών ροπών εξ επαγωγής

¨ Τα στερεά µπορούν να χαρακτηριστούν σανγιγαντιαία µόρια. Τα άτοµα οργανώνονται σε δοµέςµε περιοδική επανάληψη µιας βασικής µονάδας ήσυγκροτήµατος ατόµων.

¨ Πλέγµα είναι η γεωµετρική διάταξη σηµείων πουέχει προκύψει από σύνολο µετατοπίσεων. Τασηµεία που αποτελούν το πλέγµα ονοµάζονταιδεσµοί.

¨ Η κρυσταλλική δοµή ενός στερεού προκύπτει απότο σχήµα

¨ ‘Δοµή = Πλέγµα + Βάση,19

20

21

¨ Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν:¨ • Ισχυρούς δεσµούς.¨ • Υψηλό σηµείο τήξης (δύστηκτα υλικά) και βρασµού, λόγω µεγάλης ενέργειας ιοντικού δεσµού.

¨ • Αγωγιµότητα πολύ µικρότερη ενός µετάλλου και ανάλογη της θερµοκρασίας.

¨ • Είναι διαφανείς για όλες τις συχνότητες µέχρι την βασική συχνότητας απορρόφησης.

22

¨ Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν¨ • Μεγάλη σκληρότητα.¨ • Υψηλά σηµεία τήξης και βρασµού.¨ • Είναι µονωτές και ηµιαγωγοί.¨ • Είναι διαφανείς σε ακτινοβολίες µικρής συχνότητας – µεγάλου µήκους κύµατος ενώ αδιαφανείς για µικρό µήκος κύµατος – µεγάλης συχνότητας.

¨ Οµοιοπολικοί κρύσταλλοι δηµιουργούνται από άτοµα των αµέταλλων στοιχείων.

23

Παρουσιάζουν:¨ Μεγάλη ηλεκτρική αγωγιµότητα.¨ Μεγάλη θερµική αγωγιµότητα.¨ Είναι αδιαφανείς έως στο µέσο της υπεριώδους περιοχής του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος.

24

Οι ατέλειες δοµής είναι:¨ Πρόσθετο άτοµο. Είναι το ξένο άτοµο το οποίο παρεισδύει µέσα στο πλέγµα.

¨ Πλεγµατικό κενό. Είναι µία κενή θέση στην πλεγµατική δοµή επειδή ένα άτοµο λείπει.

¨ Άτοµο πρόσµιξης Είναι ξένο άτοµο το οποίο αντικαθιστά ένα άτοµο του µητρικού πλέγµατος

¨ Εξαρµόσεις- Εξαρθρώσεις Επηρεάζουν τις µηχανικές ιδιότητες όπως την ολκιµότητα και την ελατότητα των υλικών.

25

26

Τα τρία είδη γραµµικών ατελειών (α) πλεγµατικά κενά, (β) ενδόθετα άτοµα, (γ) και (δ)αντικατάσταση ατόµου από άλλο άτοµο.

27

(α) Γραµµικές ατέλειες και (β) Κοχλιοειδείς.

28

Τα τρία είδη επιφανειακών ατελειών. α) Διδυµίες, β) Σφάλµαταεπιστοίβασης και γ) Διαχωριστικές επιφάνειες

¨ Η ενεργειακή κατανοµή των σταθµών στα µεµονωµένα άτοµα αλλάζει όταν αυτά αλληλεπιδρούν για τον σχηµατισµό στερεού.

¨ Εάν τώρα πλησιάσουµε τα ιόντα έτσι ώστε να σχηµατίσουν µόριο τότε η κάθε ενεργειακή στάθµη χωρίζεται σε δύο στάθµες πολύ κοντά η µία µε την άλλη.

¨ Εάν τώρα έχουµε Ν ιόντα από κάθε είδος το ενεργειακό εύρος κάθε στάθµης παραµένει συγκεκριµένο αλλά µέσα σε αυτό πρέπει να χωρέσουν όλες οι ατοµικές στάθµες των Ν ιόντων µε αποτέλεσµα το σχηµατισµών ζωνών (ή ταινιών)

29

30

Εάν για παράδειγμα έχουμε Ν=1023 άτομα και το εύρος μιας ενεργειακής ταινίας είναι 3eVτότε δύο γειτονικές ενεργειακές θα διαφέρουν κατά eVxeV 23

23 103103

=

31

¨ Ονοµάζουµε ενεργειακό χάσµα Eg την ενεργειακή διαφορά µεταξύ της κορυφής της ταινίας σθένους Ev και του πυθµένα της ταινίας αγωγιµότητας Ec

Eg=Ec-Ev

¨ Ενεργειακό κατώφλι Εt ονοµάζουµε την ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κορυφή της ταινίας σθένους για να βρεθεί έξω από τον κρύσταλλο,

Εt = E∞ - Eν¨ Ηλεκτρονική συγγένεια χ ορίζεται η ενέργεια που χρειάζεται ένα ηλεκτρόνιο για να µεταπηδήσει από τον πυθµένα της ζώνης αγωγιµότητας στη στάθµη του κενού.

χ= Εt-Eg32

33

Ενεργειακό χάσµα Eg και ενεργειακό κατώφλι Et

34

Οι τρεις κατηγορίες υλικών µε βάση το ενεργειακό τους χάσµα. α) Δύοαλληλεπικαλυπτόµενες ταινίες (µέταλλο) β) Μία σχεδόν γεµάτη ταινίαπου διαχωρίζεται από µικρό ενεργειακό χάσµα από µία σχεδόν άδειαενεργειακή ταινία (ηµιαγωγός) γ) Μία γεµάτη ενεργειακή ταινία πουχωρίζεται από ένα µεγάλο ενεργειακό χάσµα από µία γεµάτηενεργειακή ταινία (µονωτής).

35

Για να διαπιστωθεί εάν είναι οµοιόµορφη η κατανοµή του αριθµού των ηλεκτρονίωντους διάφορες ενεργειακές καταστάσεις, ορίζουµε την πυκνότητα ενεργειακώνκαταστάσεων g(Ε). Αυτή ορίζεται ως ο αριθµός των ενεργειακών καταστάσεων ανάµονάδα ενέργειας, που αντιστοιχούν σε ενέργεια Ε στο ενεργειακό εύρος γύρω από την τιµήdE, δηλαδή πόσες καταστάσεις ανά µονάδα ενέργειας υπάρχουν µε ενέργεια µεταξύ Ε καιΕ+dE. Εάν dS ο αριθµός των καταστάσεων που οι ενέργειες τους καλύπτουν ενεργειακήπεριοχή dE τότε η ποσότητα που δίνεται από την σχέση

21

32

23

2)2()( EVm

dEdSEg

!π==

VEgEN )()( =

πυκνότητα καταστάσεων ανά µονάδα όγκου

36

Εξάρτηση της πυκνότητας ενεργειακών καταστάσεων ή του αριθµού ηλεκτρονίωντης ταινίας αγωγιµότητας µε την ενέργεια.

37

Ε=ΕF ⇔f(E)=1/2.Ε<ΕF ⇔ f(E)>1/2Ε>ΕF⇔ f(E)<1/2.

dEEfENEdn )()()( =

mnEF 2

3 32

234

32

!π=

38

kTEE F

eEf )(

1

1)(−

+

=mnEF 2

3 32

234

32

!π=

2νηκατειληµαδεια έ

F

EE

Ε+=