Введение. задачи курса «введение в физическое материаловедение»

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 курсаявляется 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.

Общие положения

Основные физические свойства полупроводников, диэлектриков и металлов целесообразно рассмотреть для облегчения понимания закономерностей влияния на свойства материалов состава и технологии получения.

Свойства материалов, представляющих практический интерес очень многообразны, поэтому мы рассматриваем свойства, наиболее важные для материалов, используемых в полупроводниковой электротехнике. Эту группу свойств можно классифицировать следующим образом:

Таблица 1.1. Основные физические свойства полупроводников, диэлектриков и металлов

Класс свойства	Основные явления и процессы данного класса свойств
1. Электрические свойства	Движение носителей заряда и их взаимодействие между собой и средой
2. Электрооптические свойства	Генерация и регистрация (обнаружение) оптических излучений, взаимодействие их со средой и различными полями, взаимное преобразование электрических и оптических сигналов
3. Электроакустические свойства	Генерация и регистрация (обнаружение) акустических колебаний, преобразование электромагнитной энергии в энергию упругих волн
4. Магнитные свойства	Возникновение различных видов магнетизма. Взаимодействие магнитных моментов электронов между собой, с движущимися электрическими зарядами и со средой
5. Тепловые свойства	Колебания атомов (движение фононов), их взаимодействие между собой и средой
6. Механические свойства	Упругая и пластическая деформация

В общем случае свойства материалов зависят от 3 характеристик:

1. природы химической связи;

2. химического состава и фазового состояния;

3. степени совершенства атомной структуры.

По эффективности влияния структурных дефектов на свойства можно свойства разделить на группы:

а) структурно-нечувствительные свойства – практически не зависят или очень мало зависят от структурных дефектов, определяются природой и прочностью химической связи;

б) структурно-чувствительные свойства – сильно меняются под действием структурных дефектов, их вида и концентрации. Эти свойства связаны с перемещением частиц или квазичастиц – атомов, электронов, фононов, границ зерен, границ магнитных или электрических доменов и т.д.

Электрические свойства

Все материалы в той или иной степени проводят электрический ток, т.е имеют электропроводность. По этому признаку материалы подразделяются на проводники, полупроводники, диэлектрики.

В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т ® 0 К, r ® 0, в то же время у неметаллов, т.е. у полупроводников и диэлектриков при Т ® 0 К, r ® ¥.

Все вещества по электрофизическим свойствам (удельному электросопротивлению ρ) могут быть разделены на 3 больших класса:

металлы: ρ = (10^-6 – 10^-4) ом/см,

полупроводники: ρ = (10^-4 – 10¹⁰) ом/см,

диэлектрики: ρ > 10¹⁰ ом/см.

Эти интервалы условны, так как под влиянием разных факторов граничные значения ρ могут перекрываться. Удельная электропроводность полупроводников является промежуточной между σметаллов и диэлектриков.

Способность и возможность материала проводить электрический ток главным образом обусловлена: типом химической связи, шириной запрещенной зоны, видом свободных носителей заряда, их концентрацией и подвижностью.

Основными параметрами, характеризующими электрические свойства, являются: удельная электропроводимость γ (Ом^-1*м^-1); удельное электросопротивление ρ (Ом*м); температурный коэффициент удельного электросопротивления α_ρ (К^-1).

Удельная электропроводность γ связывает плотность тока ј (А/м²) и напряженность электрического поля Е (В/м), вызывающего этот ток, соотношением

ј = γЕ (1.1)

(дифференциальная форма закона Ома).

Удельное электросопротивление – величина, обратная удельной электропроводности:

(1.2)

где γ– удельная электропроводность, [γ] = [См/м], (См – Сименс).

Плотность тока j связана с зарядом еносителей тока, их числом nи напряженностью поля соотношением:

j = еnμЕ (1.3)

где μ – подвижность носителей заряда, численно равная скорости дрейфа заряженных частиц в направлении поля напряженностью в 1В/см, [Е]= [1 В/см]), [μ] – [см² / (В*с)]. Подвижность носителей заряда зависит от типа химической связи, температуры и структурных несовершенств и колеблется для разных веществ в пределах от 10 до 10⁵ [см² / (В*с)].

Структурная чувствительность электропроводности вызвана влиянием структурных несовершенств на подвижность носителей заряда. При наличии в материале носителей заряда разного рода (электронов, дырок, ионов) электропроводность определяется выражением:

γ = Σ en_iµ_i (1.4)

из которого следует, что вклад в электропроводность носителей заряда данного типа зависит от их концентрации и подвижности.

Подвижность носителей заряда равна:

µ= = (1.5)

где m^* – эффективная масса носителя; l – длина его свободного пробега; v – тепловая скорость движения носителя заряда; τ – время свободного пробега или релаксации.

Тогда

(1.6)

то есть электропроводность пропорциональна концентрации носителей заряда, их подвижности, длине свободного пробега и обратно пропорциональна их эффективной массе. Длина свободного пробега электрона находится в пределах 10^-6 < l_см< 10^-5 и тем меньше, чем сильнее нарушения периодического потенциала поля ионного остова кристалла, вызванного тепловыми колебаниями атомов (динамическими искажениями) или неупорядоченными атомными смещениями, вызванными растворением инородных атомов с атомным радиусом, отличающимся от матричного (статическими искажениями).

Тепловая скорость электронов v в невырожденных полупроводниках при комнатной температуре равна приблизительно 10 см/с, а в металлах, где электронный газ вырожден, скорость приблизительно на порядок больше. Отсюда средняя длина волны свободных электронов, исходя из зависимости де Бройля:

(1.7)

в полупроводниках составляет приблизительно 7*10^{-7 см, а в металлах на порядок меньше 5*10-8 см, то есть является величиной того же порядка, что и межатомные расстояния. Отсюда следует, что рассеяние электронов на точечных дефектах должно быть сильнее выражено в металлах, а на протяженных дефектах (дислокациях, субграницах и границах зерен) – в полупроводниках.}

В соответствии с физической природой носителей заряда различают два основных вида электропроводности: электронную и ионную.

Электронная электропроводность может быть чисто электронной (у металлов), чисто дырочной и смешанной, когда в электропроводности участвуют как электроны, так и дырки (полупроводники). Ионная проводимость может быть катионной, анионной и смешанной.

Электронной электропроводностью обладают металлы, полупроводники и диэлектрики.

В диэлектриках электронная электропроводность наблюдается только при очень высоких напряжениях (вблизи пробоя).

Ионной электропроводностью обладают жидкие электролиты и ионные кристаллы (щелочно-галоидные и др.). Существенной особенностью ионной электропроводности является то, что она сопровождается переносом вещества.

Электропроводность зависит от температуры, давления, облучения, примесей. Резкая зависимость электропроводности полупроводников от разных видов воздействия лежит в основе широкого использования их в качестве датчиков.

Изменение электропроводности у металлов при всех видах воздействия, в том числе и при изменении температуры, связано с изменением подвижности носителей заряда. Чем выше температура, тем больше амплитуда тепловых колебаний атомов (ионов), тем больше локальные искажения электрического поля ионного остова решетки, тем сильнее рассеяние носителей заряда и больше удельное сопротивление металла.

У полупроводников повышение температуры и другие виды воздействия влияют на подвижность носителей заряда также как у металлов, но одновременно при этом повышается концентрация носителей, может меняться ширина запрещенной зоны и другие характеристики. Эти изменения влияют на удельное сопротивление полупроводников сильнее, чем изменение подвижности носителей заряда. Поэтому у полупроводников зависимость удельного сопротивления от температуры носит более сложный характер.

Влияние деформации на ρ (удельное сопротивление) зависит от природы материала, от вида деформации – упругой или пластической. При пластической деформации на ρ влияют тип, концентрация и характер распределения структурных несовершенств. Изменение ρполупроводников под влиянием упругой деформации обусловливает тензорезистивный эффект, используемый в датчиках механических напряжений. Пластическая деформация и облучение повышают концентрацию носителей заряда и одновременно уменьшают их подвижность, чаще преобладает первый эффект, и ρуменьшается.

Для тела с постоянным поперечным сечением S, сопротивлением R и длиной l, ρ определяется по формуле:

(1.8)

Согласно теории электропроводности, γ может быть выражена следующей формулой:

(1.9)

Где q и m – соответственно заряд и масса носителя заряда (электрона в проводниках, электрона и дырки в полупроводниках, иона в диэлектриках); и λ – скорость и длина свободного пробега носителя заряда; n – концентрация заряда, т.е их количество в единице объема.

Изменение удельной электропроводности, а следовательно, и удельного электросопротивления в реальных материалах связано с изменением концентрации и длины свободного пробега носителей заряда.

Под действием электрического поля носители заряда приобретают ускорение, а их скорость пропорциональна напряженности поля:

=uE (1.10)

Где u (м²/ В*с) – подвижность носителей заряда – отношение скорости их направленного движения, вызванного электрическим полем, к напряженности этого поля. Она определяется выражением

(1.11)

откуда

γ =qnu (1.12)

Величина электропроводности сильно зависит от рассеяния носителей на несовершенствах кристаллической решетки – структурных дефектах и фононах. В результате рассеяния уменьшаются длина свободного пробега, скорость и подвижность носителей заряда. Электроны в изолированном атоме имеют строго определенные дискретные значения энергии. В твердом теле в результате сближения атомов и сильного взаимодействия электронов и ядер происходит расщепление энергетических уровней атомов и объединение их в энергетические зоны (рисунок 1.2).

Е Зона проводимости Е_с

Запрещенная

зона

Валентная зона

Рисунок 1.2. – Энергетические зоны в твердом теле

Энергетические зоны, где могут присутствовать носители заряда, называются разрешенными. Зоны по энергии, где не могут присутствовать носители – запрещенными. При образовании твердого тела из n атомов дискретные уровни атомов расщепляются в зоны разрешенных энергий, которые разделены между собой зонами запрещенных энергий.

Максимальное число электронов на дискретных уровнях атомов равно:

уровни	s	p	d	f
количество электронов

У металлов в самой верхней по энергии зоне всегда есть незаполненные разрешенные по энергии состояния.

Уровень Ферми отделяет заполненную часть зоны от незаполненной.

Энергетическая зона, образовавшаяся при расщеплении уровней валентных электронов, называется валентной зоной ( ). Следующая за ней зона разрешенных энергий – зона проводимости (Е_с). Между ними расположена запрещенная зона (Е_g). Если электрон получает энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, то он переходит из валентной зоны в зону проводимости и участвует в электропроводности.

По зонной теории твердого тела отличие металлов от неметаллов заключается в характере заполнения верхних (последних) энергетических зон. Наиболее важной особенностью металлов является то, что в них верхняя энергетическая зона, содержащая электроны (зона проводимости), имеет незанятые уровни. В диэлектриках и полупроводниках при низких температурах (близких к 0 К) верхняя, целиком заполненная электронами энергетическая зона (валентная зона) отделена от следующей – пустой – зоны разрешенных энергий (зоны проводимости) запрещенным участком Е_g – запрещенной зоной, в котором отсутствуют энергетические уровни электронов. С точки зрения зонной теории между полупроводниками и диэлектриками различие чисто условное: величина Е_g, разделяющая валентную зону и зону проводимости у полупроводников и диэлектриков составляет:

Е_g(п/п) = ≤ 2 эВ,

(1.13)

Е_g(диэл.) = ≥ 2 эВ

Существуют и бесщелевые полупроводники у которых Е_g = 0, например HgTe и HgSe.

Примеси и дефекты в полупроводниках и диэлектриках могут приводить к появлению уровней в запрещенной зоне.

В полупроводниках, зону созданную валентными электронами называют валентной (она полностью заполнена при Т=0 К). Потолок валентной зоны обозначают . Пустая зона при Т=0 К после запрещенной называется зоной проводимости. Дно зоны проводимости обозначают (самая низкая энергия).

По зонной модели полупроводники и диэлектрики не отличаются. Практически многие полупроводники при низких температурах (вблизи 0 К) ведут себя как диэлектрики, а многие диэлектрики при высокой температуре являются полупроводниками.

В соответствии с зонной теорией твердые тела подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники – материалы, у которых валентная зона и зона проводимости перекрываются или примыкают друг к друг. Поэтому электроны в металле свободны, т.е могут переходить из валентной зоны в зону проводимости при приложении незначительной напряженности электрического поля. Атомы в металлах связаны друг с другом металлической связью. Валентные электроны имеют высокую подвижность и из-за перекрытия и Е_с легко перемещаются в решетке металлического кристалла.

В металлах наблюдается электронный тип электропроводности. При этом ускоренные полем электроны переносят только заряд. Переноса массы, как, например, в материалах, имеющих ионный тип электропроводности, не происходит.

Диапазон значений ρ металлических проводников занимает три порядка: от 1,58*10^-18 Ом*м у серебра до 1000*10^-8 Ом*м у сплавов системы Fe – Cr – Al.

Полупроводникипо электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками: их удельное электросопротивление составляет 10^-6-10⁹ Ом*м, ширина запрещенной зоны – от 0,05 до 2,5-3 эВ. Атомы в полупроводниках могут быть связаны как ковалентной неполярной и полярной, а также ионной связью, тип электропроводности – электронно-дырочный.

Так же как и диэлектрики, полупроводники имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α_ρ, т.е с ростом температуры ρ полупроводников уменьшается, тогда как ρ металлов увеличивается.

Важной особенностью полупроводников является высокая чувствительность удельного электросопротивления не только к тепловым, но и к другим внешним воздействиям (электромагнитным полям, излучению и т.д). Это обусловлено типом химической связи между атомами в кристаллической решетке полупроводника, а также наличием примесей и других дефектов, даже ничтожные концентрации которых существенно влияют на концентрацию свободных носителей заряда и, следовательно, на электрические свойства материала.

В промышленности применяются полупроводники, имеющие и электронный и дырочный типы электропроводности.

У диэлектриковширина запрещенной зоны превышает 3 эВ, удельное электросопротивление составляет 10⁹ – 10¹⁶ Ом*м. Также как и в полупроводниках, в диэлектриках может осуществляться ковалентный тип связи. Особенностью электропроводности твердых диэлектриков является в большинстве случаев ее ионный характер. Так как Е_g >> kT, лишь очень незначительное количество электронов может оторваться от своих атомов под действием тепловой энергии, и их вклад в электропроводность пренебрежимо мал. Ионная электропроводность может быть обусловлена передвижением как ионов примесей, так и ионов самого диэлектрика.

Следует отметить, что электронный тип проводимости может быть ощутимым в том случае, если в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости и потолка валентной зоны образуется большое число соответственно донорных и акцепторных уровней. Появление таких уровней может быть вызвано наличием примеси и дефектов кристаллической решетки.

Электронная электропроводность, обусловленная наличием свободных электронов, проявляется в сильных электрических полях и приводит к пробою изоляции.

Одним из важнейших применений металлов и сплавов в технике является использование их в качестве проводников. Они делятся на две группы:

· Металлы и сплавы с высокой проводимостью

· Металлы и сплавы с высоким сопротивлением.

Металлы и сплавы высокой проводимостииспользуются для изготовления проводников, жил, кабелей, контактов, обмоток трансформаторов, в интегральных схемах для создания токоведущих элементов и др. Высокую электропроводность имеют чистые металлы – Ag, Au, Cu, Al и их сплавы, некоторые стали, биметаллы. Основные требования, предъявляемые к ним, – низкое удельное электросопротивление и низкий температурный коэффициент электросопротивления.

Металлы и сплавы высокого сопротивленияиспользуются для изготовления резисторов, реостатов, электронагревательных устройств и др. к ним относятся сплавы меди (константан, манганин, никелин) и сплавы систем Fe — Ni — Cr, Fe — Cr — Al. Основные требования, предъявляемые к ним: высокое ρ, низкий и низкая термоЭДС в паре с медью. Кроме того, сплавы для электронагревательных устройств должны быть термостойкими.

Кроме указанных требований как проводниковые, так и резистивные материалы должны иметь высокую механическую прочность, коррозионную стойкость и технологичность, т.е. способность подвергаться обработке давлением, сварке, пайке, и другим видам обработки.

Изменение величин γ и ρ в реальных проводниках связано в первую очередь с изменением длины свободного пробега λ.

Удельное электросопротивление металлов зависит от незавершенности валентных оболочек, перекрытия электронных оболочек.

Наибольшую электропроводность имеют элементы IB- подгруппы (Ag, Cu, Au) и IIIB-подгруппы (Al) периодической системы. Это объясняется тем, что электроны легко переходят в электронный газ из незавершенных s- оболочек. Элементы IA-подгруппы, хотя и имеют такое же строение внешней s- оболочки, проявляют меньшую электропроводность из-за более низкой концентрации электронов проводимости (n), которая определяется соотношением параметров кристаллической решетки и диаметра иона.

Переходные металлы имеют более высокое ρ по сравнению с непереходными. В переходных металлах происходит перекрытие s- оболочек незаполненными d – и f – оболочками, которые энергетически расположены нижем s – оболочек. При приложении электрического поля происходит рассеяние s – электронов в d – и f – зонах, уменьшение их концентрации в зоне проводимости.

Таким образом, удельное электросопротивление чистых металлов определятся в первую очередь их природой, т.е. концентрацией электронов проводимости. Она не зависит от температуры, а реально наблюдаемые изменения ρ при варьировании температуры связаны с изменением длины свободного пробега и подвижности электронов.

При прохождении электронной волны через идеальную (бездефектную) решетку ее рассеяния не происходит. Дефекты кристаллической решетки вызывают рассеяние электронов, приводящее к уменьшению и, следовательно, к увеличению ρ.

Несовершенства, рассеивающие электроны, можно разделить на две группы:

– энергетические дефекты (тепловые колебания атомов или ионов решетки), определяющие температурную составляющую (ρ_Т) удельного сопротивления материала;

– дефекты кристаллического строения, определяющие структурную или остаточную (ρ_ост) составляющую удельного сопротивления материала.

В связи с этим удельное электросопротивление чистых металлов можно представить в виде

ρ = ρ_т +ρ_ост (1.14)

Примесные и собственные дефекты, нарушающие периодичность кристаллической решетки, являются центрами рассеяния электронных волн. При этом уменьшается длина свободного пробега λ и увеличивается удельное электросопротивление.

В широком диапазоне температур зависимость ρ от температуры выражается так:

ρ_т = ρ₀(1+αt+βt²+γt³+…) (1.15)

В температурном интервале при t>Θ_д (Θ_д—температура Дебая) ρ зависит от t линейно:

ρ_т= ρ₀(1+αt) (1.16)

Или при выборе абсолютной шкалы температур

ρ_т= ρ₀αТ (1.17)

где ρ₀ – удельное электросопротивление при температуре, принятой за начало отсчета; Т – температура (К); α = α_ρ – температурный коэффициент удельного сопротивления.

Температура Дебая отделяет область «низких» температур, в которой проявляются квантовые эффекты и где необходимо применять квантовую статистику, от области «высоких» температур.

В дифференциальном виде α_р = (1/ρ₀) (dρ/dT).

При Т=Т_пл удельное электросопротивление увеличивается скачкообразно вследствие резкого уменьшения концентрации электронов проводимости.

Некоторые металлы и сплавы при температурах, близких к 0 К, переходят в сверхпроводящее состояние т.е. их ρ резко уменьшается практически до нуля. При температуре сверхпроводящего перехода (Т_с) ρ < 10^-18Ом*м.

Теория сверхпроводимости основана на предположении о том, что электроны, осуществляющие процесс электропроводности, связываются в куперовские пары, причем электроны в такой паре имеют противоположные направления спинов и импульсов. Такое связывание электронов возможно в среде, содержащей положительно заряженные ионы, поле которых ослабляет силы кулоновского отталкивания между электронами. Природа сил притяжения между электронами определяется их взаимодействием с фононами. Движение всех электронных пар можно рассматривать как движение одной электронной волны, которая не рассеивается узлами решетки, а «обтекает» их. При Т=0 связаны все электроны проводимости. Повышение температуры и усиление тепловых колебаний приводит к разрыву части пар, а при Т_с все пары разрушаются, сверхпроводимость исчезает и металл переходит в нормальное состояние с конечным значением удельной электропроводности.

В отличие от чистых металлов в решетке основного вещества сплава располагаются атомы другого элемента или образуются другие фазы. В обоих случаях они представляют собой центры рассеяния электронных волн.

Для сплавов, как и для чистых металлов, справедлива зависимость:

ρ = ρ_т +ρ_ост.

Для разных типов сплавов зависимость удельного электросопротивления от концентрации компонентов, образующих сплав, различна.

Влияние растворенного компонента на электрические свойства сплава обусловлено нарушением периодичности электрического потенциала решетки основного компонента. Эти нарушения приводят к рассеянию электронов, уменьшению длины свободного пробега и, как следствие, к увеличению ρ.

Степень изменения ρ зависит от природы основного и примесного компонентов – их валентности и атомного диаметра. Чем больше разность валентностей и атомных диаметров, тем значительнее увеличение ρ.

В случае неограниченных твердых растворов компонентов А и В, если А и В – непереходные элементы, ρ_ост возрастает как при растворении В в А, так А в В. При этом изменение ρ в зависимости от концентрации компонентов характеризуется симметричной кривой с максимумом.

Зависимость длины свободного пробега от концентрации компонентов А и В в сплаве выражается соотношением:

λ = β/(с_Ас_В) = β/(с_А(1 – с_А)) (1.18)

где β – коэффициент пропорциональности, постоянный для данной системы; с_{А и} с_В – соответственно концентрации основного и примесного компонентов (ат.%).

Подставив это выражение в формулу ρ = m _T/ (e²nλ), получим

ρ = m _Tс_А(1 – с_А)/ (e²nβ) (1.19)

Сгруппировав постоянные множители и обозначив m _T/(e²nβ)=D, получим

ρ = Dс_А(1 – с_А) (1.20)

Функция с_А(1 – с_А) – парабола с максимумом при с_А= ½,т.е. при эквиатомном соотношении компонентов в сплаве. Примерами таких сплавов являются Ag – Au, Cu – Au, W- Mo.

Температурный коэффициент удельного электросопротивления сплавов определяется так же, как и для чистых металлов, по формуле

α_{p спл} = (1/ ρ_{0 спл}) (d ρ_спл /dT ) (1.21)

В изометрических условиях α_{p спл} 1/ ρ_{0 спл} .

Если один из компонентов твердого раствора – переходный металл, то концентрационная зависимость отличается от параболической. Вследствие s – d или s – f – рассеяния электронов в переходном металле максимум ρ смещается в сторону более высоких концентраций переходного металла. Если переходными металлами являются оба компонента, то наблюдается не только смещение максимума, но и неравномерность хода кривой.

Концентрационные зависимости удельного электросопротивления эвтектических сплавов имеют линейный характер, так как эвтектики состоят из фаз, каждая из которых имеет собственное электронное строение, кристаллическую решетку и концентрацию электронов проводимости. Фазами эвтектики могут быть чистые металлы, твердые растворы и химические соединения. При изменении концентрации компонентов количественное соотношение фаз эвтектики изменяются аддитивно, также аддитивно от одной граничной фазы к другой меняется и удельное электросопротивление эвтектики. Удельное электросопротивление двухфазной эвтектики описываются соотношением ρ_эвт = ρ₁ с₁ + ρ₂ с₂ ,где ρ₁, ρ₂, с₁, с₂ – соответственно удельные электросопротивления и концентрации первой и второй фаз.

На практике наблюдается нарушение линейности концентрационной зависимости ρ эвтектик из-за наличия примесей, границ зерен и других дефектов. Температурный коэффициент удельного электросопротивления эвтектик, как и α_р, твердых растворов, изменяется обратно пропорционально концентрационным изменениям ρ.

В отличие от твердых растворов и эвтектик химическое соединение является совершенно новым веществом, кардинально отличающимся по структуре и свойствам от образующих его компонентов (другой тип кристаллической решетки, электронное строение, концентрация носителей заряда, иногда другой тип химической связи и электропроводности).

Металлические пленки, получаемые вакуумными методами (например, термическим испарением, ионно-плазменными распылением), используются в микроэлектронике в качестве межэлементных соединений, контактных площадок, резистивных и магнитных элементов, обкладок конденсаторов.

Электрические свойства тонких пленок существенно отличаются от свойств исходных материалов в массивном состоянии. Это обусловлено:

- структурой пленок. При конденсации распыляемого металла на поверхности структура пленок может изменяться от аморфной до кристаллической;

- размерными эффектами. В пленках поверхностные процессы преобладают над объемными, особенно если толщина пленки (h) соизмерима с длиной свободного пробега (λ) основных носителей заряда, что оказывается на свойствах, в том числе и электрических.

Удельное сопротивление ρ пленок всегда оказывается выше ρ_м вследствие высокой концентрации дефектов.

Увеличению ρ способствует также и размерный эффект, т.е. уменьшение длины свободного пробега электронов вследствие их рассеяния поверхностями пленки.

Оптические свойства

К оптическим свойствам относятся свойства, связанные с генерацией, обнару