15

Физическое материаловедение

Лекция № 3 (4 часа)

Реальные материалы представляют собой композиции, образованные несколькими химическими элементами. Полупроводниковые соединения состоят из 1,2-х и более элементов. Полупроводниковые термоэлектрические материалы содержат 4-5 и (более) элементов, диэлектрические фазы 4-8 элементов и т.д. Современные металлические сплавы часто представляют собой еще более сложные композиции. Даже сверхчистые кристаллы Ge и Si всегда содержат фоновые примеси.

Взаимодействие химических элементов, образующих данный сплав может быть очень сложным, Результат взаимодействия зависит от концентрации элементов, их природы, а также от внешних параметров – температуры и давления.

В результате взаимодействия разных элементов возникают химические соединения и растворы, физические и химические свойства которых зависят от состава, давления и температуры.

Для твердых тел важнейшим признаком фазы является ее кристаллическая решетка (атомная структура). Каждая фаза обладает своей, только ей присущей кристаллической решеткой, отличающейся от решеток других фаз либо типом, либо размерами (а, в, с) элементарной ячейки.

Разные аллотропические модификации одного и того же химического элемента (α- и β – Sn, α- и γ – Fe и т.д.) представляют собой разные фазы. Фазами являются также соединения, твердые растворы на основе элементов и соединений.

Аллотропия и полиморфизм – разные структуры одного и того же элемента с практически одинаковой энергией связи.

Энергия связи – энергия, необходимая для разъединения твердого тела на отдельные атомы, молекулы или ионы (в зависимости от состава твердого тела). Е_св – энергия связи равна разности потенциальных энергий системы изолированных атомов и связанной системы за вычетом кинетической энергии, которая, согласно принципу неопределенности, должна быть обусловлена локализацией ядер и электронов внешней оболочки.

Следует отметить, что физико-химическая система и система, образованная компонентами, это не адекватные понятия.

В однокомпонентных системах реализуются фазы, постоянные по химическому составу, которые могут находиться в разных агрегатных состояниях: в твердом, жидком и газообразном. Протяженность области существования той или иной фазы или области существования разных фаз однокомпонентной системы определяется внешними параметрами (Т) и (Р).

В многокомпонентных системах реализуются фазы как постоянные (индивидуальные вещества), так и, главным образом, переменные по химическому составу (растворы), такие фазы реализуются в твердом, жидком и газообразном состоянии. Протяженность области существования фазы постоянного состава определяется значениями внешних параметров (Р и Т).

Протяженность областей существования фаз переменного состава, также как и области сосуществования различных фаз, определяется как значениями внешних параметров (Р, Т), так и составом фаз.

Фаза – это гомогенная система, находящаяся в равновесии или совокупность гомогенных частей в гетерогенной системе, находящихся в равновесии.

Примеры: 1) однофазная система – кристалл кварца. А также много кристаллов кварца.

2) 2-х фазная система – а) кристалл Si, содержащий включения SiO₂

б) кристалл льда в воде, а также много кристаллов льда в воде

В твердом теле можно указать 3 основных типа возможных фаз при взаимодействии разнородных компонентов:

1. соединение

2. твердые растворы

3. механические смеси