Дефекты кристаллов.

Все реальные кристаллические тела не идеальны:

В них в огромных количествах существуют нарушения структуры, которые называются дефектами.

Дефекты структуры оказывают влияние на многие свойства кристалла - прочность, электропроводность, гистерезисные потери в ферромагнитных материалах.

Дефекты подразделяются на две группы:

1. энергетические дефекты.

2. кристаллографические дефекты.

Кристаллографические можно разделить:

1. точечные дефекты

- вакансии

- примесные атомы (атомы замещения или внедрения)

2. линейные дефекты – дислокации

3. поверхностные дефекты (наружная поверхность твердого тела).

4. объемные дефекты: поры, трещины

К энергетическим дефектам относятся фононы - временные искажения регулярности решетки кристалла, вызванные тепловыми колебаниями атомов или ионов в узлах этой решетки, а также временные несовершенства решетки (возбужденные состояния), вызванные воздействием различных радиаций: рентгеновское или γ-излучения, α- излучение, потока нейтронов.

Вакансии - отсутствие атома или иона. Различают два вида вакансий:

1. По Френкелю. При этом оторвавшийся атом занимает положение в междоузлии. Этот вид вакансий наблюдают в рыхлых кристаллах.

2. Более вероятно образование вакансий по Шоттки при котором атомы, покидая свои места в решетке, уходят на какие-нибудь стоки. Стоками вакансий могут служить дислокации, трещины, поверхность кристалла.

Как всякий точечный дефект, вакансии приводят к нарушению внутреннего периодического поля в кристалле - при этом возникают локальные энергетические уровни в запрещенной зоне.

Примесные атомы. Чужеродные примесные атомы могут образовывать с основным материалом либо твердые растворы замещения, либо твердые растворы внедрения.

Атомы замещения находятся в узлах кристаллической решетки, атомы внедрения – в междоузлиях.

Кол-во источников рассеяния электронов в металлах - определяют их сопротивления.

Наличие примесных атомов вызывает появление локальных энергетических уровней в запрещенной зоне.

Дислокации (смещения) - нарушение правильной структуры вдоль некоторой линии в кристалле.

Наличие дислокаций приводит к появлению системы уровней внутри запрещенной зоны или даже к непрерывному энергетическому спектру.

Поверхностные дефекты. Существование самой поверхности является нарушением периодичности и как любое нарушение приводит к возникновению локальных уровней внутри запрещенной зоны – уровней Тамма.

Очень важное значение кристаллографические дефекты имеют для полупроводниковых материалов. Такой вид дефектов, как примесные атомы , используется для изменения свойств полупроводникового материала.

Тема 2. Тепловые свойства радиоматериалов.

Тепловые свойства радиоматериалов включают следующие понятия:

- нагревостойкость

- морозостойкость

- теплопроводность

- тепловое расширение

1. Нагревостойкость - способность материалов выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации изделия, без разрушений и недопустимого ухудшения основных параметров (т.е. без ухудшения эксплуатационной надежности).

Для органических диэлектриков нагревостойкость определяют по изменению механических параметров (механической прочности, эластичности и т.д.), - для неорганических диэлектриков, полупроводников и проводников - по изменению электрических параметров.

Количественно величину нагревостойкости оценивают значением температуры.

Тепловое старение - изменение свойств материалов при длительном воздействии температуры за счет медленно протекающих химических процессов. Выражается в увеличении хрупкости органических пленок, в увеличении удельного сопротивления тонкопленочных резисторов, в усилении процесса электромиграции в тонкопленочных проводниках, в полупроводниковых схемах.

Стойкость к тепловым импульсам (термоударам) – важная тепловая характеристика для хрупких материалов (стекла, керамика).

По ГОСТу для изоляционных материалов установлены классы нагревостойкости при длительном воздействии температур.

2. Морозостойкость - способность материала работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах (-60/-70 С).

Оценка морозостойкости по изменению механических параметров часто определяется при одновременном воздействии низких температур и вибрации.

Теплопроводность – способность материалов проводить тепло.

Процесс передачи тепла в газах и жидкостях обусловлен конвекцией - направленным перемещением холодных и теплых слоев. В чистых металлах движением свободных электронов. В диэлектриках и полупроводниках обычно - фононами (колебаниями узлов кристаллической решетки). В сплавах и металлах с большим содержанием примесей кроме электро-. и теплопроводности существует и фононная.

Параметр- коэффициент теплопроводности

λ=(Q*∆l) /(t* ∆Т *S) [Вт/м*К], [Вт/м*рад], [ккал/м*ч*К]

где: Q – величина тепловой энергии,

∆T /∆l – градиент температуры,

S – площадь поперечного сечения,

t – время.

Значения теплопроводности для разных групп материалов:

диэлектрики	полупроводники	проводники
воздух-0,05 стекло-0,59-0,75 ситалл-0,8-2,5 бериллиевая керамика-218	германий-50 кремний-80	серебро-419 алюминий-226 железо-74

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепловой энергии, переданной через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры, равном единице. ∆T/∆l

Тепловое расширение- характерно для всех материалов.

Параметр, с помощью которого оценивают это явление называется температурным коэффициентом линейного расширения

Коэффициентом линейного расширения называется величина, показывающая на какую долю от начальной длины удлиняется тело, взятое при температуре 0⁰ С при нагревании его на 1⁰ К.

ТКЛР = α_e=(l_t-l₀)/ l₀*t [1/град], где

l₀ -длина при 0⁰ К, l_t – длина при t ⁰ К, тогда l_t= l₀ *(1+ α_e*t)

Монокристаллы обладают анизотропией теплового расширения, следовательно по разным направлениям ТКЛР будет иметь разные значения.

Знание ТКЛР особенно важно при сопряжении деталей из разных материалов.

Примеры величин ТКЛР.

Орг. диэлектрики	полистирол	(60÷80)*10-6	[1/град]
	полиэтилен	200*10-6	[1/град]
			[1/град]
Неорг. диэлектрики	Стеатит	7*10-6	[1/град]
	SiO2	0.5*10-6	[1/град]
Полупроводники	Германий	6*10-6	[1/град]
	кремний	4,2*10-6	[1/град]
Проводники	Алюминий	24,5*10-6	[1/град]
	Медь	17,2*10-6	[1/град]
	нихром	14,5*10-6	[1/град]

Кроме вышесказанного, тепловые свойства материалов характеризуются температурными коэффициентами различных параметров. (ТКС, ТКЕ).

При определении ТКЛР в диапазоне температур (не от 0⁰ К).

l₁= l₀ *(1+ α_et₁ ), l₂= l₀ *(1+ α_et₂ ), исключая l₀ получим

l₂ = l₁ *(1+ α_e t₂ )/( 1+ α_e t₁)≈ l₁ (1+ α_e(t_2- t₁)),

тогда α_e≈( l_2- l₁)/ l₁ (t_2- t₁) , т.е. α_e=(1/l)*(dl/dT)

Коэффициентом объемного расширения называется величина, показывающая на какую долю начального объема увеличивается объем тела, взятого при Т=0⁰ К, при нагревании его на 1 градус.

α_v=(V_t- V₀)/ V₀*t; V_t= V₀(1+ α_v*t); α_v =(1/V)*dV/dt; α_v =( V₂- V₁)/ V₁ (t_2- t₁)

Коэффициент объемного расширения равен приблизительно утроенному коэффициенту линейного расширения: α_v≈3* α_e