Слайд 1

Физика твердого тела. Часть 2.

Реальные кристаллы-(так же, как и «реальные пацаны») - это идеальные кристаллы, которые растут не в нужных местах.

Слайд 2

Рост кристаллов Вы знаете, конечно, что вода (при нормальном давлении) замерзает при 0°. Если понижается температура, то точно при 0° вода начнет замерзать, превращаться в кристаллы льда. Пока вся вода не замерзнет, температура ее не будет понижаться дальше. Если, наоборот, нагревать кристалл льда до 0°, он останется неизменным. Как только температура достигнет 0°, кристалл сразу начнет таять. Сколько бы мы ни грели дальше, температура льда не будет повышаться, пока весь лед не растает. Лишь когда весь кристалл, растаяв, превратится в воду (иначе говоря, пока не распадется строй всех частиц), температура воды может начать повышаться. Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо - при 1530°, олово - при 232°, кварц - при 1713°, ртуть- при минус 38°. У некристаллических твердых тел нет постоянной температуры плавления (а значит, и температуры кристаллизации), при нагревании они постепенно размягчаются..

Слайд 3

Способы выращивания кристаллов Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы

Слайд 4

Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких. Этот способ можно осуществить только в специальных устройствах. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Один из наиболее широко используемых промышленных методов получения полупроводниковых и других монокристаллов это метод Чохральского. Разработан в 1918 году. Исходный материал (шихту) загружают в тугоплавкий тигель и нагревают до расплавленного состояния. Затем затравочный кристалл в виде тонкого стержня диаметром в несколько мм устанавливают в охлаждаемый кристаллодержатель и погружают в расплав

Слайд 5

Ян Чохра́льский (1885 - 1953) - польский химик, изобретатель широко известного в настоящее время метода выращивания монокристаллов из расплава путём вытягивания их вверх от свободной поверхности, названного впоследствии его именем. По некоторым сведениям, Чохральский открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. В экспериментах, проведённых Чохральским, были получены монокристаллы размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной

Слайд 6

Дефекты кристалла Описывая строение кристаллов, мы до сих пор пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных состоит в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой. В них всегда встречаются нарушения строгой периодичности в расположении атомов. Эти нарушения называют дефектами в кристаллах. Дефекты образуются в процессе роста кристаллов под влиянием теплового движения молекул, механических воздействий, облучения потоками частиц, из-за наличия примесей и пр. Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла - идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

Слайд 7

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение. Дефекты, называемые точечными, возникают при замещении одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси (а), внедрения атома между узлами решетки (б) или в результате образования вакансий - отсутствия атома в одном из узлов решетки (в).

Слайд 8

Примеси замещения, заменяя частицы основного вещества в узлах решетки, внедряются в решетку тем легче, чем ближе атомные (ионные) радиусы примесного и основного вещества. Примеси внедрения занимают междоузлия и притом тем легче, чем больше объем пространства между атомами. Внедренными могут быть как собственные, так и примесные атомы или ионы, отличающиеся от основных атомов по размеру или валентности. Если инородный атом оказывается в узле, то это дефект замещения, если в междоузлии, то это атом внедрения. Равновесные положения, которые занимают межузловые атомы, зависят от материала и типа решётки. Соседние атомы в узлах кристаллической решётки несколько смещаются, вызывая небольшую деформацию. Вакансии – являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузия, спекание порошков и т.д. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облучённых металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства.

Слайд 9

Как могут появляться точечные дефекты? Согласно основным принципам статистической физики, даже в том случае, когда средняя кинетическая энергия атомов очень мала, всегда найдется некоторое количество атомов с большей энергией, достаточной для выхода атома из узла кристаллической решетки. Перемещаясь по кристаллу и отдавая часть своей энергии другим атомам, такой атом может разместиться в междоузлиях. Совокупность атома в междоузлии и вакансии называется дефектом по Френкелю (или парой Френкеля) . Вакансия и междоузельный атом связаны значительными упругими силами.

Дефекты по Френкелю легко возникают в кристаллах, содержащих значительные межатомные пустоты. Примером таких кристаллов могут служить вещества со структурой алмаза или каменной соли.

Слайд 10

Точечные дефекты по Шоттки в основном встречаются в кристаллах с плотной упаковкой, где образование межузельных атомов затруднено или энергетически невыгодно. Некоторые атомы из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут выйти из кристалла на поверхность (рис.). Вакансия в освободившемся узле может затем мигрировать в объем кристалла. Образование дефектов по Шоттки уменьшает плотность кристалла, т. к. растет его объем при постоянной массе, тогда как при образовании дефектов Френкеля плотность остается неизменной, поскольку объем всего тела не меняется.

Вальтер Герман Шоттки (1886 - 1976) - знаменитый немецкий физик, в 1915 году изобрёл электронную лампу с экранирующей сеткой и в 1919 тетрод. В 1938 Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки, сейчас используемый в диодах Шоттки.

Слайд 11

Таким образом, представляя собой далеко не столь совершенную, упорядоченную и в некоторой степени монотонную последовательность чередующихся положительных и отрицательных ионов, реальные кристаллы содержат широкий набор интересных точечных дефектов, которые, как мы увидим, могут сильно влиять на многие их свойства. Это как мы уже говорили, собственные дефекты, концентрация которых зависит от температуры, а кроме того, и несобственные, примесные дефекты, которые либо присутствуют случайно, либо добавлены целенаправленно во время выращивания кристалла. Все эти дефекты можно считать квазичастицами. Подобно реальным частицам в ваккууме, они могут передвигаться и взаимодействуют между собой на дальних расстояниях с образованием более сложных структур.

Слайд 12

Процессы переноса в кристаллах Часто ошибочно полагают, что такие общеизвестные щелочно-галоидные соединения, как хлористый натрий и хлористый калий, являются изоляторами, в действительности же они сравнительно хорошие проводники, это особенно справедливо при повышенных температурах. Факт существования проводимости, а также то, что в ионных твердых телах довольно легко протекают как самодиффузия, так и диффузия примесных ионов, служат неопровержимыми доказательствами присутствия в них точечных дефектов. Многие из этих материалов не имеют электронной проводимости - измерения показывают, что проводимость обусловлена миграцией ионов. Однако без существования вакансий или внедренных атомов движение ионов в таком классическом ионном проводнике невозможно: для этого нужна была бы слишком большая энергия. Благодаря дефектам и их перемещениям (рис.) процесс движения иона превращается в обмен местами иона и дефекта; при этом величина необходимой энергии уменьшается.

Слайд 13

Диффу́зия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации). В кристаллах диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в веществе (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла - междоузельные атомы и вакансии.

Слайд 14

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). (Сейчас для разделения изотопов урана применяется метод центрифугирования, при котором газ, содержащи уран, приводится в очень быстрое вращение и из-за разницы в массе молекул происходит разделение изотопов, которые затем переводятся обратно в металл.)

Слайд 15

Диффузия феноменологически подчиняется законам Фика. 1-й закон Фика устанавливает пропорциональность диффузионного потока частиц градиенту их концентрации; 2-й закон Фика описывает изменение концентрации, обусловленное диффузией. Явление диффузии было впервые исследовано вюрцбургским ученым А.Фиком на примере соляных растворов. Фик путем тщательных исследований показал, что свободная диффузия соляных растворов происходит по законам, совершенно аналогичным законам распространения тепла в твердых телах

Слайд 16

Диффузия в кристаллах Некоторые общие кристаллографические особенности процесса диффузии вполне очевидны, если принять во внимание геометрию кристалла. Прежде всего, диффузия почти всегда осуществляется постепенно, причем длина элементарных «шагов» порядка одного атомного диаметра, т. е. несколько ангстрем. Атомы движутся прыжками из одного положения в решетке в другое. В сумме эти элементарные прыжки обеспечивают перемещение атомов на большие расстояния. Выясним, каков механизм отдельных атомных прыжков. Существует несколько возможных схем: движение вакансий, движение атомов внедрения или какой-либо способ взаимного обмена местами между атомами (рис).

Атомные перемещения, которые приводят к диффузии: а – движение вакансий; б – движение атомов внедрения; в – обмен местами двух атомов; г – кольцевой обмен местами четырех атомов

Слайд 17

Основываясь на представлении о точечных дефектах в кристаллах, Френкель предложил два основных механизма диффузии в твердых телах: вакансионный (рис, а: атом перемещается, обмениваясь местами с вакансией) и междоузельный (рис, б: атом перемещается по междоузлиям). Вторым способом перемещаются маленькие (по размеру) атомы примесей, а первым - все остальные: это самый распространенный механизм диффузии.

Я́ков Ильи́ч Фре́нкель (1894 - 1952) - советский учёный, физик-теоретик, один из основополжников физики твердого тела. С 1921 года и до конца своей жизни Френкель работал в Ленинградском физико-техническом институте. Начиная с 1922 года Френкель публиковал буквально каждый год новую книгу. Он стал автором первого курса теоретической физики в СССР.

Слайд 18

Дислокации Дислокация - линейный дефект кристаллической решётки твёрдого тела, представляющий собой наличие "лишней" атомной полуплоскости. Простейшая наглядная модель краевой дислокации - книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации. Различают дислокации винтовые и краевые.

Слайд 19

Чтобы в идеальном кристалле образовалась дислокация, необходимо произвести сдвиг в некоторой части плоскости скольжения

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций мала, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает весьма больших величин.

Слайд 20

Плотность дислокаций в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Если плотность меньше некоторого значения, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Таким образом, повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также, с другой стороны,повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение.

Слайд 21

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация. Приложение напряжения сдвига приводит к перемещению краевой дислокации, причем смещение ее оси на одну трансляцию означает смену полуплоскости, образующей в данный момент дислокацию. Перемещение краевой дислокации через весь кристалл приведет к сдвигу части кристалла на одно межатомное расстояние. Результатом этого является пластическая деформация кристалла (рис.), т. е. части кристалла оказываются смещены друг относительно друга на одну трансляцию.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные. Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Слайд 22

Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций изменяются их оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Слайд 23

Эпитаксия - это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом (от греч. επι - на и ταξισ - упорядоченность), т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Минимальная энергия расходуется, если рост кристалла происходит по винтовой дислокации.

Слайд 24

Спасибо за внимание!

Дефектами в кристаллах называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в замене атома данного вещества чужим атомом (атомом примеси) (рис. 1, а), во внедрении лишнего атома в междоузлие (рис. 1, б), в отсутствии атома в узле (рис. 1, в). Подобные дефекты называют точечными .

Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.

Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями . Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.

Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации.

Краевая дислокация обусловливается лишней кристаллической полуплоскостью, внедренной между двумя соседними слоями атомов (рис. 2). Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис. 3).

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность.

Первоначально имевшаяся дислокация под воздействием созданных в кристалле напряжений перемещается вдоль кристалла. Перемещению дислокаций препятствует наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов примеси. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом. Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. В результате прочность материала растет. Так, например, повышение прочности железа достигается растворением в нем атомов углерода (сталь).

Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решетки и образованием большого количества дефектов, препятствующих перемещению дислокаций. Этим объясняется упрочение материалов при их холодной обработке.

• Размер: 2.2 Mегабайта
• Количество слайдов: 37

Описание презентации Презентация Де-фекты в кристаллах по слайдам

Энергетические изменения, происходящие при образовании дефектов в совершенном кристалле. Выигрыш в энтропии, связанный с наличием выбора позиций, называется конфигурационной энтропией и определяется по формуле Больцмана S = k ln. W , где W - вероятность образования единичной вакансии, пропорциональная числу регулярных атомов, образующих решетку (10 23 на 1 моль вещества).

Различные типы дефектов в кристаллах: а) вакансия; б) междоузельный атом; в) небольшой дефект замещения; г) большой дефект замещения; д) дефект Френкеля; е) дефект Шоттки (пара вакансий в катионной и анионной подрешетках)

Энергия смещения атома из занимаемого им места в решетке. Энергетический барьер. Для перемещения атома из занимаемого им положения необходима энергия активации. ΔЕ – энергия образования дефекта; Е * — энергия активации. 1 / 1 1 E k. T sn C N e , 2/ 2 2 E k. T mn C N e Равновесие установится, если n 1 = n 2: при равновесных условиях в решетке металла присутствуют вакансии и междоузельные атомы! / / E k. T m s. N N Ce

Дислокации. Механические свойства и реакционная способность твердых тел. 1) — металлы оказываются обычно гораздо пластичнее, чем это можно ожидать на основе расчетов. Расчетная величина напряжений сдвига в металлах составляет 10 5 — 10 6 Н/см 2 , тогда как экспериментально найденные значения на многих металлах не превышают 10 — 100 Н/см 2. Это указывает на то, что в структуре металлов имеются некие «слабые звенья» , благодаря которым металлы деформируются столь легко; 2) — на поверхностях многих кристаллов с хорошей огранкой под микроскопом или даже невооруженным глазом заметны спирали, по которым проходил рост кристалла. Такие спирали не могут образовываться в совершенных кристаллах; 3) — без представлений о существовании дислокаций было бы трудно объяснить такие свойства металлов, как пластичность и текучесть. Пластинки металлического магния, например, могут быть, почти как резина, растянуты в несколько раз по сравнению с первоначальной длиной; 4) — наклеп в металлах не удавалось объяснить без привлечения представлений о дислокациях.

Расположение атомов вокруг краевой дислокации Краевая дислокация представляет собой «лишнюю» атомную полуплоскость, которая проходит не через весь кристалл, а только через его часть. Проекция краевой дислокации.

Перемещение краевой дислокации под действием сдвигового напряжения. Если соединить точки А и В, то это будет проекция плоскости скольжения, вдоль которой перемещаются дислокации. Дислокации характеризуются вектором Бюргерса b. Для нахождения величины и направления b надо описать вокруг дислокации контур, мысленно проводя его от атома к атому (рис. д). В бездефектной области кристалла такой контур ABCD , построенный из трансляций на одно межатомное расстояние в каждом направлении, замкнут: начало и конец его совпадают в точке А. Напротив, контур 12345, окружающий дислокацию, незамкнут, так как точки 1 и 5 не совпадают. Величина вектора Бюргерса равна расстоянию 1 — 5, а направление тождественно направлению 1 — 5 (или 5 — 1). Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации и параллелен направлению движения линии дислокации (или направлению сдвига) под действием приложенного напряжения.

Винтовая дислокация При продолжающемся воздействии сдвигового напряжения, показанного стрелками, линия SS ‘ и следы скольжения достигают задней грани кристалла. Для нахождения вектора Бюргерса винтовой дислокации снова представим себе контур 12345 (рис. а), «обходящий» вокруг нее. Вектор b определяется величиной и направлением отрезка 1 — 5. У винтовой дислокации он параллелен линии дислокации SS ‘ (в случае краевой перпендикулярен) и перпендикулярен направлению движения дислокации, совпадая при этом, как и в случае краевой дислокации, с направлением сдвига или скольжения.

Линия дислокации, изменяющая характер дислокации от винтовой к краевой. Зарождение и движение дислокационной петли Природа дислокаций такова, что они не могут заканчиваться внутри кристалла: если в каком-то месте поверхности кристалла дислокация входит в кристалл, то это означает, что где-то на другом участке поверхности она выходит из кристалла.

Схема возникновения дислокационной петли (кольца) Схемы возникновения вакансий (б) путем аннигиляции двух дислокаций противоположного знака (а). В действительности прямое приложение внешней деформирующей силы для образования дислокаций не обязательно. Такой силой могут быть термические напряжения, возникающие при кристаллизации, или, например, аналогичные напряжения в области посторонних включений в затвердевающем металлическом слитке при охлаждении расплава и др. В реальных кристаллах лишние экстраплоскости могут возникать одновременно в разных частях кристалла. Экстраплоскость, а значит и дислокации подвижны в кристалле. В этом состоит их первая важная особенность. Вторая особенность дислокаций состоит в их взаимодействии с образованием новых дислокаций, дислокационных петель, аналогичных тем, что показаны на рисунках, представленных ниже, и даже с образованием вакансий за счет аннигиляции двух дислокаций противоположного знака.

Механическая прочность металлов. Модель Френкеля. Разрушающую силу принято именовать напряжением и обозначать σ. По этой модели сопротивление σ сначала растет по мере увеличения сдвига вдоль оси х и потом падает до нуля, как только атомные плоскости сдвинутся на одно межатомное расстояние а. При х>а значение σ снова растет и опять падает до нуля при х=2а и т. д. , т. е. σ(х) - периодическая функция, которую можно представить в виде σ = A sin (2 π х/а) , для области малых х A = G /(2π), где G — модуль Юнга. Более строгая теория впоследствии дала уточненное выражение σ m ах = G /30. Схема сдвига атомных плоскостей (а) и зависимость напряжения от расстояния в кристалле (б).

Экспериментальные и теоретические значения предела сдвиговой прочности некоторых металлов. Роликовая модель сдвига атомных плоскостей кристалла | F 1 + F 2 |=| F 4 + F 5 | вся система роликов находится в равновесии. Стоит лишь слегка изменить равновесие сил слабым внешним воздействием, и верхний ряд роликов переместится. Поэтому движение дислокации, т. е. совокупности дефектных атомов, происходит при малых нагрузках. Теория дает σ m ах, сдвигающее дислокацию, в виде σ m ах = ехр { — 2 π a / [ d (1- ν) ]} , где ν — коэффициент Пуассона (поперечная упругость), d — расстояние между плоскостями скольжения, а — период кристаллической решетки. Полагая а = d , ν = 0, 3 , получаем значения σ m ах в последнем столбце таблицы, откуда видно, что они гораздо ближе к экспериментальным.

Схема перемещения гусеницы Схемы перемещения дислокационного типа: а — растягивающая дислокация, б — сжимающая дислокация, в — перемещение ковра. «Для начала попытаемся протащить гусеницу по земле. Сделать это, оказывается, не просто, для этого нужны значительные усилия. Они обусловлены тем, что мы пытаемся одновременно оторвать от земли все пары лапок гусеницы. Сама же гусеница перемещается в ином режиме: от поверхности она отрывает только одну пару лапок, переносит их по воздуху, опускает на землю, затем то же повторяет со следующей парой лапок и т. д. , и т. д. После того как таким образом будут перенесены по воздуху все пары лапок, вся гусеница в целом переместится на расстояние, на которое поочередно смещалась каждая из пар лапок. Ни одну из пар лапок гусеница не волочит по земле. Именно поэтому и ползет легко» .

Пути управления дислокационными дефектами. Закрепление примесями. П римесный атом взаимодействует с дислокацией и перемещение такой дислокации, отягощенной примесными атомами, оказывается затрудненным. Поэтому эффективность закрепления дислокаций примесными атомами будет определяться энергией взаимодействия Е, которая в свою очередь складывается из двух составляющих: Е 1 и Е 2. Первая составляющая (Е 1) представляет собой энергию упругого взаимодействия, а вторая (Е 2) - энергию электрического взаимодействия. Закрепление посторонними частицами. Посторонние частицы — микроскопические включения вещества, отличающегося от основного металла. Эти частицы вводятся в металлический расплав и остаются в металле после его затвердевания при охлаждении расплава. В ряде случаев эти частицы вступают в химическое взаимодействие с основным металлом, и тогда эти частицы представляют уже сплав. Механизм закрепления дислокаций такими частицами основан на различной скорости перемещения дислокаций в металлической матрице и в материале посторонних частиц. Закрепление включениями второй фазы. Под второй фазой понимают выделение (преципитаты) избыточной по сравнению с равновесной, концентрации примеси из раствора металл — примесь. Процесс выделения называют распадом твердого раствора. Переплетение дислокаций. При высокой плотности дислокаций в металле происходит их переплетение. Это связано с тем, что одни дислокации начинают двигаться вдоль пересекающихся плоскостей скольжения, препятствуя продвижению других.

Качественный вид кривой растворимости. Если кристалл содержал при температуре Т m концентрацию С m и был быстро охлажден, то он будет иметь концентрацию С m и при низких температурах, например при Т 1 хотя равновесная концентрация должна быть С 1. Избыточная концентрация ΔС = C m – C 1 должна при достаточно длительном нагреве выпасть из раствора, ибо только при этом раствор примет стабильное равновесное состояние, соответствующее минимуму энергии системы А 1- x В x.

Методы обнаружения дислокаций а) Микрофотография (получена в просвечивающем электронном микроскопе, TEM) кристалла Sr. Ti. O 3 , содержащего две краевые дислокации (100) (отмечены на рисунке). б) Схематическое представление краевой дислокации. в) Микрофотография поверхности кристалла Ga. As (полученная в сканирующем туннельном микроскопе). В точке С винтовая дислокация. г) Схема винтовой дислокации.

Визуализация дислокаций с помощью просвечивающего электронного микроскопа. а) Темные линии на ярком фоне – линии дислокации в алюминии после 1% растяжения. б) Причина контраста области дислокации — и скривление кристаллографических плоскостей приводит к дифракции электронов, что ослабляет прошедший электронный луч

а) Ямки травления на поверхности {111} изогнутой меди; б) на поверхности {100} в) {110} рекристаллизованного Al -0, 5 % Mn. Дислокации можно сделать видимыми и в обычном оптическом микроскопе. Поскольку области вокруг точки выхода дислокаций на поверхность больше подвержены химическому травлению, на поверхности образуются так называемые ямки травления, которые хорошо видны в оптическом микроскопе. Их форма зависит от индексов Миллера поверхности.

Д ля получения металлического материала с повышенной прочностью необходимо создать большое количество центров закрепления дислокаций, причем такие центры должны быть распределены равномерно. Эти требования привели к созданию суперсплавов. Новые металлические функциональные материалы. «Конструирование» структуры сплавов Суперсплав представляет собой по крайней мере двухфазную систему, в которой обе фазы отличаются в первую очередь степенью порядка в атомной структуре. Суперсплав существует в системе Ni - Al. В этой системе может образовываться обычная смесь, т. е. сплав с хаотическим распределением атомов Ni и А l . Этот сплав имеет кубическую структуру, но узлы куба замещаются атомами Ni или А l , беспорядочно. Этот неупорядоченный сплав называют γ — фазой.

Наряду с γ — фазой в системе Ni - А l может образовываться интерметаллическое соединение Ni 3 А l тоже с кубической структурой, но упорядоченной. Кубоиды Ni 3 А l называют γ ‘ -фазой. В γ ‘-фазе атомы Ni и А l занимают узлы кубической решетки уже по строгому закону: на один атом алюминия приходятся три атома никеля. Схема перемещения дислокаций в упорядоченном кристалле

C хема закрепления дислокации включениями другой фазы. ДД – движущаяся дислокация. Чтобы получить суперсплав, расплавляют никель и смешивают с алюминием. При охлаждении расплавленной смеси сначала затвердевает неупорядоченная γ -фаза (ее температура кристаллизации высока), а затем внутри нее при понижении температуры формируются небольшие по размерам кубоиды γ ‘-фазы. Варьируя скорость охлаждения, можно регулировать кинетику образования, а значит и размеры включений γ ‘-фазы Ni 3 А l.

Следующим шагом в разработке высокопрочных металлических материалов явилось получение чистого Ni 3 Al без γ -фазы. Вид мелкозернистой мозаичной структуры металла. Этот материал очень хрупок: скалывание происходит по границам зерен мозаичной структуры. Здесь выявляются другие виды дефектов, в частности поверхность. Действительно, на поверхности кристалла - обрыв химических связей, т. е. нарушение - обрыв кристаллического поля, а это - главная причина образования дефекта. Оборванные химические связи ненасыщены, а в контакте они уже деформированы и поэтому ослаблены. Схема обрыва химических связей на поверхности кристалла.

Для устранения этих дефектов надо: — либо изготавливать монокристаллический материал, не содержащий отдельных зерен-кристаллитов; — либо найти «буфер» в виде примесей, которые не проникали бы в заметных количествах в объем Ni 3 Al , но хорошо адсорбировались бы на поверхности и заполняли вакансии. Наибольшим сродством к вакансиям обладают изовалентные примеси, т. е. примеси, атомы которых находятся в той же группе Периодической системы, что и атом, удаленный из кристаллической решетки и образовавший вакансию. Суперсплавы Ni 3 Al и Ni 3 Al сегодня широко применяются как жаропрочные материалы при температурах до 1000°С. Аналогичные суперсплавы на основе кобальта имеют несколько меньшую прочность, но сохраняют ее вплоть до температуры 1100°С. Дальнейшие перспективы связаны с получением интерметаллических соединений Ti. Al и Т i 3 А l в чистом виде. Детали, изготовленные из них, оказываются на 40 % легче, чем те же детали из никелевого суперсплава.

Сплавы с легкой деформируемостью под нагрузкой. Методом создания таких металлических материалов является изготовление структуры с зернами-кристаллитами очень малых размеров. Зерна, имеющие размеры менее 5 мкм, под нагрузкой скользят друг по другу без разрушения. Образец, состоящий из таких зерен, выдерживает без разрушения относительное растяжение Δ l / l 0 = 10 , т. е. длина образца увеличивается на 1000 % от первоначальной длины. Это - эффект сверхпластичности. Он объясняется деформацией связей в контактах зерен, т. е. большим количеством поверхностных дефектов. Сверхпластичный металл можно обрабатывать почти как пластилин, придавая ему желаемую форму, а затем деталь из такого материала термообрабатывают для укрупнения зерен и быстро охлаждают, после чего эффект сверхпластичности исчезает, и деталь используют по назначению. Главная трудность при получении сверхпластичных металлов состоит в достижении мелкодисперсной зернистой структуры.

Никелевый порошок удобно получать методом выщелачивания, при котором сплав Al - Ni измельчают, с помощью щелочи Na. OH выщелачивают алюминий и получают порошок с диаметром частиц около 50 нм, но эти частицы настолько активны химически, что используются в качестве катализатора. Активность порошка объясняется большим числом поверхностных дефектов - оборванных химических связей, способных присоединять электроны от адсорбируемых атомов и молекул. Схема быстрой кристаллизации распыляемого на центрифуге расплава металла: 1 - охлаждающий газ; 2 - расплав; 3 - струя расплава; 4 - мелкие частицы; 5 - вращающийся диск Схема динамического прессования металлических порошков: 1-снаряд, 2 - порошок, 3 - пресс-форма, 4 - ствол пушки

Метод лазерного глазурирования. Термин заимствован из фарфорового (керамического) производства. С помощью лазерного излучения расплавляется тонкий слой на поверхности металла и применяется быстрое охлаждение со скоростями порядка 10 7 К/с. Предельным случаем сверхбыстрого твердения является получение аморфных металлов и сплавов - металлических стекол.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Материал Al V In Nb Sn Pb Nb 3 Sn Nb 3 Ge Т с, К 1, 19 5, 4 3, 4 9, 46 3, 72 7, 18 18 21. . . 23В 1911 г. в Голландии Камерлинг-Оннес открыл уменьшение удельного сопротивления ртути при температуре кипения жидкого гелия (4, 2 К) до нуля! Переход в сверхпроводящее состояние (ρ = 0) происходил скачком при некоторой критической температуре Т с. До 1957 г. явление сверхпроводимости не имело физического объяснения, хотя мир был занят поиском все новых и новых сверхпроводников. Так, к 1987 г. было известно около 500 металлов и сплавов с разными значениями Т с. Максимальной Т с обладали соединения ниобия.

Незатухающий ток. Если в металлическом кольце возбудить электрический ток, то при обычной, например, комнатной температуре он быстро затухает, поскольку протекание тока сопровождается тепловыми потерями. При Т ≈ 0 в сверхпроводнике ток становится незатухающим. В одном из опытов ток циркулировал в течение 2, 5 лет, пока не прекратили. Поскольку ток течет без сопротивления, а количество выделяемого током тепла Q =0, 24 I 2 Rt , то в случает R = 0 тепловые потери просто отсутствуют. Излучение в сверхпроводящем кольце отсутствует по причине квантования. Но в атоме квантуются (принимают дискретные значения) импульс и энергия одного электрона, а в кольце - ток, т. е. вся совокупность электронов. Таким образом, мы имеем пример кооперативного явления - движение всех электронов в твердом теле строго согласовано!

Эффект Мейснера Открыт в 1933 г. Его сущность состоит в том, что внешнее магнитное поле при Т < Т с не проникает в толщу сверхпроводника. Экспериментально это наблюдается при Т=Т с в виде выталкивания сверхпроводника из магнитного поля, как и полагается диамагнетику. Этот эффект объясняется тем, что в поверхностном слое толщиной 0, 1 мкм внешнее магнитное поле индуцирует постоянный ток, но тепловых и излучательных потерь нет и в результате вокруг этого тока возникает постоянное незатухающее магнитное поле. Оно противоположно по направлению внешнему полю (принцип Ле-Шателье) и экранирует толщу сверхпроводника от внешнего магнитного поля. При увеличении Н до некоторого значения Н с сверхпроводимость разрушается. Значения Н с лежат в интервале 10 -2 . . . 10 -1 Т для различных сверхпроводников. http: //www. youtube. com/watch? v=bo 5XTURGMTM

Если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается

Помимо рассмотренных сверхпроводников, которые получили название сверхпроводников первого рода, были открыты (А, В. Шубников, 1937. ; А. Абрикосов, 1957 г.) сверхпроводники второго рода. В них внешнее магнитное поле при достижении некоторого Н с1 проникает в образец, и электроны, скорости которых направлены перпендикулярно Н, под влиянием силы Лоренца начинают двигаться по окружности. Возникают вихревые нити. «Ствол» нити получается несверхпроводящим металлом, а вокруг него движутся электроны сверхпроводимости. В результате образуются смешанный сверхпроводник, состоящий из двух фаз - сверхпроводящей и нормальной. Только при достижении другого, более высокого значения Н c 2 нити, расширяясь, сближаются, и сверхпроводящее состояние разрушается полностью. Значения Н с2 достигают 20. . . 50 Т у таких сверхпроводников, как Nb 3 Sn и Pb. Mo 6 O 8 соответственно.

Схема джозефсоновской структуры: 1-диэлектрическая прослойка; 2-сверхпроводники Структура состоит из двух сверхпроводников, разделенных диэлектрической тонкой прослойкой. Эта структура находится при некоторой разности потенциалов, задаваемой внешним напряжением V. Из теории, развитой Фейнманом, следует выражение для тока I , протекающего через структуру: I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ], где I 0 = 2Кρ/ h (К — константа взаимодействия обоих сверхпроводников в джозефсонской структуре; ρ - плотность частиц, переносящих сверхпроводящий ток). Величина φ 0 = φ 2 — φ 1 рассматривается как разность фаз волновых функций электронов в контактирующих сверхпроводниках. Видно, что даже в отсутствие внешнего напряжения (V = 0) через контакт течет постоянный ток. Это и есть стационарный эффект Джозефсона. Если поместить джозефсоновскую структуру в магнитное поле, то магнитный поток Ф вызывает изменение Δ φ , и в результате получаем: I= I 0 sinφ 0 cos (Ф / Ф 0) , где Ф 0 - квант магнитного потока. Величина Ф 0 = h с/е равна 2, 07· 10 -11 Т·см 2. Столь малое значение Ф 0 позволяет изготавливать сверхчувствительные измерители магнитного поля (магнитомеры), фиксирующие слабые магнитные поля от биотоков мозга и сердца.

Уравнение I= I 0 sin [(2e. V/h)t+ φ 0 ] показывает, что в случае V ≠ 0 ток будет осциллировать с частотой f =2 e. V / h. Численно f попадает в микроволновый диапазон. Таким образом, джозефсоновский контакт позволяет создавать переменный ток с помощью постоянной разности потенциалов. Это - нестационарный эффект Джозефсона. Переменный джозефсоновский ток так же, как и обычный ток в колебательном контуре, будет излучать электромагнитные волны, и это излучение действительно наблюдается на опыте. Для высококачественных джозефсоновских S - I - S контактов толщина диэлектрической прослойки I должна быть чрезвычайно малой - не более нескольких нанометров. В противном случае сильно снижается константа связи К, определяющая ток I 0 . Но тонкая изолирующая прослойка деградирует с течением времени из-за диффузии атомов из сверхпроводящих материалов. Кроме того, тонкая прослойка и значительная диэлектрическая постоянная ее материала приводит к большой электрической емкости структуры, что ограничивает ее практическое использование.

Основные качественные представления о физике явления сверхпроводимости. Механизм образования куперовских пар Рассмотрим пару электронов е 1 и e 2 , которые отталкиваются кулоновским взаимодействием. Но существует и другое взаимодействие: например, электрон е 1 притягивает один из ионов I и смещает его из положения равновесия. Ион I создает электрическое поле, действующее на электроны. Поэтому его смещение повлияет и на другие электроны, например, на e 2. Таким образом, возникает взаимодействие электронов е 1 и e 2 через кристаллическую решетку. Электрон притягивает ион, но так как Z 1 > Z 2 , то электрон вместе с ионной «шубой» имеет положительный заряд и притягивает второй электрон. При Т > Т с тепловое движение размывает ионную «шубу» . Смещение иона - это возбуждение атомов решетки, т. е. не что иное, как рождение фонона. При обратном переходе излучается фонон, и он поглощается другим электроном. Значит взаимодействие электронов - это обмен фононами. В результате весь коллектив электронов твердого тела оказывается связанным. В каждый данный момент электрон сильнее связан с одним из электронов в этом коллективе, т. е. весь электронный коллектив как бы состоит из электронных пар. Внутри пары электроны связаны определенной энергией. Поэтому повлиять на эту пару могут лишь те воздействия, которые преодолеют энергию связи. Оказывается, что обычные столкновения изменяют энергию на очень малую величину, и она не оказывает влияния на электронную пару. Поэтому электронные пары движутся в кристалле без столкновений, без рассеяния, т. е. сопротивление току равно нулю.

Практическое применение низкотемпературных сверхпроводников. Сверхпроводящие магниты, из проволоки сверхпроводящего сплава Nb 3 Sn. В настоящее время уже построены сверхпроводящие соленоиды с полем 20 Т. Перспективными считаются материалы, отвечающие формуле М х Мо 6 O 8 , где атомы металла М - это Pb , Sn , Cu , Ag и др. Наибольшее магнитное поле (приблизительно 4 0 T) получено в соленоиде из Pb. Mo 6 O 8. Колоссальная чувствительность джозефсоновских переходов к магнитному полю послужила основой их применения в приборостроении, медицинской аппаратуре и электронике. СКВИД - сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик, используемый для магнитоэнцефалографии. На эффекте Мейснера в ряде исследовательских центров разных стран проводятся работы по магнитной левитации - «парению» над поверхностью для создания высокоскоростных поездов на магнитной подвеске. Индукционные накопители энергии в виде контура с незатухающим током и линии передач электроэнергии (ЛЭП) без потерь по сверхпроводящим проводам. Магнитогидродинамические (МГД) генераторы со сверхпроводящими обмотками. Они имеют КПД преобразования тепловой энергии в электрическую 50 %, в то время как у всех других электростанций он не превышает 35 %.

«Тепловое излучение» - Приводит к выравниванию температуры тела. Примеры теплопроводности: Примеры конвекции. Примеры излучения. Конвекция. Теплопроводность в природе и технике. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплопроводности. Тепловое излучение.

«Физика твёрдого тела» - Положительно заряженные ионы (остов). Энергия ЕF называется энергией Ферми. Уровни изолированного атома. Расстояние между атомами. Схема зонной структуры полупроводника. Расщепление уровней при сближении атомов (принцип Паули). Плотность заряда в произ-вольной точке поверхности: Т.5, М: Мир, 1977, С. 123.

«Вода как растворитель» - Роль воды в промышленности, сельском хозяйстве и быту очень велика и многообразна. Вода – самое распространенное вещество на нашей планете. Применение воды и растворов. Вода играет главную роль в жизни растений и животных. Вода является универсальным растворителем. Учитель физики Коришонкова Н.А. Вода-растворитель.

«Свойства твёрдых тел» - Жидкие кристаллы. Расположение атомов в кристаллических решетках не всегда правильное. Алмаз. Свойства кристаллических веществ определяются структурой кристаллической решетки. Кристалл турмалина. Механическая прочность Теплопроводность Электропроводность Оптические свойства. Аморфные. Дефекты в кристаллических решетках.

«Температура и тепловое равновесие» - Цель урока: Свойства температуры: Шкала Цельсия. Фрагмент урока физики в 10 классе. Мера средней кинетической энергии молекул. Температура. Тема: «Температура». Шкала Кельвина.

«Молекулярно-кинетическая теория» - Броуновское движение – беспорядочное движение частиц. Доказательства первого положения МКТ. Химический элемент- совокупность атомов одного вида. Молекула- система из небольшого числа связанных друг с другом атомов. Основные понятия МКТ. Частицы вещества взаимодействуют друг с другом. Доказательства второго положения МКТ.

Диффузия процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Диффузия в кристаллах - это процесс, при котором атомы могут переходить из одного узла в другой. Автоионная микроскопия – это метод прямого наблюдения кристаллической решетки металлов и сплавов с атомарным разрешением.

Диффузионные процессы в твердых телах заметно зависят от структуры данного кристалла и от дефектов кристаллического строения. Дефекты, появляясь в веществе, или облегчают атомные перемещения, или затрудняют их, работая как ловушки для мигрирующих атомов.

ДИФФУЗИЯ – ПРОЦЕСС СЛУЧАЙНЫХ БЛУЖДАНИЙ Первый закон Фика: Частота скачков атомов: n = n 0 e - Q / kT, где Q - энергия активации диффузии, k – постоянная Больцмана, n 0 – константа. Коэффициент диффузии D зависит от температуры кристалла по закону Аррениуса: D = D 0 e - Q / kT Энергия активации диффузии зависит как от энергии образования конкретного дефекта E f, так и от энергии активации его миграции E m: Q = E f + E m.

АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ Механизм обмена атомов местами; кольцевой механизм; механизм прямого перемещения атомов по междоузлиям; механизм непрямого перемещения межузельной конфигурации; краудионный механизм; вакансионный механизм; дивакансионный механизм; механизмы диффузии по дислокациям; механизмы диффузии по границам зерен в поликристаллах.

ВАКАНСИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ Энергия активации миграции по вакансионному механизму для таких металлов, как медь, серебро, железо и т.п., равна приблизительно эВ (тот же порядок величины имеет и энергия образования вакансии). Простейшим вакансионным кластером является объединение двух вакансий – бивакансия (2V). Энергия, необходимая для такого перемещения, часто оказывается меньшей, чем одной вакансии.

МЕЖУЗЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Появление межузельных атомов в кристаллах может быть обусловлено способом приготовления или эксплуатации материала. Межузельные атомы можно разделить в кристаллах на собственные и примесные (инородные) межузельные атомы. Инородные (примесные) атомы также в большинстве случаев образуют с собственными атомами гантели, но их называют смешанными. Изобилие межузельных конфигураций порождает изобилие механизмов миграции с помощью межузельных атомов.

Вакансия должна притягиваться в область сжатия над крайним атомным рядом лишней полуплоскости, а межузельный атом – в область расширения, расположенную снизу полуплоскости. Простейшие дислокации представляют собой дефект в виде незавершенной внутри кристалла атомной полуплоскости.

Диффузия по дефектным местам в кристаллах имеет специфические особенности. Прежде всего она идет более легко, чем диффузия по бездефектным механизмам. Но ее источники небезграничны: концентрации дефектов в процессе диффузии практически всегда убывают за счет аннигиляции разноименных дефектов, ухода дефектов на так называемые стоки. Но если концентрация дефектов велика, их роль в диффузии настолько возрастает, что приводит к так называемой ускоренной диффузии, ускоренным фазово-структурным превращениям в материалах, ускоренной ползучести материалов под нагрузкой и т.п. эффектам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перечень механизмов миграции по дефектным местам в кристаллах постоянно пополняется по мере все более углубленного изучения дефектов кристаллического строения вещества. Включение того или иного механизма в процесс диффузии зависит от многих условий: от подвижности данного дефекта, его концентрации, температуры кристалла и других факторов.