Лекция № 1. Определение курса «Материаловедение». Теоретические основы курса. Основные этапы развития

Модуль 1. Основные направления и этапы развития материаловедения - часов

Физическое материаловедение

Литература

1. Глазов В.М., Павлова Л.М. Химическая термодинамика и фазовые превращения. М.: Металлургия, 1981, - 336 с.

2. Товстюк К.Д. Полупроводниковое материаловедение. – Киев, Наукова думка. 1984 – 264 с.

3. Физическое материаловедение под ред. Кана Р. Т 1-3. М. Мир 1967-1968 г

4. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. М., МИСС, 1973.

5. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела. Изд-во Московского университета. 1988. – 231 с.

6. Лившиц Б.Г., Краношин В.С., Лиснецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.Металлургия, 1980, -320 с.

7. Харрисон У. Электронная структура и свойства твердых тел. Т. 1,2 М. Мир, 1983 т.1. – 379, т.2. – 332 с.

8. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. М.: Металлургиздат, 1963, - 676 с.

Дополнительная литература

1. Горбачев В.В., Синицина Л.С., Физика полупроводников и металлов. М.: Металлургия, 1982, - 434 с.

2. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.Наука, 1978, - 791 с.

3. Левин А.А. Введение в квантовую химию твердого тела. М., Химия, 1974, - 237 с.

4. Захаров А.М. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. М. металлургия. 1978, - 292 с.

5. Петров Д.А. Двойные и тройные системы. М. Металлургия, 1982, - 168 с.

6. Уманский Я.С., Скаков Ю.А. Физика металлов. М. Атомиздат. 1978, - 352 с.

7. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. М.ВШ, 1983. – 271 с.

Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых видов материалов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические. Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы имеют высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.

В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего – стали.

Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес обработки поверхности стали, использования в качестве теплового источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.

В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая обработка.

В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом химического и физического осаждения и паровой фазы.

Определение курса:

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 спецкурса является 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.

Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук

Разработка материалов с заданными свойствами требует ясного понимания того, от каких факторов зависят эти свойства и, как и в какой мере ими можно управлять.

Свойства материалов зависят от очень многих факторов и определяются, прежде всего, характером химической связи; фазовым состоянием материалов; типом, концентрацией и характером примесей. Очень сильное влияние на свойства материалов оказывают дефекты атомной структуры, их взаимодействие между собой и примесями.

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

- макроскопический или феноменологический;

- микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

В общем случае, для получения материалов с заданными свойствами необходимо обеспечить выполнение следующей логической последовательности:

Технология → атомная структура → (энергетический спектр) →

физико-химические свойства →технология

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 передачи информации, автоматизации производства, эффективном преобразовании различных видов энергии с высоким КПД.

Развитие техники стимулировало поиск новых путей управления движением электронов. Этот поиск завершился открытием нового класса материалов-полупроводников и диэлектриков, а в конце 40-х – в начале 50-х годов – устройств на их основе, в которых процессы управляемого переноса носителей заряда осуществляются не в вакуумных приборах, а в твердом теле. В результате был осуществлен переход от вакуумной к твердотельной полупроводниковой электронике.

Это стало возможным благодаря достижениям в квантовой физике, физике и материаловедении полупроводников и твердых тел, физической химии и технологии получения высокочистых и структурно совершенных кристаллов.

Основное отличие полупроводников и диэлектриков от металлов связано с различием в их электронной структуре, с характером заполнения валентными электронами зон разрешенных энергий.

В металлах валентная зона при температуре 0 К заполнена электронами частично. Поэтому электропроводность в металлах легко регулируется за счет перехода электронов под влиянием приложенного извне напряжения на свободные энергетические уровни валентной зоны.

В полупроводниках и диэлектриках валентная зона заполнена при 0 К полностью и отделена от следующей зоны разрешенных энергий (зоны проводимости) зоной запрещенных значений энергий (запрещенная зона), ширина которой различна у различных полупроводников. Поэтому, для возникновения электропроводности в полупроводнике, электроны из валентной зоны или с примесных донорных уровней в запрещенной зоне должны быть «заброшены» в зону проводимости, а также на созданные легированием акцепторные уровни в запрещенной зоне. В этом случае носителями заряда становятся положительно заряженные «дырки» в валентной зоне.

Эти особенности полупроводников позволяют изменять электропроводность за счет изменения концентрации носителей заряда на несколько порядков по величине, позволяют создавать устройства, в которых непосредственно в твердом теле соседствуют области с проводимостью разного типа, граница между которыми (так называемый р-п переход) может служить для выпрямления и усиления тока (сигналов). Возбуждение атомов создает условия для детектирования разных излучений и внешних воздействий, а переход возбужденного атома в стабильное состояние позволяет генерировать различного рода излучения. Создаются возможности для преобразования одних видов энергий (электрическая, тепловая, механическая, энергия частиц и излучений) в другую.

Преимущества твердотельной электроники: огромные по сравнению с вакуумными электронными устройствами быстродействие, исчисляемое нано (10^-9) и пикосекундами (10^-12), практически неограниченный срок службы, высокий КПД и возможность миниатюризации устройств.

Но замечательные свойства большинства полупроводников могут проявляться только, если содержание случайных примесей в них очень мало (не превышает 10¹⁰ -10¹⁸ атом/см^-3, т.е. 10^-8 -10^-2 % (атомов) и структурное совершенство кристаллов высоко.

В 5о-е годы был разработан способ очистки и выращивания кристаллов германия методом горизонтальной зонной плавки. Это послужило основой для промышленного налаживания производства первых транзисторов.

Первые упоминания о полупроводниках относятся к 1833 г, когда Фарадей, исследуя сернистое серебро (Аg₂S), впервые обнаружил уменьшение электросопротивления с повышением температуры, тогда как во всех металлах электросопротивление при этом увеличивается.

Таким образом, потребовалось почти 100 лет со времени опыта Фарадея, чтобы развитие науки позволило получить полупроводники такой чистоты, при которых их свойства повторяются. Наиболее широко используемым полупроводником является кремний. При этом важны германий и другие соединения. Кроме германия и кремния используются селен (фотосопротивление, выпрямители). Но сегодня он самостоятельно не применяется.

Перенос носителей заряда в полупроводниках осуществляется в очень тонких слоях материала. Это обстоятельство, а также разработка методов, позволяющих вводить легирующие примеси в локальные объемы размером в несколько микрометров и даже меньше, создали возможность размещения на отдельном кристаллике полупроводника не одного прибора, а целой микросхемы, называемой интегральной. Технология получения таких схем основана на нанесении чередующихся полупроводниковых, диэлектрических (изоляционных) и металлических (токоведущих и контактных) слоев (пленок). Так совершился переход от твердотельной дискретной электроники к пленочной полупроводниковой микроэлектронике.

По мере усовершенствования технологии повышается степень интеграции (число приборов на одном кристалле) и плотность упаковки интегральных систем (число приборов на 1 см²).

ИС-------БИС----СБИС

Линейные размеры одного элемента (прибора) в таких схемах составляют несколько микрометром, а степень интеграции 10⁴-10⁵.

Объектом изучения в материаловедении являются очищенные до высокой степени монокристаллы полупроводников, не встречающиеся в природе, то есть обработанные материалы.

К теоретическим основам физического материаловедения относятся:

-периодический закон Менделеева,

-законы термодинамики,

-теория химической связи,

-зонная теория твердых тел,

-положение о роли ближнего порядка в формировании свойств полупроводников и диэлектриков (сформулировано впервые А.Ф, Иоффе)

Дата добавления: 2014-01-11