Способы описания структуры материала
Название работы: Способы представления сложных структур. Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике
Предметная область: Химия и фармакология
Описание: Структура типа алмаз. Элементарные полупроводники кремний и германий кристаллизуются в структуру типа алмаз. В структуре типа алмаз атомы образуют плотнейшую ГЦК решётку в которой половина 4 из 8ми тетраэдрических пустот заняты атомами того же сорта. Структура типа алмаз может быть представлена как две взаимно проникающие подрешётки типа ГЦК которые смещены относительно друг друга по пространственным диагоналям на её длины.
Дата добавления: 2013-08-21
Размер файла: 87.11 KB
Работу скачали: 6 чел.
Способы представления сложных структур. Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике.
Способы представления сложных структур
Для описания сложных кристаллических структур применяют 4 наиболее наглядных способа: 1 элементарной ячейкой или графически; 2 решёткой Бравэ и базисом; 3 взаимно проникающими подрешётками; 4 в терминах плотнейших упаковок.
- Описание элементарной ячейки или графически
Изображение элементарной ячейки делают в той системе координат, которая соответствует её симметрии. Начало координат помещают в один из узлов ячейки, а оси направляют по рёбрам. Элементарную ячейку характеризуют числом атомов, принадлежащих ячейки, координационным числом, т.е. числом атомов одного сорта, находящихся на одинаковом расстоянии от атома, принятого за центральный, коэффициентом заполнения пространства и указанием наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений. Простейшим примером сложной структуры является структура ионного кристалла хлористого цезия .
Описание решёткой Бравэ и базисом.
Под базисом понимают минимальное число атомов или ионов, связанных с каждым узлом решётки Бравэ, транслируя которую, можно воспроизвести всю кристаллическую структуру. Базис задаёт координатами входящих в него атомов при условии, что начало координат совпадает с узлом решётки. Указывается тип решётки Бравэ, тип атомов, входящих в базис, с указанием координат.
- С помощью взаимопроникающих решёток
Кристаллические структуры можно представить как взаимно проникающие подрешётки, которые как бы вставлены друг в друга и смещены в некотором направлении на определённое расстояние.
- Описание с помощью терминов плотнейших упаковок
Кристаллическим структурам свойственна тенденция к образованию плотнейших упаковок. Поскольку такие структуры обладают минимальной свободной энергией. В кристаллографии очень часто используют плотнейшие упаковки и имеющиеся в них пустоты для описания сложных кристаллических структур. При рассмотрении простейших упаковок принимают, что частицы представляют собой жёсткие шары. Касаясь, шары заполняют большую часть объёма, однако между ними образуются незаполненные пространства, которые и называются пустотами. В плоскости самым простым способом упаковки атомов является упаковка, в которой каждый атом окружён 6-ю такими же по размеру атомов. Вид сверху:
Второй такой же точно атомный слой плотно ляжет на первый, если его атомы попадут в лунки между атомами первого слоя. Третий слой атомов может быть уложен на второй двумя способами.
В первом варианте центры атомов оказываются над центрами атомов первого слоя, тогда чередование атомных слоёв в пространстве можно описать в виде алгоритма АВАВАВ…, т.е. каждый третий слой атомов повторяет положение атомов первого слоя. Такая упаковка соответствует гексагональной плотнейшей упаковки (ГПУ).
Во втором варианте упаковки третий слой атомов займёт положение в пространстве отличное от положения первого слоя А и второго слоя В. Центры атомов окажутся над центрами лунок первого слоя, не занятыми атомами второго слоя. В этом случае алгоритм чередования атомных слоёв следующий: АВСАВС…, т.е. положение атомов первого слоя повторяется атомами четвёртого слоя. Такая упаковка называется гранецентрированной кубической (ГЦК).
В обеих плотнейших упаковках коэффициент заполнения пространства максимальный и равен . Координационное число также максимально и равно 12.
Различают два вида пустот: тетраэдрические и октаэдрические, которые называются по форме многогранников, вершины которых находятся в центрах окружающих их атомов. Тетраэдрические пустоты заключены между 4-мя атомами, октаэдрические между 6-ю атомами.
В элементарной ГЦК ячейке тетраэдрические пустоты расположены по две на каждой из пространственных диагоналей. В ГЦК 8 тетраэдрических пустот.
Октаэдрические пустоты расположены в центре куба одна и в середине каждого ребра. В последнем случае внутри элементарной ячейки оказываются часть объёма от такой тетраэдрической пустоты. Тогда всего с учётом принадлежностей в ГЦК решётке имеется +12 октаэдрических пустот.
Элементарная ячейка ГПУ (гексагональная плотнейшая упаковка) может быть представлена в виде ромбической призмы, у которой атомы лежат в узлах, а один атом расположен над центром одного из правильных треугольников основания на высоты призмы.
Число октаэдрических пустот равно 2. Они целиком лежат внутри элементарной ячейки. Суммарное количество тетраэдрических пустот равно 4-м.
В большинстве случаев более крупные атомы или ионы укладываются в плотнейшей упаковке, а более мелкие заполняют все или часть тетраэдрических или октаэдрических пустот. При описании структуры в терминах плотнейших упаковок указывают тип плотнейшей упаковки, сорт атомов, наименование и количество заселённых пустот.
Однако не все структуры описываются таким образом. Структура хлористого цезия не имеет плотнейшей упаковки, поэтому данным способом не описывается.
Типичные кристаллические структуры материалов, применяемых в электронной технике.
Многие кристаллы имеют сходное расположение частиц в пространстве и отличаются друг от друга только видом частиц и расстоянием между ними. Такие кристаллические структуры относятся к одному структурному типу, который обычно имеет название по одному из названий кристалла.
Первое. Структура типа алмаз. Элементарные полупроводники кремний и германий кристаллизуются в структуру типа алмаз. В структуре типа алмаз атомы образуют плотнейшую ГЦК решётку, в которой половина 4 из 8-ми тетраэдрических пустот заняты атомами того же сорта.
Структура типа алмаз может быть представлена как две взаимно проникающие подрешётки типа ГЦК, которые смещены относительно друг друга по пространственным диагоналям на её длины.
Структура типа сфалерит
Сульфит цинка является полупроводниковым соединением типа и существуют в двух кристаллографических модификаций: кубической и гексагональной. Кубическая модификация называется сфалеритом и кристаллизуется в структуру, которая называется алмазоподобной.
Элементарная ячейка образована ГЦК ячейкой из более крупных атомов серы, в половине тетраэдрических пустот которой аналогично структуре типа алмаз помещаются более мелкие атомы цинка.
Структура типа сфалерит характерна для большинства соединений типа и ряда соединений типа .
Структура типа Вюрцит
Вторая модификация , гексагональная, и называется Вюрцит. Структуру Вюрцита удобно рассматривать как плотнейшую упаковку типа ГПУ, образованную атомами серы, в половине тетраэдрических пустот которой находятся атомы цинка.
Структура типа Вюрцит характерна для нитридов III группы и для многих соединений типа . При этом многие соединения типа являются полиморфными, т.е. при низких температурах имеют решётку типа сфалерит, а при высоких типа Вюрцит.
Источник
Способы описания структуры материала
При разрезании, полировке и травлении технических материалов часто обнаруживаются структурные особенности, характерные для данного материала. Некоторые из них видны либо невооруженным глазом, либо при помощи маломощного оптического прибора. Напротив, наиболее мелкие детали видны лишь в мощном оптическом или электронном микроскопе.
Многие свойства твердых тел непосредственно связаны с деталями микроструктуры. Это относится к так называемым структурно-чувствительным свойствам материала. И достаточно часто можно выявить прямую связь микроструктуры и свойств материала.
Связь структуры и свойств.
На практике одни свойства материалов являются структурно-чувствительными, а другие — структурно-нечувствительными. Примером нечувствительной к структуре материала характеристики является модуль упругости, который слабо зависит от размера или состава зерен. Существует представление, что модуль упругости стали не зависит от ее состава. В принципе, это верно, и изменение модуля упругости при изменении температуры превышает влияние химического состава, размера зерен или степени холодной вытяжки. Другими подобными примерами являются коэффициент теплового расширения и удельный вес (плотность) материала.
В отличие от перечисленных выше характеристик, предел текучести, определяемый как максимальное напряжение при начале пластического течения материала, весьма чувствителен к изменению микроструктурных параметров. Гак, предел текучести зависит от размера зерен, плотности дислокаций и объемной доли частиц второй фазы. Теплопроводность и электропроводность также являются структурно-чувствительными характеристиками. Они зависят от условий высокотемпературной обработки и концентрации примесных атомов. Возможно, наиболее ярким примером структурно-чувствительной характеристики является вязкость разрушения, которая определяет способность материала противостоять распространению трещины. Малые изменения химического состава и выделение в отдельную фазу примесей на границе зерен могут приводить к катастрофическому падению пластичности материала и снижению вязкости разрушения в десятки раз.
Масштабные уровни структуры.
Понятие структуры описывает широкий спектр деталей. Их размер варьируется очень сильно: одни детали видны невооруженным глазом, а другие имеют атомный размер, В настоящее время понятие структуры детализируют, деля его на четыре масштабных уровня, называемые макроструктурой, мезоструктурой, микроструктурой и наноструктурой.
К макроуровню относят особенности, видные невооруженным глазом. Их размер сравним с размером изделия (от одного миллиметра до метров). Они могут обнаруживаться обычными методами неразрушающего контроля, например, рентгеном, окрашивающей проникающей жидкостью или ультразвуковыми методами. Примерами макроструктурных деталей являются крупные поры, инородные включения и трещины, появляющиеся при усадке материала.
Понятие мезоструктуры введено дня описания особенностей, размер которых находится на пределе возможностей невооруженного глаза (0,2 мм — 1 мм). Введение этого масштабного уровня особенно ценно для композиционных материалов, характерный масштаб структуры которых определяется размером волокон, наполнителя, пор и т.д. Например, мезоструктурный уровень определяет образование адгезионной связи при склеивании или сваривании деталей.
Понятие микроструктуры охватывает детали, размер которых лежит в пределах от одного до ста микрон. Именно этот уровень вызывает наибольший интерес ученых и инженеров. К этому структурному уровню относятся микрозерна и частицы, расстояние между частицами, микротрещины и микропоры.
Термин наноструктура относится к деталям субмикронного размера. Им описываются ширина межзеренных границ, зерна на начальной стадии кристаллизации, области существования локального порядка в аморфных (стеклообразных) телах, а также очень мелкие частицы, структура которых в основном определяется поверхностной, а не внутренней областью.
Таблица 1 описывает различные масштабные уровни структуры и степени увеличения, требуемые для их изучения.
Таблица 1. Различные масштабные уровни, методы изучения структуры на этих масштабных уровнях и требуемые степени увеличения.
Растровая и просвечивающая микроскопия
Сканирующая тунельная микроскопия
Просвечивающая электронная микроскопия
Типичные детали структуры
Зерна и частицы
Кристаллическая и межзеренная структура
Поры, трещины и включения
Морфология и анизотропия фаз
Зерна и границы фаз
Точечные дефекты и кластеры дефектов
Термины, используемые для описания микроструктуры
1. Размер зерна
Большинство технических материалов являются поликристаллическими. Они состоят из отдельных зерен-микрокристаллов, ориентация которых отличается от ориентации соседей. Микрозерна имеют различный размер и форму. Можно определить размер зерна как среднее расстояние DC между двумя случайно ориентированными параллельными плоскостями, касающимися поверхности зерна. Можно также сосчитать число зерен NV, в единице объема образца, а затем определить средний размер зерен как DV = NV -1/3 Это определение не зависит от степени однородности и анизотропии материала.
Однако обычно размер зерен рассчитывают путем сечения образца некоторой плоскостью, после чего поверхность полируют, считают количество зерен, определяют их число на единицу площади сечения NA и вычисляют средний размер зерна как DA = NA -1/2 . Наконец, можно провести ряд линий на «случайной» полированной поверхности и вычислить количество пересечений линий с границами зерен. Если линии на поверхности и сечение проведены действительно случайно, то количество пересечений на единицу длины линии NL позволяет определить размер зерен DL при помощи формулы DL=L/NL. Этот метод используется наиболее часто.
2. Дислокации и плотность дислокаций
Дислокации определяют целый ряд свойств технических материалов. Они представляют собой линейный дефект кристаллической решетки, вблизи которого искажено поле упругих напряжений материала. Дислокации могут взаимодействовать со свободными поверхностями, внутренними границами раздела (типа границ зерен) и друг с другом, стремясь уменьшить полную энергию упругой деформации решетки. Линейная дислокация характеризуется вектором смещения, называемым вектором Бюргерса и определяющим поле упругих деформаций материала. От угла между вектором Бюргерса и линией дислокации зависит характер поля смещений атомов из их положения равновесия (т.е. являются ли они сдвиговыми, растягивающими или сжимающими).
Объёмная доля фаз
Технические материалы часто содержат несколько фаз, размер, форма и распределение частиц которых часто имеет определяющее влияние на свойства материала. Как и в случае зерен, имеется несколько неэквивалентных способов определения размера и формы частиц. Эти способы аналогичны методам определения размера зерен, описанным выше. Однако имеется параметр микроструктуры, не зависящий от размера частиц второй фазы. Это объемная доля фазы. Так как этот параметр не зависит от масштабного уровня структуры, он может быть определен дифракционными методами или путем сечения образца — на случайно проведенном сечении объемная доля фазы может быть оценена из доли её площади.
Литература:
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.
Источник
