ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

ПЛАН-КОНСПЕКТ (ТЕЗИСЫЛЕКЦИИ)

проведения занятия по дисциплине «Химия радиоматериалов»

Проводниковые материалы. Классификация

и основные свойства

(полное название темы в соответствии с тематическим планом)

Воронеж – 2011

ТЕМЫБЛОКА

Тема №1

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехничес­кие материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления дета­лей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересую­щей нас области техники должны обладать вполне опреде­ленным набором свойств, благодаря которым они нахо­дят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических ма­териалов является набор их свойств по отношению к элек­тромагнитному полю. При взаимодействии с электромаг­нитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «элект­ротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) назы­ваются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ—элек­тропроводности— электротехнические материалы делят­ся на три группы: проводники, полупроводники и диэлект­рики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделя­ется на подгруппы по количественным параметрам, ха­рактеризующим их основные свойства. Это позволяет пред­ставить классификацию радиоматериалов в виде обобщен­ной схемы (рис. 1.1).

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, тех­нологические и другие характеристики отвечали опреде­ленным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МАТЕРИАЛОВ

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элемен­тов. Любое вещество (материал) состоит из огромного ко­личества электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер химических элементов, которые и опреде­ляют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств ма­териалов, позволяющие использовать часть макроскопи­ческих характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, об­разующих вещество, учитываются интегрально или авто­матически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере рас­пределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопос­тавляя между собой расположение атомов в структуре ве­щества, электронную конфигурацию этих атомов, тип хи­мической связи между ними, можно ответить на ряд важ­ных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничи­ванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются сила­ми электростатического взаимодействия между электро­нами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхожде­ния весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между ато­мами вещества предполагает, что полная энергия Е^V_п час­тиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е_к и потенциальной U_n Е^V _п = N (Е^V_k+ U^V_n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в сво­бодном состоянии Е^с_п= N (Е^с_к + U^c_n). Разность этих энергий Е^с_п – Е^V_п = Е_св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала опреде­ляются характером связи и количественным значением энергии связи Е_св.

По характеру взаимодействия между частицами, состав­ляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

• ковалентная неполярная;

• ковалентная полярная, или гомеополярная;

• ионная, или гетерополярная;

• донорно-акцепторная;

• металлическая;

• межмолекулярная.

Ковалентная неполярная связь возникает при объеди­нении одноименных атомов в молекулы, например Н₂, О₂, Cl₂, N₂, алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обоб­ществление валентных электронов, что приводит к допол­нению внешней электронной оболочки до устойчивого со­стояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительно­го и отрицательного зарядов совпадают. В результате элек­трический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула — неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отлич­ный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по вели­чине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлек­триков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связь возникает при объединении разноимен­ных атомов, например Н₂О, СН₄, СН₃С1, СС1₄ и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчиво­го состояния. Однако каждая связь имеет дипольный мо­мент. Тем не менее молекула в целом может быть нейт­ральной или полярной (рис. 1.2).

Соединения с гомеополярной связью могут быть ди­электриками (полимерные органические материалы) и по­лупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связь возникает при образо­вании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, на­пример NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраи­вая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов), В результате образуются два иона, между которыми действу­ют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэто­му вещества с ионной связью имеют сравнительно высо­кие механическую прочность, температуру плавления и ис­парения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Донорно-акцепторная связь по сути своей является раз­новидностью ионной связи и возникает при образовании ма­териала элементами различных групп таблицы Д.И. Мен­делеева, например соединения A^III B^V — GaAs и т.д.; соеди­нения A^III B^V - ZnS, CdTe и т.д. В таких соединениях атом одного элемента, называемый донором, отдает электрон другому атому, называемому акцептором. В результате возникает донорно-акцепторная химическая связь, являю­щаяся достаточно прочной. Материалы с такой связью могут быть диэлектриками и полупроводниками.

Металлическая связь возникает между атомами в ме­таллах и является следствием обобществления всех ва­лентных электронов, образующих электронный газ и ком­пенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Бла­годаря взаимодействию электронного газа и ионов возни­кает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связь характер­на для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низ­кие температуру плавления и механические характерис­тики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов свя­зи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергети­ческий спектр электронов атомов, составляющих вещество.

Тема №2