Строение и структура материалов

2.1. Виды химической связи
При сближении атомов до расстояния нескольких долей нанометра (1нм = 10-9 м = 10 Ǻ), между ними появляются силы взаимодействия. Если эти силы являются силами притяжения, то атомы могут соединяться с выделением энергии, образуя химические соединения.
1 Ǻ
0,74 Ǻ

Кривая изменения потенциальной энергии при взаимодействии двух атомов водорода с образованием молекулы водорода. Принято говорить, что электроны обобществлены.
Закон о минимуме потенциальной энергии

2.1 Виды химической связи
Образована атомами с одинаковой электроотрицательностью.
Объединение атомов в молекулу достигается за счет электронов, которые становятся общими для пар атомов.
1) Ковалентная (гомеополярная) связь

2.1 Виды химической связи
Ковалентная связь характерна как для органических, так и для неорганических соединений. К неорганическим веществам с ковалентной связью относятся алмаз, кремний, германий, арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiС) и другие, являющиеся полупроводниками.

2.1 Виды химической связи
Ковалентная неполярная связь
центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.
Ковалентная полярная (дипольная) связь
центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга.

2.1 Виды химической связи
Наблюдается в химических соединениях атомов металла с металлоидными атомами (типа NaCl). Ионная связь возникает вследствие перехода валентных электронов от металлоидного атома к металлоидному и возникновения электростатического притяжения разноименно заряженных атомов друг другу.
2) Ионная (гетерополярная) связь

2.1 Виды химической связи
Сульфид свинца PbS
Сульфид свинца — хороший материал полупроводниковой техники, фотоприемников и детекторов ИК-диапазона.

2.1 Виды химической связи
Существует в системах, построенных из положительных атомных островов, находящихся в среде свободных коллективизированных электронов - «электронного газа».
3) Металлическая связь

2.1 Виды химической связи
Связь между молекулами с ковалентным характером внутримолекулярного взаимодействия.
4) Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса)

2.1 Виды химической связи
Кластеры воды с разными структурами

2.1 Виды химической связи
Парафины, компаунд
Жидкие кристаллы

2.1 Виды химической связи

Газообразное состояние молекул наиболее беспорядочное и структурно не устойчивое.
Жидкое состояние вещества характеризуется определенным объемом, но не имеет постоянной формы. Жидкости изотропны, кроме жидких кристаллов, характеризующихся некоторой ориентацией молекул, т.е. анизотропией, которая проявляется в двойном лучепромлении.
Агрегатные состояния вещества

Твердое состояние характеризуется тремя признаками: упругостью, кристаллической структурой и скачкообразным изменением характеристик при плавлении.
При медленном охлаждении расплава и специальном выращивании получают монокристалл; при средней скорости охлаждения – поликристаллические структуры; при очень быстром охлаждении – вещества аморфной структуры.
Агрегатные состояния вещества

Аморфные структуры – это структуры, не имеющие явно выраженного дальнего порядка в расположении атомов.
2.2. Структура твердых тел
Стекло
Канифоль
Органические
Материалы
Смолы
2.2. Структура твердых материалов

2.2. Структура твердых материалов
Дальний порядок Ближний порядок

Кристаллические структуры – это структуры, представляющие периодическую решетку, в узлах которой расположены атомы
Кварц
Полупроводниковые
Кристаллы
Металлы
2.2. Структура твердых материалов

Монокристаллы – однородные анизотропные тела, которые характеризуются правильным порядком в расположении атомов во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек.
Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и диэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях.
Физические свойства:
1)Правильная геометрическая форма 2)Постоянная температура плавления. 3)Анизотропия.
2.2. Структура твердых материалов

Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими.
Поликристаллические материалы состоят из множества сросшихся мелких кристаллов (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. Обычно они изотропны.
Al, Be, Mg, Ti и др.
2.2. Структура твердых материалов

Физические свойства:
1)Правильная форма.
2)Постоянная температура плавления 3)Изотропия.
электротехническая сталь
поликристалличский
кремний
2.2. Структура твердых материалов

Если ориентацию кристаллитов упорядочить (мехобработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным (такие тела называют текстурами).
2.2. Структура твердых материалов

Трехмерная кристаллическая структура
Элементарная ячейка
- решетка Браве.
2.2. Структура твердых материалов

Существует четырнадцать типов решеток Браве. 7 кристаллических систем (сингоний). Системы отличаются друг от друга формой элементарной ячейки ( соотношениями между длинами ребер a, b, c и углами между гранями α, β, γ).
Все кристаллы по виду симметрии подразделяют на 32 класса. Всего существует 230 пространственных групп.
2.2. Структура твердых материалов

2.2. Структура твердых материалов

Четыре типа сложных элементарных ячеек.
а) Объемоцентрированная (ОЦ) ячейка
б) Гранецентрированная (ГЦ) ячейка
2.2. Структура твердых материалов

Четыре типа сложных элементарных ячеек.
в) Базоцентрированная (БЦ) ячейка
г) Гексацентрированная ячейка
2.2. Структура твердых материалов

Индексы Миллера.
Обозначение узлов, направлений – а
и плоскостей – б к кристаллической решетке
m, n, p – индексы узла, целые или дробные числа.
Индексы плоскости h=d/m, k=d/n, l=d/p через НОК=d
2.2. Структура твердых материалов

Индесы плоскости обозначаются как (hkl)
2.2. Структура твердых материалов

Полиморфизм (аллотропия)
это способность образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях.
Модификация, устойчивую при нормальной и более низкой температуре обозначается α
Кристаллические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества.
2.2. Структура твердых материалов

2.2. Структура твердых материалов
α-Fe, β-Fe, γ-Fe
Кривая охлаждения железа Fe

2.2. Структура твердых материалов
Полиморфизм углерода C
Фуллерен
Графит
Алмаз

2.2. Структура твердых материалов
Полиморфизм углерода

2.2. Структура твердых материалов
Полиморфизм углерода
карбин
нанотрубка
нановолокно

2.2. Структура твердых материалов
Полиморфизм кремния Si

2.2. Структура твердых материалов
Полиморфизм олова Sn
T < 13,2 °C

2.3. Структурные дефекты твердых тел.
Дефекты – отклонения от регулярного расположения частиц в реальных кристаллах.
1) Динамические (временные) д. возникают при механических, тепловых (фононы) и электромагнитных воздействиях.
2) Статические (постояные) д. это точечные (атомные) или протяженные несовершенства структуры

Точечные дефекты твердых тел.
а – дефекты типа внедрения;
б – дефекты типа замещения;
в – дефекты по Френкелю;
г – дефекты по Шоттки
2.3. Структурные дефекты

Линейные дефекты твердых тел.
Дислокация – это линейный дефект, заключающийся в смещении плоскостей кристаллической решетки относительно друг друга
а – линейная дислокация; б – винтовая дислокация
2.3. Структурные дефекты

Поверхностные дефекты твердых тел.
Поверхностная зона 5 – 10 атомных диаметров с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.
Ошибки в наложении слоев атомов
2.3. Структурные дефекты

Объемные дефекты твердых тел.
Имеют в трех измерениях сравнительно большие размеры несопоставимые с размерами атомов.
К ним относят микропустоты, включения другой фазы, поры, трещины.
2.3. Структурные дефекты

Зависимость прочности Ме от плотности дислокаций
2.3. Структурные дефекты

Влияние примесей на проводимость Ме
2.3. Структурные дефекты

Влияние примесей на удельное сопротивление очищенного кремния
2.3. Структурные дефекты