(1. Pravilo faza. 2. Koncepti faznih dijagrama ravnoteže. 3. Pravilo segmenata. 4. Dijagram stanjaIIInekako)
1. Pravilo faza
Kada se promijeni temperatura ili koncentracija komponenti, sistem (legura) može biti u različitim stanjima. U procesu prijelaza iz jednog stanja u drugo u njemu se javljaju fazne transformacije - pojavljuju se nove faze ili nestaju postojeće faze.
Mogućnost promene stanja sistema, odnosno broja i hemijskog sastava faza, određena je njegovom varijabilnosti - broj stepena slobode.
Definicija. Broj stepeni slobode sistema je broj spoljašnjih (temperatura, pritisak) i unutrašnjih (koncentracija) faktora koji se mogu menjati bez promene broja faza sistema.
Jednadžba faznog pravila ( Gibbsov zakon) za sistem sa konstantnim pritiskom formiran od nekoliko komponenti ima oblik
C = K – F + 1, (3.1)
gdje je C broj stupnjeva slobode (varijabilnost sistema); K – broj komponenti; F – broj faza.
Pošto je broj stupnjeva slobode uvijek veći ili jednak nuli, tj. Sa 0, onda je uslov između broja komponenti i faza zadovoljen
F K + 1, (3.2)
uspostavljanje maksimalnog mogućeg broja ravnotežnih faza u legurama.
2. Koncepti o faznim dijagramima ravnoteže
Dijagrami faza ravnoteže ( dijagrami stanja) koriste se u proučavanju strukture legura, odabiru načina njihove termičke obrade itd.
Dijagram faza ravnoteže pokazuje koje faze postoje pod datim uslovima (koncentracija komponenti i temperatura) u uslovima ravnoteže. Iz dijagrama se može odrediti agregatno stanje, količina i hemijski sastav faza, kao i strukturno-fazno stanje legure u zavisnosti od temperature i koncentracije komponenti koje je formiraju.
Fazni dijagram ravnoteže je „grafikon“, na čijoj je apscisi osi ucrtana koncentracija komponenti (ukupni sadržaj komponenti u bilo kojoj leguri je 100%), a na osi ordinate temperatura. Ekstremne tačke (lijevo i desno) na x-osi dijagrama odgovaraju čistim komponentama. Bilo koja druga točka na ovoj osi odgovara određenoj koncentraciji komponenti legure.
Na primjer, za dvokomponentnu leguru (slika 3.1) tačka A odgovara čistom, tj. koji sadrži 100% komponente A, tačka IN– čista komponenta B, tačka C – legura koja sadrži 75% A i 25% B, tačka D – legura koja sadrži 75% B i 25% A. Osa koncentracije pokazuje promjenu sadržaja jedne od komponenti (na slici 3.1 - komponenta B).
Rice. 3.1 – Koordinate faznog dijagrama ravnoteže
Za izradu faznih dijagrama proučavaju se legure različitih sastava na različitim temperaturama. Tradicionalna metoda konstruisanja dijagrama je metoda termičke analize, koja omogućava dobijanje krivulja hlađenja legura u koordinatama “temperatura – vrijeme” - krive hlađenja(legure).
Legure se hlade veoma malom brzinom, tj. u uslovima bliskim ravnotežnim.
Izrada dijagrama hlađenja izvodi se u sljedećem redoslijedu:
u koordinatama „temperatura – koncentracija“ povlače se vertikalne linije koje odgovaraju legurama proučavanih sastava (što je manji korak koncentracije, to je dijagram tačniji);
krive hlađenja su konstruirane za ove legure;
Na okomitim linijama tačke označavaju temperaturu pri kojoj se temperatura mijenja. stanje agregacije ili struktura legure;
tačke identičnih transformacija različitih legura povezane su linijama koje ograničavaju područja identičnih stanja sistema.
Takve konstrukcije smo izveli u laboratorijskom radu br. 1 prilikom konstruisanja faznog dijagrama “cink – kositar” (“Zn – Sn»).
Tip dijagrama ovisi o tome kako komponente u čvrstom i tekućem stanju međusobno djeluju.
Najjednostavniji dijagrami su binarni (dvokomponentni ili dvokomponentni) sistemi ( višekomponentni sistemi se mogu svesti na njih sa fiksnim vrijednostima "suvišnih" komponenti), čiji glavni tipovi uključuju fazne dijagrame za legure, koji su čvrstom stanju(na normalnoj temperaturi):
a) mehaničke mješavine čistih komponenti (tip I);
b) legure sa neograničenom rastvorljivošću komponenti (tip II);
c) legure sa ograničenom rastvorljivošću komponenti (tip III);
d) legure sa formiranjem hemijskog jedinjenja (IV vrsta).
Na predavanju ćemo razmatrati konstrukciju faznih dijagrama ravnoteže na primjeru faznog dijagrama treće vrste - legure sa ograničenom rastvorljivošću komponenti (o ostalim vrstama dijagrama se govori u laboratorijskom radu).
Ali prvo, razgovarajmo o tome šta je važno za analizu takvih dijagrama: pravilo segmenta(poluga).
Uvod
1. Vrste faznih dijagrama
2. Sistemi od značaja u mikroelektronici
3. Čvrsta rastvorljivost
4. Fazni prijelazi
Književnost
Uvod
Fazni dijagrami su sastavni dio svake rasprave o svojstvima materijala kada govorimo o interakciji različitih materijala. Fazni dijagrami su posebno važni u mikroelektronici, jer Za izradu elektroda i pasivacijskih slojeva mora se koristiti veliki raspon različitih materijala. U proizvodnji integrisanih kola silicijum je u bliskom kontaktu sa raznim metalima, a posebnu pažnju ćemo obratiti na one fazne dijagrame u kojima se silicijum pojavljuje kao jedna od komponenti.
Ovaj sažetak govori o tome koje vrste faznih dijagrama postoje, koncept faznog prelaza, rastvorljivost u čvrstom stanju i najvažniji sistemi supstanci za mikroelektroniku.
1. Vrste faznih dijagrama
Monofazni fazni dijagrami su grafikoni u kojima je, ovisno o tlaku, volumenu i temperaturi, prikazano fazno stanje samo jednog materijala. Obično nije uobičajeno crtati trodimenzionalni graf na dvodimenzionalnoj ravni - oni prikazuju njegovu projekciju na ravan temperatura-pritisak. Primjer jednofaznog dijagrama stanja dat je na Sl. 1.
Rice. 1. Dijagram jednofaznog stanja
Dijagram jasno razgraničava područja u kojima materijal može postojati u samo jednom faznom stanju - u čvrstom stanju, tekućini ili plinu. Duž razgraničenih linija, supstanca može imati dva fazna stanja (dvije faze) koja su u kontekstu jedno s drugim. Bilo koja od kombinacija se odvija: čvrsto - tečno, čvrsto - para, tečnost - para. U tački u kojoj se seku linije dijagrama, takozvanoj trostrukoj tački, sve tri faze mogu postojati istovremeno. Štaviše, to je moguće na jednoj jedinoj temperaturi, tako da trostruka tačka služi kao dobra referentna tačka za temperature. Tipično, referentna tačka je trostruka tačka vode (na primjer, u preciznim mjerenjima pomoću termoparova, gdje je referentni spoj u kontaktu sa sistemom led-voda-para).
Binarni fazni dijagram (fazni dijagram binarnog sistema) predstavlja stanje sistema sa dve komponente. U takvim dijagramima, temperatura je iscrtana duž ordinatne ose, a procenat komponenti smeše je nacrtan duž apscisne ose (obično je to ili procenat ukupne mase (tež.%) ili procenat ukupne mase broj atoma (at. %). Obično se pretpostavlja da je pritisak 1 atm. Ako se razmatraju tečne i čvrste faze, mjerenja zapremine se zanemaruju. Na sl. 2. prikazuje tipičan dvofazni fazni dijagram za komponente A i B koristeći težinu ili atomski procenat.
Rice. 2. Dijagram dvofaznog stanja
Slovo označava fazu supstance A sa rastvorom B, označava fazu supstance B sa rastvorenom supstancom A, a + označava mešavinu ovih faza. Slovo (od tečnost) označava tečnu fazu, a L+ i L+ označava tečnu fazu plus ili fazu, respektivno. Linije koje razdvajaju faze, odnosno linije na kojima mogu postojati različite faze neke supstance, imaju sledeće nazive: solidus - linija na kojoj istovremeno postoje faze ili sa fazama L+ i L+; solvus je linija na kojoj istovremeno koegzistiraju faze i + ili i + , a liquidus je linija na kojoj koegzistiraju faza L i faza L+ ili L+.
Tačka u kojoj se seku dvije linije likvidusa često je tačka najniže tačke topljenja za sve moguće kombinacije supstanci A i B i naziva se eutektička tačka. Smjesa s omjerom komponenti na eutektičkoj tački naziva se eutektička smjesa (ili jednostavno eutektika).
Razmotrimo kako mješavina prelazi iz tekućeg stanja (rastopljenog) u čvrsto stanje i kako fazni dijagram pomaže u predviđanju ravnotežnog sastava svih faza koje postoje na datoj temperaturi. Okrenimo se Sl. 3.
Rice. 3. Dvofazni fazni dijagram koji prikazuje procese skrućivanja
Pretpostavimo da je u početku smeša imala sastav C M na temperaturi T 1 , na temperaturama od T 1 do T 2 postoji tečna faza, a na temperaturi T 2 faze L i istovremeno postoje. Sastav prisutne faze L je C M, sastav faze je C 1. Daljnjim smanjenjem temperature na T 3, sastav tečnosti se menja duž likvidus krive, a sastav faze se menja duž solidus krive sve dok se ne ukršta sa izotermom (horizontalnom linijom) T 3. Sada je sastav faze L C L, a sastav faze C 2. Treba napomenuti da ne samo supstanca koja je prešla u fazu na temperaturi T 3 mora imati sastav C 2, već i sva supstanca koja je prešla u fazu na višoj temperaturi mora imati sastav C 2. Ovo izjednačavanje sastava mora se desiti difuzijom komponente A u čvrstom stanju u postojeću fazu, tako da će do trenutka kada se postigne temperatura T 3, sva supstanca u fazi imati sastav C 2. Daljnji pad temperature dovodi nas do eutektičke tačke. U njemu, faze i postoje istovremeno sa tečnom fazom. Na nižim temperaturama postoje samo faze i . Nastaje mešavina faza i sastava C E sa agregatima početnog sastava C 3. Zatim, dugotrajnim držanjem ove smjese na temperaturi ispod eutektike, može se dobiti čvrsta supstanca. Dobivena čvrsta supstanca će se sastojati od dvije faze. Sastav svake faze može se odrediti u tački preseka izoterme sa odgovarajućom linijom solvusa.
Upravo je pokazano kako odrediti sastav svake od prisutnih faza. Sada razmotrite problem određivanja količine supstance u svakoj fazi. Da bi se izbjegla zabuna na sl. 4. Ponovo je prikazan jednostavan dvofazni dijagram. Pretpostavimo da je na temperaturi T 1 sastav taline C M (što znači komponenta B), tada na T 2 faza L ima sastav C L , a faza će imati sastav C s . Neka je M L masa supstance u čvrstom stanju, a M S masa supstance u čvrstom stanju. Uslov za očuvanje ukupne mase dovodi do sljedeće jednačine
(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .
Rice. 4. Pravilo nivoa
Ona odražava činjenicu da je ukupna masa supstance na temperaturi T1, pomnožena sa procentom B, ukupna masa supstance B. Jednaka je zbiru masa supstance B koja postoji u tečnoj i čvrstoj fazi na temperaturi T2. Rješavajući ovu jednačinu, dobijamo
. (1)
Ovaj izraz je poznat kao "pravilo nivoa". Koristeći ovo pravilo, znajući početni sastav taline i njegovu ukupnu masu, moguće je odrediti mase obje faze i količinu tvari B u bilo kojoj fazi za bilo koji dio dvofaznog dijagrama. Na potpuno isti način možemo izračunati
Na sl. 5. Naveden je još jedan primjer očvršćavanja rastopa. Smanjenje temperature sa T 1 na T 2 dovodi do mešanja L i faza sa sastavom C M i C , respektivno. Kako dolazi do daljeg hlađenja, sastav L se mijenja duž likvidusa, a sastav se mijenja duž solidusa, kao što je ranije opisano. Kada se dostigne temperatura T 3, sastav će postati jednak C M, a, kao što slijedi iz pravila nivoa, na temperaturi nižoj od T 3, tečna faza ne može postojati. Na temperaturama ispod T4, faze i postoje kao agregati faza i . Na primjer, na temperaturi T5, agregati faze će imati sastav određen presjekom izoterme T5 i solvusa . Sastav određuje se slično - presjekom izoterme i solvusa .
Rice. 5. Dvofazni dijagram i proces očvršćavanja Količina supstance A prisutne u bilo kojoj od faza
Područja dvofaznog dijagrama, koja se još nazivaju i , su regije čvrste rastvorljivosti: u području su rastvoreni A i B. Maksimalna količina A koja se može rastvoriti u B na datoj temperaturi zavisi od temperatura. Na eutektičkim ili višim temperaturama može doći do brze fuzije A i B. Ako se nastala legura naglo ohladi, tada atomi A mogu biti „zarobljeni“ u rešetki B. Ali ako je rastvorljivost čvrste supstance na sobnoj temperaturi velika niže (ovo sugerira da na ovoj temperaturi pristup koji se razmatra nije baš prikladan), tada u leguri mogu nastati jaka naprezanja koja značajno utiču na njena svojstva (u prisustvu značajnih napona nastaju prezasićeni čvrsti rastvori, a sistem nije u stanje ravnoteže, a dijagram pruža informacije samo o ravnotežnim stanjima). Ponekad je takav učinak poželjan, na primjer, kada se čelik ojačava gašenjem za proizvodnju martenzita. Ali u mikroelektronici će njegov rezultat biti destruktivan. Stoga se doping, odnosno dodavanje aditiva silicijumu prije difuzije, provodi na povišenim temperaturama na način da se spriječi oštećenje površine uslijed prekomjernog legiranja. Ako je količina doping nečistoće u supstratu viša od granice rastvorljivosti čvrste supstance na bilo kojoj temperaturi, tada se pojavljuje druga faza i povezana deformacija.
2. Sistemi supstanci koje su važne u mikroelektronici
Postoji veliki broj materijala koji su potpuno rastvorljivi jedan u drugom. Primer je sistem od dve supstance koje su važne za mikroelektroniku, kao što su silicijum i germanijum. Sistem silicijum – germanijum prikazan je na sl. 6.
Rice. 6. Sistem silicijum – germanijum
Dijagram nema eutektičku tačku. Takav dijagram se naziva izomorfnim. Da bi dva elementa bila izomorfna, moraju se pridržavati Hume-Rotheryjevih pravila, tj. imaju razliku u vrijednostima atomskih radijusa ne veću od 15%, istu vjerovatnoću, istu kristalnu rešetku i, osim toga, približno istu elektronegativnost (elektronegativnost atoma je njegova inherentna sposobnost da privuče ili uhvati dodatne elektrona u kovalentnim vezama). Cu – Ni, Au – Pt i Ag – Pd sistemi su takođe izomorfni.
Pb-Sn sistem pruža dobar primjer jednostavnog binarnog sistema sa značajnom, iako ograničenom, čvrstom rastvorljivošću. Fazni dijagram stanja ovog sistema prikazan je na sl. 7. Tačka preseka solidusa i solvusa naziva se granična rastvorljivost; vrednost granične rastvorljivosti i kalaja u olovu i olova u kalaju biće velika. Ovaj sistem je važan za mikroelektroniku zbog široke upotrebe kalaj-olovnih lemova. Njihov dvofazni dijagram ovog sistema pokazuje kako promjena sastava legure mijenja njenu tačku topljenja. Kada je za proizvodnju mikrokola potrebno nekoliko uzastopnih lemljenja, za svako sljedeće lemljenje koristi se lem s nižom tačkom topljenja. To se radi kako ranije napravljena lemljenja ne bi curila.
Rice. 7. Fazni dijagram stanja sistema olovo – kalaj
Za proizvodnju mikro kola važna su i svojstva Au – Si sistema, jer je eutektička temperatura ovog sistema izuzetno niska u odnosu na temperature topljenja čistog zlata ili čistog silicijuma (slika 9). Rastvorljivosti zlata u silicijumu i silicijuma u zlatu su premale da bi se prikazale na konvencionalnom faznom dijagramu. Zbog niske eutektičke temperature, korisno je montirati matrice za čipove na zlatne podloge, držače ili ploče sa zlatnim kontaktnim jastučićima, koristeći Au-Si eutektičku reakciju kao glavni mehanizam zavarivanja (ili lemljenja). Zlato koje sadrži nekoliko procenata germanijuma takođe se koristi za lemljenje silicijumskih kristala.
Kombinacije elemenata koje formiraju hemijska jedinjenja imaju složenije fazne dijagrame. Mogu se raščlaniti na dva (ili više) jednostavnija dijagrama, od kojih se svaki odnosi na određeni par veza ili veza i elemenata. Na primer, AuAl 2 nastaje kombinovanjem 33% (atomski procenat) zlata sa aluminijumom na temperaturi nižoj od 1060 o (slika 2.10). Lijevo od ove linije koegzistiraju AuAl 2 i čista aluminijumska faza. Jedinjenja poput AuAl 2 nazivaju se intermetalnim i formiraju se u odgovarajućem stehiometrijskom odnosu dva elementa. Intermetalna jedinjenja odlikuju se visokom tačkom topljenja, složenom kristalnom strukturom i, osim toga, čvrsta su i krhka.
Fazni dijagram Au – Al može se podijeliti na dva ili više dijagrama, na primjer na Al – AuAl 2 dijagram i AuAl 2 – Au dijagram.
Rice. 8. Sistem aluminijum – silicijum
Dijagram sistema Au – Al prikazan na sl. 2.10 je izuzetno važan u mikroelektronici, jer su zlatne žice obično povezane sa slojem za metalizaciju aluminijuma koji se nalazi na vrhu silicijuma. Ovdje je navedeno nekoliko važnih intermetalnih jedinjenja: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 i Au 4 Al. Svi oni mogu biti prisutni u provodnicima Au–Al veze.
Rice. 9. Zlato-silicijum sistem
Rice. 10. Zlato – aluminijum sistem
3. Čvrsta rastvorljivost
Granična rastvorljivost većine dodataka u silicijumu je izuzetno niska i zapravo nije maksimalna rastvorljivost. Na sl. Slika 11 prikazuje tipičnu krivulju solidusa za nečistoću bez silicija. Imajte na umu da se rastvorljivost povećava sa temperaturom do određene vrednosti, a zatim se smanjuje na nulu na tački topljenja silicijuma. Ova kriva se naziva retrogradna kriva rastvorljivosti. Rafinirana verzija ovog dijagrama u blizini tačke topljenja silicijuma prikazana je na Sl. 12.
Rice. 11 Retrogradna rastvorljivost silicijuma
Rice. 12 Tipični fazni dijagram silicijuma
Ako je sastav taline silicijuma jednak C M kao postotak mase otopljene supstance, tada će se silicijum očvrsnuti sa sadržajem rastvorene supstance od kC M , gde je k koeficijent segregacije (k=C S /C L). Kada koncentracija u čvrstom stanju dostigne vrijednost C M nakon smrzavanja, koncentracija u tekućem rastvoru će biti jednaka C M /k, budući da odnos koncentracija u tečnom i čvrstom rasteru mora biti jednak k. Nagib linije solidusa je stoga jednak
,
a nagib likvidusa je jednak
.
Pokazalo se da je omjer nagiba likvidusa i solidusa jednak koeficijentu segregacije
. (2)
4. Fazni prijelazi
Prijelazi iz jednog faznog stanja u drugo kada se promijene sistemski parametri.
Fazni prijelazi prvog reda (isparavanje, kondenzacija, topljenje, kristalizacija, prijelazi iz jedne kristalne modifikacije u drugu).
Kristalno stanje supstanci je klasifikovano u sedam sistema (triklinski, monoklinski, rombični, tetragonalni, trigonalni ili rombični..., heksagonalni, kubni), a raspored atoma u ovim sistemima karakteriše 14 tipova rešetki (Bravaisove rešetke) . Stepen pakovanja atoma u ovim rešetkama je različit:
Prosta kubna f = 0,52
Volumen centriran kubni f = 0,68
Kubni centar sa licem f = 0,74
Heksagonalno zatvoreno pakovanje f = 0,74
Iz ovih podataka proizlazi vrlo važan zaključak: prilikom polimorfnih transformacija (promjene u vrsti kristalne rešetke) dolazi do promjene volumena, a time i fizičko-hemijskih svojstava materijala.
U prijelazima prvog reda, dvije faze koegzistiraju u prijelaznoj tački.
A B
a) prelaz se dešava na određenoj temperaturi T per
b) tokom tranzicije, prvi derivati energije se naglo menjaju: entalpija, entropija, zapremina (a samim tim i gustina)
Fazni prijelazi drugog reda
Tokom prelaza drugog reda, prvi derivati slobodne energije, entalpije, entropije, zapremine i gustine se menjaju monotono.
Barijum titanat – kubična struktura –> tetragonalni tipični piezoelektrik.
MnO – antiferomagnet na 117 K prelazi u paramagnetnu fazu.
1. Prema klasifikaciji faznih transformacija koju je 1933. predložio Eripresit, transformacije se dijele na transformacije (prijelaze) prve i druge vrste.
Prijelaze prvog reda karakterizira činjenica da se prvi derivati termodinamičkog potencijala u odnosu na temperaturu i tlak naglo mijenjaju
ovdje S – entropija, V – zapremina
Pošto se termodinamički potencijal tokom faznih prelaza neprekidno menja, on je određen izrazom
tada bi se i energija U trebala naglo promijeniti. Jer
zatim toplina tranzicije
jednak je proizvodu temperature i razlike u faznoj entropiji, odnosno nagloj promjeni ili apsorpciji topline.
Ono što je važno je kontinuirana promjena termodinamičkog potencijala. Funkcije (T) i (T) ne mijenjaju karakteristike u blizini tačke faznog prijelaza, dok na obje strane tačke faznog prijelaza postoje minimumi termodinamičkog potencijala.
Ova karakteristika objašnjava mogućnost pregrijavanja ili prehlađenja faza u slučaju faznih prelaza u sistemu.
Odredimo odnose između skokova termodinamičkih funkcija i . Nakon diferencijacije s obzirom na temperaturu, relacija Funkcija (P,T) = (P,T), uzimajući u obzir izraz za S, V i q, dobijamo
Ovo je dobro poznata Clayperon-Clausis formula. Omogućava vam da odredite promjenu pritisaka faza u ravnoteži s promjenom temperature ili promjenu temperature prijelaza između dvije faze s promjenom tlaka. Nagla promjena zapremine dovodi do odsustva određene veze između strukture i sistema faza transformiranih tokom faznog prijelaza prvog reda, koje se stoga naglo mijenjaju.
Tipični za fazne prijelaze prvog reda su prijelazi između agregatnih stanja materije, alotropske transformacije i mnoge fazne transformacije u višekomponentnim materijalima.
Osnovna razlika između faznih prelaza drugog reda i faznih prelaza prvog reda je sledeća: prelaze drugog reda karakteriše i kontinuitet promene termodinamičkog potencijala i kontinuitet promene derivata termodinamičkog potencijala.
Hemijska ravnoteža
Termodinamička funkcija je funkcija stanja koja određuje promjenu termodinamičkih potencijala kada se promijeni broj čestica u sistemu. Drugim riječima, postoji funkcija koja određuje smjer i granicu spontanog prijelaza komponente iz jedne faze u drugu pod odgovarajućim transformacijama i uvjetima (T, P, V, S, n i).
Termodinamički potencijali su međusobno povezani sljedećim relacijama
Količina tvari u gramima; - količina supstance u molovima;
M je molekulska težina odgovarajuće supstance.
Za teoriju čvrstih rastvora, na kojoj rade svi mikroelektronski uređaji, od velike je važnosti metoda hemijskih potencijala koju je razvio Gibbs. Hemijska ravnoteža se može odrediti korištenjem hemijskih potencijala.
Hemijski potencijal karakterizira energija po atomu
Hemijski potencijal; G – Gibbsova energija;
N o – Avogadrov broj, N A – L = mol -1
tj. (P,T) = (P,T)
Obje krivulje karakteriziraju monotoni pad s temperaturom, određujući vrijednost fazne entropije
Fazni dijagrami su sastavni dio rasprave o svojstvima materijala kada je u pitanju interakcija različitih materijala.
Monofazni fazni dijagrami prikazuju fazno stanje samo jednog materijala.
Binarni fazni dijagram (fazni dijagram binarnog sistema) predstavlja stanje sistema sa dve komponente.
Kombinacije elemenata koje formiraju hemijska jedinjenja imaju složenije fazne dijagrame.
Književnost
1. Ormont B. F. Uvod u fizičku hemiju i kristalnu hemiju poluprovodnika. – M.: Viša škola, 1973.
2. Fizička metalurgija / Uredio R. Kahn, vol. 2. Fazne transformacije. Metalografija. – M.: Mir, 1968.
3. Yu.M. Tairov, V.F. Cvetkov "Tehnologija poluprovodničkih i dielektričnih materijala", - M.: Viša škola, 1990.
4. “Radionica o poluprovodnicima i poluprovodničkim uređajima,” / Ed. Shalimova K.V. – M.: Viša škola, 1968.
Hajde da razmotrimo P− T− X dijagrami za binarne sisteme. Intenzivan studijski rad P− T− X fazni dijagrami su pokazali da upotreba visokih pritisaka (desetine i stotine hiljada atmosfera) u nekim slučajevima dovodi do promene tipa faznog dijagrama, do nagle promene temperature faznih i polimorfnih transformacija, do pojave nove faze koje su odsutne u datom sistemu pri atmosferskom pritisku. Na primjer, dijagram sa neograničenom rastvorljivošću u čvrstom stanju na visokim temperaturama i razlaganjem čvrste otopine α u dva čvrsta rastvora α1 + α2 na niskim temperaturama može se postepeno transformisati u dijagram sa eutektikom sa povećanjem pritiska (vidi sliku 4.18, A). Na sl. 4.18, b prikazuje dijagram stanja Ga–P sistema u kojem se formira GaP poluvodičko jedinjenje. Ovisno o pritisku, ovo jedinjenje se može otopiti kongruentno ili nekongruentno. Izgled dvostrukog dijagrama se mijenja u skladu s tim. T− X na raznim izobarnim presjecima trostruko P− T− X dijagrami.
U praksi, volumetrijski P− T− X dijagrami se prave vrlo rijetko. Obično fazne transformacije u trodimenzionalne P− T− X Ana grafikone
Rice. 4.18. A- P− T− X dijagram; b- P− T− X dijagram stanja
Ga-P sistemi sa kongruentno i nekongruentno topljenim GaP spojem
zavisno od pritiska.
liziraju koristeći svoje projekcije na ravni P− T, T− X I P− X, kao i razne sekcije na konstantnim temperaturama ili pritiscima (vidi sliku 4.18, A).
Imajte na umu da kada analizirate fazne transformacije u sistemu, treba razlikovati P− T− X fazni dijagrami u kojima je pritisak disocijacije P dis9 je mali i P na faznom dijagramu - ovo je vanjski pritisak i u kojem je pritisak disocijacije visok i P- Ovo P dis. U sistemima čije komponente imaju nizak pritisak disocijacije i u kojima je maksimalna tačka topljenja smeše niža od najniže tačke ključanja (u sistemu nema visoko isparljivih komponenti), uloga gasne faze tokom faznih transformacija može se zanemariti. . Ako je pritisak disocijacije neke od komponenti visok (sistem sadrži vrlo isparljive komponente), tada se mora uzeti u obzir sastav gasne faze na temperaturama iznad i ispod likvidusa.
Pogledajmo pobliže fazne dijagrame P dis − T− X sa visokim
pritisak disocijacije (fazni dijagrami sa visoko hlapljivim komponentama). Treba napomenuti da je pažnja na njih povećana zbog povećane uloge spojeva koji sadrže hlapljive komponente u poluvodičkoj elektronici. Na primjer, ovo uključuje jedinjenja AIIIBV koja sadrže vrlo isparljive komponente fosfor i arsen, jedinjenja AIIBVI koja sadrže živu, AIVBVI koja sadrže sumpor, itd.
Sva poluprovodnička jedinjenja imaju manje ili više proširenu oblast homogenosti, odnosno sposobna su da se rastvore u sebi
9 P dis je ravnotežni pritisak za date uslove disocijacije svih faza u ravnoteži. Ako postoji jedna vrlo nestabilna komponenta u sistemu P dis je ravnotežni pritisak disocijacije visoko hlapljive komponente sistema.
bilo koja komponenta koja je iznad stehiometrijskog sastava ili treća komponenta.
Sva odstupanja od stehiometrijskog sastava utiču na električna svojstva (vidi Poglavlje 3). Stoga, da bi se reproducibilno dobili kristali koji sadrže isparljivu komponentu sa određenim svojstvima, potrebno je i reproducibilno dobiti spojeve datog sastava.
Međutim, hlapljivost jedne od komponenti spoja dovodi do odstupanja od stehiometrijskog sastava zbog stvaranja slobodnih mjesta - anionskih ili kationskih - ovisno o pritisku disocijacije čije je komponente veći, i, shodno tome, višak druga komponenta. Kao što je već diskutovano u pogl. 3, slobodna mjesta u brojnim jedinjenjima mogu stvoriti nivoe akceptora ili donora, čime utiču na fizička svojstva.
Energija formiranja slobodnih mjesta u pozicijama A i B gotovo nikad nije ista, stoga je i koncentracija anionskih i kationskih praznina također različita, a područje homogenosti spoja ispada asimetrično u odnosu na stehiometrijski sastav. Prema tome, za skoro sva jedinjenja maksimalna temperatura topljenja ne odgovara leguri stehiometrijskog sastava.10
Moguće je spriječiti promjenu sastava spoja zbog hlapljivosti ako se uzgaja iz taline ili otopine pri vanjskom pritisku isparljive komponente jednakom pritisku disocijacije na temperaturi rasta. Ovaj uslov se bira pomoću P dis − T– X dijagrami.
Pritisak disocijacije vrlo hlapljive komponente u legurama jako zavisi od njenog sastava, obično opadajući sa smanjenjem koncentracije ove komponente, kao na primer za sistem In–As (pritisak disocijacije arsena opada za skoro četiri reda veličine sa smanjenje koncentracije arsena u rasponu od 100 do 20 %). Kao rezultat toga, pritisak disocijacije hlapljive komponente u jedinjenju je mnogo manji od pritiska disocijacije nad čistom komponentom na istoj temperaturi.
Ova okolnost se koristi u dvotemperaturnoj shemi za dobivanje ovog spoja. U jednoj pećnici se stvaraju dvije temperaturne zone.
10 Ipak, za jedinjenja, posebno AIII BV, sa uskim regionom homogenosti i većinu jedinjenja, posebno AIV BVI, sa prosečnom širinom regiona homogenosti, koristi se koncept kongruentno topljenih jedinjenja, budući da su odstupanja stvarne temperature topljenja jedinjenja od temperature topljenja jedinjenja stehiometrijskog sastava su beznačajni.
Rice. 4.19. P dis − T odjeljak P dis − T− X fazni dijagrami Pb–S sistema. 1 -
trofazni vod; 2 - PS 2 čisti sumpor preko PbS+S2; 3 - PS 2 preko PbS+Pb.
Jedan ima temperaturu T 1, jednako temperaturi kristalizacije jedinjenja. Ovdje je postavljena posuda sa talinom. U drugoj zoni je postavljena čista isparljiva komponenta jedinjenja, As. Temperatura T 2 u drugoj zoni održava se na jednakoj temperaturi na kojoj je tlak disocijacije hlapljive komponente u njenom čistom obliku jednak tlaku disocijacije ove komponente u spoju na temperaturi T 1. Kao rezultat toga, u prvoj zoni, pritisak pare isparljive komponente iznad jedinjenja je jednak njegovom parcijalnom pritisku disocijacije u jedinjenju, što sprečava isparavanje ove komponente iz taline i obezbeđuje kristalizaciju jedinjenja datu kompoziciju.
Na sl. Dato je 4.19 P− T projekcija Pb–S faznog dijagrama.
Puna linija prikazuje liniju trofazne ravnoteže čvrste, tečne i gasovite faze, ograničavajući oblast stabilnosti čvrstog jedinjenja; isprekidana linija - linije izokoncentracije unutar područja homogenosti. Izokoncentracijske linije pokazuju kompozicije sa jednakim odstupanjima od stehiometrije (identične kompozicije) prema višku olova (provodljivost n-tip) ili prema višku sumpora (provodljivost str-tip), ravnoteža pri datim vrijednostima temperature i tlaka pare sumpora. Linija n= str odgovara vrijednostima temperature i pritiska PS 2, u kojoj čvrsta faza ima strogo stehiometrijski sastav. On prelazi trofaznu liniju na temperaturi koja je tačka topljenja stehiometrijskog spoja. ili prema višku sumpora (provodljivost str-tip).
Kao što se može videti sa sl. 4.19, tačka topljenja jedinjenja stehiometrijskog sastava je niža od maksimalne temperature topljenja koju ima legura sa viškom olova u poređenju sa sastavom formule. Vidljiva je oštra ovisnost sastava kristala od parcijalnog tlaka pare hlapljive komponente. U području visokih temperatura sve krive koje odgovaraju različitim sastavima približavaju se liniji n= str. Kako temperatura pada, povećava se razlika između ravnotežnih pritisaka koji odgovaraju različitim sastavima. Ovo objašnjava teškoću dobijanja legure datog sastava direktno tokom kristalizacije, koja se odvija na visokim temperaturama. Budući da su krive parcijalnog tlaka za različite sastave slične, mala slučajna odstupanja u tlaku pare hlapljive komponente mogu dovesti do primjetne promjene u sastavu čvrste faze.
Ako se nakon rasta kristal podvrgne dugotrajnom žarenju na nižim temperaturama i takvom pritisku da se linije izokoncentracije za različite sastave naglo razilaze, tada se sastav kristala može dovesti do zadane vrijednosti. Ovo se često koristi u praksi.
) — grafički prikaz stanja termodinamičkog sistema u prostoru glavnih parametara stanja - temperature T, pritisak str i sastav x.
Opis
Fazni dijagrami omogućavaju da se otkrije koje faze (tj. homogeni podsistemi koji se razlikuju po strukturi i/ili svojstvima od drugih) mogu biti prisutne u datom sistemu pod datim uslovima i sastavom. Za složene sisteme koji se sastoje od mnogih faza i komponenti, konstruisanje faznih dijagrama iz eksperimentalnih podataka i podataka termodinamičkog modeliranja je suštinski način za predviđanje ponašanja tokom različitih procesa. Analiza relativne lokacije polja, površina i linija koje ih razdvajaju, kao i spojnih tačaka potonjih omogućava nedvosmisleno i jasno određivanje uslova fazne ravnoteže, pojave novih faza i hemijskih jedinjenja u sistemu. , formiranje i razlaganje tečnih i čvrstih rastvora itd.
Fazni dijagrami se koriste u nauci o materijalima, metalurgiji, preradi nafte, hemijskoj tehnologiji (posebno u razvoju metoda za odvajanje supstanci), proizvodnji elektronske opreme i mikroelektronike, itd. Uz njihovu pomoć stvaraju se uslovi za industrijsku sintezu odabiru se supstance, određuje se smjer procesa povezanih s faznim prijelazima, odabir načina termičke obrade, traženje optimalnih faznih sastava itd.
Fazni dijagrami jednokomponentnih sistema prikazani su na ravni u koordinatama p–T. Oni sadrže polja koja odgovaraju postojanju jedne ili druge faze supstance (gasovita, tečna, različite čvrste modifikacije), odvojena linijama fazne ravnoteže, duž kojih je moguć koegzistencija susednih faza. Mesta na kojima se konvergiraju tri različite linije fazne ravnoteže formiraju takozvane trostruke tačke, u kojima tri faze mogu koegzistirati. Ovo je maksimalni broj faza koje mogu koegzistirati u ravnoteži u jednokomponentnim sistemima.
Broj faza prisutnih u datoj tački faznog dijagrama određen je Gibbsovim faznim pravilom i iznosi n + 2 – f, Gdje n- broj komponenti, odnosno onih supstanci čija se količina u sistemu može menjati nezavisno od drugih, broj 2 odgovara pritisku i temperaturi (dakle, n+ 2 je broj parametara koji definiraju stanje sistema, i f- broj stepena slobode, odnosno broj onih generalizovanih sila (pritisak, temperatura, hemijski potencijali komponenti) koje se mogu nezavisno menjati u određenim granicama bez promene ravnotežnog faznog sastava.
Na primjer, unutar polja jednokomponentnog faznog dijagrama, gdje je prisutna jedna faza, tlak i temperatura se mogu mijenjati nezavisno, a trostruka tačka je takozvana invarijantna tačka ravnoteže.
Osim toga, fazni dijagram jednokomponentnog sistema može prikazati metastabilne faze, odnosno faze koje nisu ravnotežne, ali mogu postojati u određenom rasponu parametara dugo vremena zbog kinetičke stabilnosti, kao i kritičnu tačku - a tačka na liniji ravnoteže tečnost-gas, nakon čega nestaje nagla razlika u svojstvima ovih faza, a koncept faznog prelaza gubi smisao.
Pored temperature i pritiska, mogu se uzeti u obzir i drugi parametri stanja sistema, na primer, jačina magnetnog polja ( H). Tada fazni dijagram postaje višedimenzionalan i razmatraju se, na primjer, njegovi različiti dijelovi H–T, a u pravilu faza se broj 2 mijenja u odgovarajući broj generaliziranih sila (polja).
Fazni dijagrami višekomponentnih sistema su takođe višedimenzionalni. Pogodno je proučavati njihove ravne presjeke, kao što su temperatura-sastav i tlak-sastav. Za izobarično-izotermne preseke faznih dijagrama trokomponentnih sistema, koji opisuju zavisnost faznog sastava sistema samo od njegovog sastava, koriste se takozvani Gibsovi trouglovi.
Opšti principi o kojima se govorilo također se primjenjuju na višekomponentne fazne dijagrame. Primjer izobarskog ( T–x) presjeci dvokomponentnog faznog dijagrama prikazani su na sl. Polja ovakvih dijagrama mogu odgovarati jednoj ili dvije koegzistirajuće faze, uključujući taljenje komponenti, čvrste faze čistih komponenti ili njihovih spojeva srednjeg sastava i faze čvrstih otopina.
Fazni omjer u polju koje odgovara dvije faze određen je pravilom poluge - on je obrnuto proporcionalan omjeru horizontalnih udaljenosti i linija ravnoteže faza koje ograničavaju polje, a koordinate presjeka horizontale sa ovim linijama određuju sastav komponenti koegzistirajućih faza.
Među bitnim elementima T–x presjeci dvokomponentnih dijagrama trebaju navesti liniju likvidusa, iznad koje je prisutna samo tečna faza; linija solidusa, ispod koje je prisutna samo čvrsta faza, eutektičke tačke (tačke kongruentnog topljenja), zajedničke solidusu i likvidusu (na prelomu potonjeg) i peritektičke tačke (tačke nekongruentnog topljenja, tj. topljenja sa delimičnim razlaganjem čvrste faze) na krivulji liquidus, u kojoj tečna faza i dvije čvrste faze mogu koegzistirati, kao i odgovarajuće horizontalne linije eutektičkih i peritektičkih transformacija.
Za faze koje se sastoje od čestica nano veličine, može postojati ovisnost fizičkih svojstava o veličini, pa je fazni dijagram ponekad ispunjen skalom disperzije.
Ilustracije
Autori
- Goldt Ilya Valerievich
- Ioffe Ilya Naftolievich
Izvori
- Anosov V. Ya., Pogodin S. A. Osnovni principi fizičke i hemijske analize. - M.–L.: Izdavačka kuća Akademije nauka SSSR, 1947. - 876 str.
- Hemijska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1988.
Faza je termodinamičko ravnotežno stanje supstance koje se po fizičkim svojstvima razlikuje od drugih mogućih ravnotežnih stanja iste supstance. Prijelaz tvari iz jedne faze u drugu - fazni prijelaz - uvijek je povezan s kvalitativnim promjenama svojstava tijela. Primjer faznih prijelaza su promjene u agregacijskom stanju. Ali koncept „fazne tranzicije“ je širi, jer također uključuje prijelaz tvari iz jedne modifikacije u drugu uz održavanje stanja agregacije (polimorfizam), na primjer, transformaciju dijamanta u grafit.
Postoje dvije vrste faznih prijelaza:
Fazni prijelaz 1. reda - praćen je apsorpcijom ili oslobađanjem topline, promjenom volumena i događa se pri konstantnoj temperaturi. Primjeri: topljenje, kristalizacija, isparavanje, sublimacija (sublimacija) itd.
Fazni prijelazi 2. vrste - javljaju se bez oslobađanja ili apsorpcije topline, sa zadržanim volumenom, ali s naglom promjenom toplinskog kapaciteta. Primjeri: prijelaz feromagnetnih minerala pri određenim vrijednostima tlaka i temperature u paramagnetno stanje (gvožđe, nikal); prelazak nekih metala i legura na temperaturama blizu 0 0 K u supravodljivo stanje (ρ = 0 Ohm∙m) itd.
Za hemijski homogenu supstancu, koncept faze se poklapa sa konceptom agregacionog stanja. Razmotrimo fazne transformacije za takav sistem, koristeći fazni dijagram radi jasnoće. Na njemu je u koordinatama p i T specificiran odnos između temperatura faznih prelaza i pritiska. Ove zavisnosti u obliku krivulja isparavanja (EI), topljenja (OP) i sublimacije (OS) čine fazni dijagram.
Tačka presjeka O krive određuje uslove (vrijednosti T i p) pod kojima su sva tri agregatna stanja supstance u termodinamičkoj ravnoteži.
Iz tog razloga se naziva trostruka tačka. Na primjer, trostruka tačka vode je jedna od referentnih tačaka Celzijusove temperaturne skale (0 0 C). Kao što slijedi iz Clapeyron-Clausiusove jednadžbe, priroda ovisnosti T =f(p) za prijelaz kruto-tečno (OP krivulje) može biti različita: Ako se supstanca poveća u volumenu tokom prijelaza u tečnu fazu (voda, bizmut, germanijum, liveno gvožđe...), onda je tok ove zavisnosti prikazan na sl. 2a. Za tvari koje smanjuju svoj volumen pri prelasku u tečnu fazu, ovisnost ima oblik prikazan na sl. 2b.
Kriva isparavanja završava na kritičnoj tački - TO. Kao što se vidi iz dijagrama, postoji mogućnost kontinuiranog prelaska tečnosti u gasovitu fazu bez prelaska krive isparavanja, tj. bez faznih transformacija svojstvenih takvoj tranziciji.
Pri pritisku manjem od p t.t. , supstanca može postojati samo u dvije faze: čvrstoj i plinovitoj. Štaviše, na temperaturama ispod Ttr.pt. , prijelaz iz čvrstog u plinovit je moguć bez prolaska kroz tečnu fazu. Ovaj proces se naziva sublimacija ili sublimacija. Specifična toplota sublimacije
τ sub = λ pl +r upotreba
ČVRSTE.
Čvrsta supstanca, stanje agregacije supstance, koje karakteriše prisustvo značajnih sila međumolekulske interakcije, stabilnost oblika i zapremine. Toplotno kretanje čestica čvrstog tijela predstavlja oscilacije male amplitude oko ravnotežnih položaja. Postoje kristalne i amorfne strukture čvrstih materija.
Karakteristična karakteristika mikrostrukture kristala je prostorna periodičnost njihovih unutrašnjih električnih polja i ponovljivost u rasporedu čestica koje formiraju kristale - atoma, jona i molekula (daljnjeg reda). Čestice se izmjenjuju određenim redoslijedom duž pravih linija, koje se nazivaju nodalne linije. U bilo kojem ravnom presjeku kristala, dva sistema takvih linija koja se sekuju formiraju skup potpuno identičnih paralelograma koji čvrsto, bez praznina, pokrivaju ravninu presjeka. U prostoru, presek tri nekoplanarna sistema takvih linija formira prostornu mrežu koja deli kristal na skup potpuno identičnih paralelepipeda. Točke preseka linija koje formiraju kristalnu rešetku nazivaju se čvorovi. Udaljenosti između čvorova duž određenog smjera nazivaju se translacijama ili periodima rešetke. Paralelepiped izgrađen na tri nekoplanarne translacije naziva se jedinična ćelija ili paralelepiped ponovljivosti rešetke. Najvažnije geometrijsko svojstvo kristalnih rešetki je simetrija u rasporedu čestica u odnosu na određene pravce i ravni. Iz tog razloga, iako postoji nekoliko načina za odabir jedinične ćelije za datu kristalnu strukturu, ona se bira tako da odgovara simetriji rešetke.
Postoje dva kriterijuma po kojima se kristali klasifikuju: a) kristalografski - prema geometriji kristalne rešetke i b) fizički - prema prirodi interakcije čestica koje se nalaze na čvorovima kristalne rešetke i njihovoj prirodi.
Geometrija kristalnih rešetki i njihovih jediničnih ćelija određena je brojem elemenata simetrije koji se koriste za konstruiranje date rešetke. Broj mogućih tipova simetrije je ograničen. Ruski kristalograf E.S. Fedorov (1853 - 1919) je pokazao da postoji samo 230 mogućih kombinacija elemenata simetrije, koji kroz paralelnu translaciju, refleksiju i rotaciju daju gustu, tj. pakovanje elementarnih ćelija u prostoru bez praznina i pukotina. Bravais je pokazao da postoji samo 14 tipova rešetki, koje se razlikuju po vrsti prenosne simetrije. Postoje primitivne (jednostavne), bazično-centrirane, tijelo-centrirane i Bravaisove rešetke usmjerene na lice. Prema obliku ćelije, u zavisnosti od uglova između njenih strana α, β i γ i odnosa između dužina ivica a, b I With ovih 14 tipova rešetki formira sedam kristalnih sistema (sistema): kubni, heksagonalni, tetragonalni, trigonalni ili romboedarski, ortorombni, monoklinski i trigonalni.
Prema prirodi interakcije čestica koje se nalaze na čvorovima kristalne rešetke i njihovoj prirodi, kristali se dijele na četiri tipa: ionske, atomske, metalne i molekularne.
Jonski – joni suprotnih predznaka nalaze se na čvorovima kristalne rešetke; interakcija je posljedica elektrostatičkih sila privlačenja (jonska ili heteropolarna veza).
Atomski - neutralni atomi nalaze se na čvorovima kristalne rešetke, drže se na čvorovima homeopolarnim ili kovalentnim vezama.
Metalik – pozitivni ioni metala nalaze se na čvorovima kristalne rešetke; slobodni elektroni formiraju takozvani elektronski gas, koji obezbeđuje vezu jona.
Molekularno - neutralni molekuli nalaze se na čvorovima kristalne rešetke, među kojima su sile interakcije uzrokovane blagim pomakom elektronskog oblaka atoma (polarizacijske ili van der Waalsove sile).
Kristalne čvrste tvari mogu se podijeliti u dvije grupe: monokristali i polikristali. Za monokristale, jednokristalna rešetka se opaža u cijelom tijelu. I iako vanjski oblik monokristala istog tipa može biti različit, uglovi između odgovarajućih lica uvijek će biti isti. Karakteristična karakteristika monokristala je anizotropija mehaničkih, termičkih, električnih, optičkih i drugih svojstava.
Monokristali se često nalaze u svom prirodnom stanju u prirodi. Na primjer, većina minerala su kristali, smaragdi, rubini. Trenutno, za potrebe proizvodnje, mnogi monokristali se uzgajaju umjetno iz otopina i talina - rubini, germanij, silicijum, galij arsenid.
Isti hemijski element može formirati nekoliko kristalnih struktura koje se razlikuju po geometriji. Ovaj fenomen se naziva polimorfizam. Na primjer, ugljik - grafit i dijamant; ice pet modifikacija itd.
Ispravna vanjska faseta i anizotropija svojstava se po pravilu ne pojavljuju za kristalna tijela. To je zato što se kristalne čvrste tvari obično sastoje od mnogo nasumično orijentiranih malih kristala. Takve čvrste materije se nazivaju polikristalne. To je zbog mehanizma kristalizacije: kada se ostvare uslovi neophodni za ovaj proces, centri kristalizacije se istovremeno pojavljuju na mnogim mjestima u početnoj fazi. Nastali kristali su locirani i orijentisani jedan prema drugom potpuno haotično. Iz tog razloga, na kraju procesa dobijamo čvrstu supstancu u obliku konglomerata spojenih malih kristala - kristalita.
DEFEKTI U KRISTALIMA.
Pravi kristali imaju niz kršenja idealne strukture, koja se nazivaju kristalni defekti:
a) tačkasti nedostaci
Schottkyjevi defekti (jedinice koje nisu zauzete česticama);
Frenkelovi defekti (premještanje čestica od čvorova do internodija);
nečistoće (uneseni strani atomi);
b) linearno - ivične dislokacije i zavojne lokalne smetnje u pravilnosti rasporeda čestica, zbog nepotpunosti pojedinih atomskih ravni, ili u redoslijedu njihove konstrukcije;
c) planarni – granice između ogledala, redovi linearnih dislokacija.
AMORPNE ČVRSTE.
Amorfne čvrste materije, u mnogim svojim svojstvima i uglavnom u svojoj mikrostrukturi, treba smatrati visoko prehlađenim tečnostima sa veoma visokim koeficijentom viskoznosti. Sa energetske tačke gledišta, razlika između kristalnih i amorfnih čvrstih materija jasno je vidljiva u procesu skrućivanja i topljenja. Kristalna tijela imaju tačku topljenja - temperaturu kada supstanca postoji stabilno u dvije faze - čvrstoj i tečnoj (slika 1). Prelazak čvrstog molekula u tečnost znači da on dobija dodatna tri stepena slobode translacionog kretanja. To. jedinica mase tvari na T pl. u tečnoj fazi ima veću unutrašnju energiju od iste mase u čvrstoj fazi. Osim toga, razmak između čestica se mijenja. Prema tome, općenito, količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase kristala u tekućinu bit će:
λ = (U f -U k) + P (V f -V k),
gdje je λ specifična toplina topljenja (kristalizacije), (U l -U k) je razlika u unutrašnjim energijama tekuće i kristalne faze, P je vanjski tlak, (V l -V k) je razlika u specifičnim tomovi. Prema Clausius-Clausiusovoj jednadžbi, temperatura topljenja zavisi od pritiska:
.
Može se vidjeti da ako je (V f -V k)> 0, onda 
> 0, tj. Kako pritisak raste, temperatura topljenja se povećava. Ako se zapremina supstance smanji tokom topljenja (V f -V k)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Amorfna tela nemaju toplotu fuzije. Zagrijavanje dovodi do postepenog povećanja brzine toplinskog kretanja i smanjenja viskoznosti. Na grafu procesa postoji tačka pregiba, koja se konvencionalno naziva temperatura omekšavanja.
