(1. Κανόνας φάσης. 2. Έννοιες διαγραμμάτων φάσεων ισορροπίας. 3. Κανόνας τμημάτων. 4. Διάγραμμα κατάστασηςIIIπερίπου)
1. Κανόνας φάσης
Όταν η θερμοκρασία ή η συγκέντρωση των συστατικών αλλάζει, το σύστημα (κράμα) μπορεί να βρίσκεται σε διαφορετικές καταστάσεις. Στη διαδικασία μετάβασης από τη μια κατάσταση στην άλλη, συμβαίνουν μετασχηματισμοί φάσης - εμφανίζονται νέες φάσεις ή εξαφανίζονται οι υπάρχουσες φάσεις.
Η δυνατότητα αλλαγής της κατάστασης του συστήματος, δηλαδή ο αριθμός και η χημική σύνθεση των φάσεων, καθορίζεται από τη μεταβλητότητά του - αριθμός βαθμών ελευθερίας.
Ορισμός. Ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας ενός συστήματος είναι ο αριθμός των εξωτερικών (θερμοκρασία, πίεση) και των εσωτερικών παραγόντων (συγκέντρωση) που μπορούν να μεταβληθούν χωρίς να αλλάξει ο αριθμός των φάσεων του συστήματος.
εξίσωση κανόνα φάσης ( Νόμος Γκιμπς) για ένα σύστημα σε σταθερή πίεση που σχηματίζεται από πολλά εξαρτήματα έχει τη μορφή
C = K – Ф + 1, (3.1)
όπου C είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας (μεταβλητότητα συστήματος). K – αριθμός εξαρτημάτων. Ф – αριθμός φάσεων.
Εφόσον ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας είναι πάντα μεγαλύτερος ή ίσος με το μηδέν, δηλ. Με 0, τότε η συνθήκη ικανοποιείται μεταξύ του αριθμού των συνιστωσών και των φάσεων
F K + 1, (3.2)
καθορίζοντας τον μέγιστο δυνατό αριθμό φάσεων ισορροπίας σε κράματα.
2. Έννοιες σχετικά με τα διαγράμματα φάσεων ισορροπίας
Διαγράμματα φάσεων ισορροπίας ( διαγράμματα κατάστασης) χρησιμοποιούνται στη μελέτη της δομής των κραμάτων, στην επιλογή των τρόπων θερμικής επεξεργασίας τους κ.λπ.
Ένα διάγραμμα φάσης ισορροπίας δείχνει ποιες φάσεις υπάρχουν υπό δεδομένες συνθήκες (συγκέντρωση συστατικών και θερμοκρασία) υπό συνθήκες ισορροπίας. Από το διάγραμμα, μπορείτε να προσδιορίσετε την κατάσταση συσσωμάτωσης, την ποσότητα και τη χημική σύνθεση των φάσεων, καθώς και τη δομική-φασική κατάσταση του κράματος ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση των συστατικών που το σχηματίζουν.
Το διάγραμμα φάσης της ισορροπίας είναι ένα «γράφημα», στον άξονα της τετμημένης του οποίου απεικονίζεται η συγκέντρωση των συστατικών (η συνολική περιεκτικότητα των συστατικών σε οποιοδήποτε κράμα είναι 100%) και στον άξονα τεταγμένων είναι η θερμοκρασία. Τα ακραία σημεία (αριστερά και δεξιά) στον άξονα x του διαγράμματος αντιστοιχούν σε καθαρά στοιχεία. Οποιοδήποτε άλλο σημείο σε αυτόν τον άξονα αντιστοιχεί σε μια ορισμένη συγκέντρωση συστατικών κράματος.
Για παράδειγμα, για ένα κράμα δύο συστατικών (Εικ. 3.1) το σημείο ΕΝΑαντιστοιχεί σε καθαρό, δηλ. που περιέχει 100% συστατικό Α, σημείο ΣΕ– καθαρό συστατικό Β, σημείο Γ – κράμα που περιέχει 75% Α και 25% Β, σημείο ρε – ένα κράμα που περιέχει 75% Β και 25% Α. Ο άξονας συγκέντρωσης υποδεικνύει την αλλαγή στην περιεκτικότητα ενός από τα συστατικά (στο Σχ. 3.1 - συστατικό Β).
Ρύζι. 3.1 – Συντεταγμένες του διαγράμματος φάσης ισορροπίας
Για την κατασκευή διαγραμμάτων φάσης, μελετώνται κράματα διαφόρων συνθέσεων σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η παραδοσιακή μέθοδος κατασκευής διαγραμμάτων είναι η μέθοδος της θερμικής ανάλυσης, η οποία επιτρέπει σε κάποιον να αποκτήσει καμπύλες ψύξης κραμάτων στις συντεταγμένες "θερμοκρασία - χρόνος" - καμπύλες ψύξης(κράματα).
Τα κράματα ψύχονται με πολύ χαμηλό ρυθμό, δηλ. υπό συνθήκες κοντά στην ισορροπία.
Η κατασκευή των διαγραμμάτων ψύξης πραγματοποιείται με την ακόλουθη σειρά:
στις συντεταγμένες «θερμοκρασία – συγκέντρωση», σχεδιάζονται κάθετες γραμμές που αντιστοιχούν στα κράματα των μελετημένων συνθέσεων (όσο μικρότερο είναι το βήμα συγκέντρωσης, τόσο πιο ακριβές είναι το διάγραμμα).
Για αυτά τα κράματα κατασκευάζονται καμπύλες ψύξης.
Στις κάθετες γραμμές, οι τελείες υποδεικνύουν τη θερμοκρασία στην οποία αλλάζει η θερμοκρασία. κατάσταση συνάθροισηςή δομήκράματα?
σημεία πανομοιότυπων μετασχηματισμών διαφορετικών κραμάτων συνδέονται με γραμμές που περιορίζουν τις περιοχές πανομοιότυπων καταστάσεων του συστήματος.
Τέτοιες κατασκευές πραγματοποιήσαμε στην εργαστηριακή εργασία Νο. 1 κατά την κατασκευή του διαγράμματος φάσης "ψευδάργυρος - κασσίτερος" ("Zn – Sn»).
Ο τύπος του διαγράμματος εξαρτάται από το πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους τα συστατικά σε στερεή και υγρή κατάσταση.
Τα απλούστερα διαγράμματα είναι δυαδικά (διπλή ή δύο συστατικών) συστήματα ( συστήματα πολλαπλών συστατικών μπορούν να μειωθούν σε αυτά με σταθερές τιμές «περιττών» στοιχείων), οι κύριοι τύποι των οποίων περιλαμβάνουν διαγράμματα φάσεων για κράματα, τα οποία είναι Στερεάς κατάστασης(σε κανονική θερμοκρασία):
α) μηχανικά μείγματα καθαρών συστατικών (τύπου Ι).
β) κράματα με απεριόριστη διαλυτότητα συστατικών (τύπου II).
γ) κράματα με περιορισμένη διαλυτότητα συστατικών (τύπος III).
δ) κράματα με σχηματισμό χημικής ένωσης (IV είδος).
Στη διάλεξη, θα εξετάσουμε την κατασκευή διαγραμμάτων φάσης ισορροπίας χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός διαγράμματος φάσης τρίτου είδους - ένα κράμα με περιορισμένη διαλυτότητα συστατικών (άλλοι τύποι διαγραμμάτων συζητούνται σε εργαστηριακές εργασίες).
Αλλά πρώτα, ας συζητήσουμε τι είναι σημαντικό για την ανάλυση τέτοιων διαγραμμάτων: κανόνα τμήματος(μοχλός).
Εισαγωγή
1. Τύποι διαγραμμάτων φάσεων
2. Συστήματα σπουδαιότητας στη μικροηλεκτρονική
3. Διαλυτότητα στερεού
4. Μεταβάσεις φάσεων
Βιβλιογραφία
Εισαγωγή
Τα διαγράμματα φάσεων αποτελούν αναπόσπαστο μέρος κάθε συζήτησης για τις ιδιότητες των υλικών όταν μιλάμε για την αλληλεπίδραση διαφορετικών υλικών. Τα διαγράμματα φάσεων είναι ιδιαίτερα σημαντικά στη μικροηλεκτρονική, επειδή Για την κατασκευή ηλεκτροδίων και στρώσεων παθητικοποίησης, πρέπει να χρησιμοποιείται μεγάλη γκάμα διαφορετικών υλικών. Στην παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το πυρίτιο βρίσκεται σε στενή επαφή με διάφορα μέταλλα· θα δώσουμε ιδιαίτερη προσοχή σε εκείνα τα διαγράμματα φάσεων στα οποία το πυρίτιο εμφανίζεται ως ένα από τα συστατικά.
Αυτή η περίληψη συζητά ποιοι τύποι διαγραμμάτων φάσης υπάρχουν, την έννοια της μετάβασης φάσης, τη διαλυτότητα σε στερεά και τα πιο σημαντικά συστήματα ουσιών για τη μικροηλεκτρονική.
1. Τύποι διαγραμμάτων φάσεων
Τα μονοφασικά διαγράμματα φάσης είναι γραφήματα στα οποία, ανάλογα με την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία, απεικονίζεται η κατάσταση φάσης μόνο ενός υλικού. Συνήθως δεν συνηθίζεται να σχεδιάζετε ένα τρισδιάστατο γράφημα σε ένα δισδιάστατο επίπεδο - απεικονίζουν την προβολή του στο επίπεδο θερμοκρασίας-πίεσης. Ένα παράδειγμα μονοφασικού διαγράμματος κατάστασης δίνεται στο Σχ. 1.
Ρύζι. 1. Διάγραμμα μονοφασικής κατάστασης
Το διάγραμμα οριοθετεί ξεκάθαρα τις περιοχές στις οποίες το υλικό μπορεί να υπάρχει μόνο σε μία κατάσταση φάσης - ως στερεό, υγρό ή αέριο. Κατά μήκος των οριοθετημένων γραμμών, μια ουσία μπορεί να έχει δύο καταστάσεις φάσης (δύο φάσεις) που βρίσκονται μεταξύ τους. Γίνεται οποιοσδήποτε από τους συνδυασμούς: στερεό - υγρό, στερεό - ατμός, υγρό - ατμός. Στο σημείο που τέμνονται οι γραμμές του διαγράμματος, το λεγόμενο τριπλό σημείο, μπορούν να υπάρχουν και οι τρεις φάσεις ταυτόχρονα. Επιπλέον, αυτό είναι δυνατό σε μία μόνο θερμοκρασία, επομένως το τριπλό σημείο χρησιμεύει ως καλό σημείο αναφοράς για τις θερμοκρασίες. Τυπικά, το σημείο αναφοράς είναι το τριπλό σημείο του νερού (για παράδειγμα, σε μετρήσεις ακριβείας με χρήση θερμοστοιχείων, όπου η διασταύρωση αναφοράς είναι σε επαφή με το σύστημα πάγου-νερού-ατμού).
Ένα δυαδικό διάγραμμα φάσης (διάγραμμα φάσης δυαδικού συστήματος) αντιπροσωπεύει την κατάσταση ενός συστήματος με δύο στοιχεία. Σε τέτοια διαγράμματα, η θερμοκρασία απεικονίζεται κατά μήκος του άξονα τεταγμένων και το ποσοστό των συστατικών του μείγματος απεικονίζεται κατά μήκος του άξονα της τετμημένης (συνήθως αυτό είναι είτε ένα ποσοστό της συνολικής μάζας (β. %), είτε ένα ποσοστό του συνόλου αριθμός ατόμων (σε %). Η πίεση συνήθως θεωρείται ότι είναι 1 atm. Εάν ληφθούν υπόψη υγρές και στερεές φάσεις, οι μετρήσεις όγκου παραμελούνται. Στο Σχ. 2. δείχνει ένα τυπικό διάγραμμα φάσης δύο φάσεων για τα συστατικά Α και Β χρησιμοποιώντας βάρος ή ατομικό ποσοστό.
Ρύζι. 2. Διάγραμμα κατάστασης δύο φάσεων
Το γράμμα υποδηλώνει μια φάση της ουσίας Α με μια διαλυμένη ουσία Β, το σημαίνει μια φάση της ουσίας Β με μια διαλυμένη ουσία Α και το + σημαίνει ένα μείγμα αυτών των φάσεων. Το γράμμα (από το υγρό) σημαίνει την υγρή φάση και τα L+ και L+ σημαίνουν την υγρή φάση συν τη φάση ή, αντίστοιχα. Οι γραμμές που χωρίζουν τις φάσεις, δηλαδή οι γραμμές στις οποίες μπορούν να υπάρχουν διαφορετικές φάσεις μιας ουσίας, έχουν τα ακόλουθα ονόματα: solidus - μια γραμμή στην οποία οι φάσεις ή υπάρχουν ταυτόχρονα με τις φάσεις L+ και L+, αντίστοιχα. Το solvus είναι μια γραμμή στην οποία συνυπάρχουν ταυτόχρονα οι φάσεις και + ή και + και το liquidus είναι μια γραμμή στην οποία συνυπάρχουν η φάση L και η φάση L+ ή L+.
Το σημείο όπου τέμνονται δύο γραμμές liquidus είναι συχνά το σημείο του χαμηλότερου σημείου τήξης για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς των ουσιών Α και Β και ονομάζεται ευτηκτικό σημείο. Ένα μείγμα με αναλογία συστατικών στο ευτηκτικό σημείο ονομάζεται ευτηκτικό μείγμα (ή απλά ευτηκτική).
Ας εξετάσουμε πώς ένα μείγμα μεταβαίνει από μια υγρή κατάσταση (τήγμα) σε μια στερεή κατάσταση και πώς το διάγραμμα φάσεων βοηθά στην πρόβλεψη της σύνθεσης ισορροπίας όλων των φάσεων που υπάρχουν σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Ας στραφούμε στο Σχ. 3.
Ρύζι. 3. Διάγραμμα φάσης δύο φάσεων που δείχνει διαδικασίες στερεοποίησης
Ας υποθέσουμε ότι αρχικά το μείγμα είχε τη σύσταση C M στη θερμοκρασία T 1 , σε θερμοκρασίες από T 1 έως T 2 υπάρχει υγρή φάση και σε θερμοκρασία T 2 φάσεις L και υπάρχουν ταυτόχρονα. Η σύνθεση της παρούσας φάσης L είναι C M, η σύνθεση της φάσης είναι C 1. Με περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας στο T 3, η σύσταση του υγρού αλλάζει κατά μήκος της καμπύλης liquidus και η σύνθεση της φάσης αλλάζει κατά μήκος της καμπύλης solidus έως ότου τέμνεται με την ισόθερμη (οριζόντια γραμμή) T 3. Τώρα η σύνθεση της φάσης L είναι C L και η σύνθεση της φάσης είναι C 2. Πρέπει να σημειωθεί ότι όχι μόνο η ουσία που έχει περάσει στη φάση στη θερμοκρασία T 3 πρέπει να έχει τη σύνθεση C 2, αλλά και όλη η ουσία που έχει περάσει στη φάση σε υψηλότερη θερμοκρασία πρέπει να έχει τη σύνθεση C 2. Αυτή η εξίσωση των συνθέσεων πρέπει να συμβεί με διάχυση σε στερεά κατάσταση του συστατικού Α στην υπάρχουσα φάση , έτσι ώστε μέχρι να επιτευχθεί η θερμοκρασία T 3, όλη η ουσία στη φάση θα έχει τη σύνθεση C 2. Μια περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας μας φέρνει στο ευτηκτικό σημείο. Σε αυτό, οι φάσεις και υπάρχουν ταυτόχρονα με την υγρή φάση. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες υπάρχουν μόνο οι φάσεις και . Σχηματίζεται ένα μείγμα φάσεων και της σύνθεσης C E με συσσωματώματα με αρχική σύνθεση C 3. Στη συνέχεια, διατηρώντας αυτό το μείγμα για μεγάλο χρονικό διάστημα σε θερμοκρασία κάτω από την ευτηκτική, μπορεί να ληφθεί ένα στερεό. Το προκύπτον στερεό θα αποτελείται από δύο φάσεις. Η σύνθεση κάθε φάσης μπορεί να προσδιοριστεί στο σημείο τομής της ισόθερμης με την αντίστοιχη γραμμή solvus.
Μόλις δείχθηκε πώς προσδιορίζεται η σύνθεση καθεμιάς από τις παρούσες φάσεις. Τώρα εξετάστε το πρόβλημα του προσδιορισμού της ποσότητας της ουσίας σε κάθε φάση. Για αποφυγή σύγχυσης στο Σχ. 4. Εμφανίζεται ξανά ένα απλό διάγραμμα δύο φάσεων. Ας υποθέσουμε ότι στη θερμοκρασία T 1 η σύσταση του τήγματος είναι C M (σημαίνει συστατικό Β), τότε στο T 2 η φάση L έχει τη σύσταση C L , και η φάση θα έχει τη σύνθεση C s . Έστω M L η μάζα της ουσίας σε στερεή κατάσταση και M S η μάζα της ουσίας σε στερεή κατάσταση. Η συνθήκη διατήρησης της συνολικής μάζας οδηγεί στην ακόλουθη εξίσωση
(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .
Ρύζι. 4. Κανόνας επιπέδου
Αντανακλά το γεγονός ότι η συνολική μάζα μιας ουσίας στη θερμοκρασία Τ1, πολλαπλασιαζόμενη με το ποσοστό Β, είναι η συνολική μάζα της ουσίας Β. Είναι ίσο με το άθροισμα των μαζών της ουσίας Β που υπάρχουν στην υγρή και τη στερεά φάση σε θερμοκρασία Τ2. Λύνοντας αυτήν την εξίσωση, παίρνουμε
. (1)
Αυτή η έκφραση είναι γνωστή ως "κανόνας επιπέδου". Χρησιμοποιώντας αυτόν τον κανόνα, γνωρίζοντας την αρχική σύνθεση του τήγματος και τη συνολική του μάζα, είναι δυνατό να προσδιοριστούν οι μάζες και των δύο φάσεων και η ποσότητα της ουσίας Β σε οποιαδήποτε φάση για οποιοδήποτε τμήμα του διαγράμματος δύο φάσεων. Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο μπορούμε να υπολογίσουμε
Στο Σχ. 5. Δίνεται ένα άλλο παράδειγμα στερεοποίησης τήγματος. Μια μείωση της θερμοκρασίας από T 1 σε T 2 οδηγεί σε ανάμειξη των φάσεων L και με τη σύνθεση C M και C , αντίστοιχα. Καθώς συμβαίνει περαιτέρω ψύξη, η σύνθεση L αλλάζει κατά μήκος του υγρού και η σύνθεση αλλάζει κατά μήκος του στερεού, όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Όταν επιτευχθεί η θερμοκρασία T 3, η σύνθεση θα γίνει ίση με C M και, όπως προκύπτει από τον κανόνα στάθμης, σε θερμοκρασία χαμηλότερη από T 3, η υγρή φάση δεν μπορεί να υπάρξει. Σε θερμοκρασίες κάτω από την Τ4, οι φάσεις και υπάρχουν ως συσσωματώματα των φάσεων και . Για παράδειγμα, στη θερμοκρασία T5, τα συσσωματώματα φάσης θα έχουν μια σύνθεση που καθορίζεται από την τομή της ισόθερμης Τ5 και του διαλύματος . Η σύσταση καθορίζεται με παρόμοιο τρόπο - από την τομή της ισόθερμης και του διαλύματος .
Ρύζι. 5. Διάγραμμα δύο φάσεων και διεργασία στερεοποίησης ποσότητα της ουσίας Α που υπάρχει σε οποιαδήποτε από τις φάσεις
Οι περιοχές του διαγράμματος δύο φάσεων, που εξακολουθούν να ονομάζονται και , είναι περιοχές στερεάς διαλυτότητας: στην περιοχή διαλύονται τα Α και Β. Η μέγιστη ποσότητα Α που μπορεί να διαλυθεί στο Β σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από θερμοκρασία. Σε ευτηκτική ή υψηλότερες θερμοκρασίες, μπορεί να πραγματοποιηθεί ταχεία σύντηξη του Α και του Β. Εάν το κράμα που προκύπτει ψύχεται απότομα, τότε τα άτομα του Α μπορούν να «παγιδευτούν» στο πλέγμα του Β. Αν όμως η διαλυτότητα του στερεού σε θερμοκρασία δωματίου είναι πολύ χαμηλότερο (αυτό υποδηλώνει ότι σε αυτή τη θερμοκρασία η προσέγγιση που εξετάζουμε δεν είναι πολύ κατάλληλη), τότε μπορεί να προκύψουν ισχυρές τάσεις στο κράμα, επηρεάζοντας σημαντικά τις ιδιότητές του (παρουσία σημαντικών τάσεων, προκύπτουν υπερκορεσμένα στερεά διαλύματα και το σύστημα δεν βρίσκεται σε μια κατάσταση ισορροπίας και το διάγραμμα παρέχει πληροφορίες μόνο για τις καταστάσεις ισορροπίας ). Μερικές φορές, ένα τέτοιο αποτέλεσμα είναι επιθυμητό, για παράδειγμα, κατά την ενίσχυση του χάλυβα με σβήσιμο για την παραγωγή μαρτενσίτη. Αλλά στη μικροηλεκτρονική το αποτέλεσμά της θα είναι καταστροφικό. Επομένως, το ντόπινγκ, δηλαδή η προσθήκη προσθέτων στο πυρίτιο πριν από τη διάχυση, πραγματοποιείται σε υψηλές θερμοκρασίες με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται η ζημιά στην επιφάνεια λόγω υπερβολικής κραματοποίησης. Εάν η ποσότητα της ακαθαρσίας ντόπινγκ στο υπόστρωμα είναι μεγαλύτερη από το όριο διαλυτότητας του στερεού σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, τότε εμφανίζεται μια δεύτερη φάση και η σχετική παραμόρφωση.
2. Συστήματα ουσιών που είναι σημαντικά στη μικροηλεκτρονική
Υπάρχει μια σειρά από υλικά που είναι πλήρως διαλυτά μεταξύ τους. Ένα παράδειγμα είναι ένα σύστημα δύο ουσιών που είναι σημαντικές για τη μικροηλεκτρονική, όπως το πυρίτιο και το γερμάνιο. Το σύστημα πυριτίου – γερμανίου φαίνεται στο Σχ. 6.
Ρύζι. 6. Σύστημα πυριτίου – γερμανίου
Το διάγραμμα δεν έχει ευτηκτικό σημείο. Ένα τέτοιο διάγραμμα ονομάζεται ισομορφικό. Για να είναι δύο στοιχεία ισόμορφα, πρέπει να υπακούουν στους κανόνες Hume–Rothery, δηλ. έχουν διαφορά στις τιμές των ατομικών ακτίνων όχι μεγαλύτερη από 15%, την ίδια πιθανότητα, το ίδιο κρυσταλλικό πλέγμα και, επιπλέον, περίπου την ίδια ηλεκτραρνητικότητα (η ηλεκτραρνητικότητα ενός ατόμου είναι η εγγενής ικανότητά του να προσελκύει ή να συλλαμβάνει επιπλέον ηλεκτρόνια σε ομοιοπολικούς δεσμούς). Τα συστήματα Cu – Ni, Au – Pt και Ag – Pd είναι επίσης ισόμορφα.
Το σύστημα Pb–Sn παρέχει ένα καλό παράδειγμα απλού δυαδικού συστήματος με σημαντική, αν και περιορισμένη, διαλυτότητα σε στερεά. Το διάγραμμα φάσεων των καταστάσεων αυτού του συστήματος φαίνεται στο Σχ. 7. Το σημείο τομής του στερεού και του solvus ονομάζεται οριακή διαλυτότητα· η τιμή της οριακής διαλυτότητας τόσο του κασσίτερου στον μόλυβδο όσο και του μολύβδου στον κασσίτερο θα είναι μεγάλη. Αυτό το σύστημα είναι σημαντικό για τη μικροηλεκτρονική λόγω της ευρείας χρήσης συγκολλήσεων από κασσίτερο-μόλυβδο. Το διφασικό διάγραμμα αυτού του συστήματος δείχνει πώς η αλλαγή της σύνθεσης του κράματος αλλάζει το σημείο τήξης του. Όταν η κατασκευή ενός μικροκυκλώματος απαιτεί πολλές διαδοχικές συγκολλήσεις, χρησιμοποιείται συγκόλληση με χαμηλότερο σημείο τήξης για κάθε επόμενη συγκόλληση. Αυτό γίνεται για να μην διαρρεύσουν οι κολλήσεις που έγιναν νωρίτερα.
Ρύζι. 7. Διάγραμμα φάσεων καταστάσεων του συστήματος μολύβδου – κασσίτερου
Για την παραγωγή μικροκυκλωμάτων, οι ιδιότητες του συστήματος Au – Si είναι επίσης σημαντικές, καθώς η ευτηκτική θερμοκρασία αυτού του συστήματος είναι εξαιρετικά χαμηλή σε σύγκριση με τις θερμοκρασίες τήξης καθαρού χρυσού ή καθαρού πυριτίου (Εικόνα 9). Οι διαλυτότητες του χρυσού σε πυρίτιο και του πυριτίου σε χρυσό είναι πολύ μικρές για να εμφανιστούν σε ένα συμβατικό διάγραμμα φάσεων. Λόγω της χαμηλής ευτηκτικής θερμοκρασίας, είναι πλεονεκτικό να τοποθετούνται μήτρες τσιπ σε χρυσά υποστρώματα, συγκρατήσεις ή σανίδες με χρυσά επιθέματα επαφής, χρησιμοποιώντας την ευτηκτική αντίδραση Au-Si ως τον κύριο μηχανισμό συγκόλλησης (ή συγκόλλησης). Ο χρυσός που περιέχει αρκετά τοις εκατό γερμάνιο χρησιμοποιείται επίσης για τη συγκόλληση κρυστάλλων πυριτίου.
Οι συνδυασμοί στοιχείων που σχηματίζουν χημικές ενώσεις έχουν πιο πολύπλοκα διαγράμματα φάσεων. Μπορούν να αναλυθούν σε δύο (ή περισσότερα) πιο απλά διαγράμματα, καθένα από τα οποία αναφέρεται σε ένα συγκεκριμένο ζεύγος συνδέσεων ή συνδέσεων και στοιχείων. Για παράδειγμα, το AuAl 2 σχηματίζεται με συνδυασμό χρυσού 33% (ατομικό ποσοστό) με αλουμίνιο σε θερμοκρασία μικρότερη από 1060 o (Εικ. 2.10). Στα αριστερά αυτής της γραμμής συνυπάρχουν το AuAl 2 και η φάση καθαρού αλουμινίου. Ενώσεις όπως το AuAl 2 ονομάζονται διαμεταλλικές και σχηματίζονται στην κατάλληλη στοιχειομετρική αναλογία δύο στοιχείων. Οι διαμεταλλικές ενώσεις χαρακτηρίζονται από υψηλό σημείο τήξης, σύνθετη κρυσταλλική δομή και, επιπλέον, είναι σκληρές και εύθραυστες.
Το διάγραμμα φάσης Au – Al μπορεί να χωριστεί σε δύο ή περισσότερα διαγράμματα, για παράδειγμα στο διάγραμμα Al – AuAl 2 και στο διάγραμμα AuAl 2 – Au.
Ρύζι. 8. Σύστημα αλουμινίου – πυριτίου
Διάγραμμα του συστήματος Au – Al που φαίνεται στο Σχ. Το 2.10 είναι εξαιρετικά σημαντικό στη μικροηλεκτρονική, καθώς τα χρυσά σύρματα συνδέονται συνήθως με ένα στρώμα επιμετάλλωσης αλουμινίου που βρίσκεται στην κορυφή του πυριτίου. Πολλές σημαντικές διαμεταλλικές ενώσεις παρατίθενται εδώ: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 και Au 4 Al. Όλα αυτά μπορούν να υπάρχουν σε αγωγούς δεσμού Au–Al.
Ρύζι. 9. Σύστημα χρυσού-πυριτίου
Ρύζι. 10. Σύστημα χρυσού – αλουμινίου
3. Διαλυτότητα στερεού
Η οριακή διαλυτότητα των περισσότερων προσμείξεων στο πυρίτιο είναι εξαιρετικά χαμηλή και στην πραγματικότητα δεν είναι η μέγιστη διαλυτότητα. Στο Σχ. Το σχήμα 11 δείχνει μια τυπική καμπύλη solidus για μια πρόσμειξη χωρίς πυρίτιο. Σημειώστε ότι η διαλυτότητα αυξάνεται με τη θερμοκρασία μέχρι μια ορισμένη τιμή και στη συνέχεια μειώνεται στο μηδέν στο σημείο τήξης του πυριτίου. Αυτή η καμπύλη ονομάζεται ανάδρομη καμπύλη διαλυτότητας. Μια εκλεπτυσμένη έκδοση αυτού του διαγράμματος κοντά στο σημείο τήξης του πυριτίου φαίνεται στο Σχ. 12.
Ρύζι. 11 Ανάδρομη διαλυτότητα πυριτίου
Ρύζι. 12 Τυπικό διάγραμμα φάσης πυριτίου
Εάν η σύνθεση του τήγματος πυριτίου είναι ίση με C M ως ποσοστό της μάζας της διαλυμένης ουσίας, τότε το πυρίτιο θα στερεοποιηθεί με περιεκτικότητα σε διαλυμένη ουσία kC M , όπου k είναι ο συντελεστής διαχωρισμού (k=C S /C L). Όταν η συγκέντρωση στο στερεό φτάσει την τιμή C M κατά την κατάψυξη, η συγκέντρωση στο υγρό διάλυμα θα είναι ίση με C M/k, αφού η αναλογία των συγκεντρώσεων στο υγρό και το στερεό ράστερ πρέπει να είναι ίση με k. Η κλίση της γραμμής Solidus είναι επομένως ίση με
,
και η κλίση liquidus είναι ίση με
.
Ο λόγος των κλίσεων του liquidus και του solidus αποδεικνύεται ίσος με τον συντελεστή διαχωρισμού
. (2)
4. Μεταβάσεις φάσεων
Μετάβαση από τη μια κατάσταση φάσης στην άλλη όταν αλλάζουν οι παράμετροι του συστήματος.
Μεταπτώσεις φάσεων πρώτης τάξης (εξάτμιση, συμπύκνωση, τήξη, κρυστάλλωση, μεταβάσεις από μια κρυσταλλική τροποποίηση στην άλλη).
Η κρυσταλλική κατάσταση των ουσιών ταξινομείται σε επτά συστήματα (τρικλινικά, μονοκλινικά, ρομβικά, τετραγωνικά, τριγωνικά ή ρομβικά..., εξαγωνικά, κυβικά), και η διάταξη των ατόμων σε αυτά τα συστήματα χαρακτηρίζεται από 14 τύπους δικτυωμάτων (δικτυώματα Bravais). . Ο βαθμός συσσώρευσης των ατόμων σε αυτά τα πλέγματα είναι διαφορετικός:
Απλό κυβικό f = 0,52
Ογκοκεντρικά κυβικά f = 0,68
Μετοκεντρικά κυβικά f = 0,74
Εξαγωνικό κλείσιμο f = 0,74
Από αυτά τα δεδομένα προκύπτει ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα: κατά τους πολυμορφικούς μετασχηματισμούς (αλλαγές στον τύπο του κρυσταλλικού πλέγματος), εμφανίζεται μια αλλαγή στον όγκο και, κατά συνέπεια, στις φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών.
Σε μεταβάσεις πρώτης τάξης, δύο φάσεις συνυπάρχουν στο σημείο μετάβασης.
A B
α) η μετάβαση γίνεται σε μια ορισμένη θερμοκρασία T ανά
β) κατά τη μετάβαση, οι πρώτες παράγωγοι ενέργειας αλλάζουν απότομα: ενθαλπία, εντροπία, όγκος (και επομένως πυκνότητα)
Μεταβάσεις φάσεων δεύτερης τάξης
Κατά τη διάρκεια μεταβάσεων δεύτερης τάξης, οι πρώτες παράγωγοι της ελεύθερης ενέργειας, της ενθαλπίας, της εντροπίας, του όγκου και της πυκνότητας αλλάζουν μονότονα.
Τιτανικό βάριο – κυβική δομή –> τετραγωνικό τυπικό πιεζοηλεκτρικό.
MnO – ένας αντισιδηρομαγνήτης στα 117 K περνά στην παραμαγνητική φάση.
1. Σύμφωνα με την ταξινόμηση των μετασχηματισμών φάσης που προτάθηκε το 1933 από τον Eripresit, οι μετασχηματισμοί χωρίζονται σε μετασχηματισμούς (μεταβάσεις) πρώτου και δεύτερου είδους.
Οι μεταπτώσεις πρώτης τάξης χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι οι πρώτες παράγωγοι του θερμοδυναμικού δυναμικού ως προς τη θερμοκρασία και την πίεση αλλάζουν απότομα
εδώ S – εντροπία, V – όγκος
Δεδομένου ότι το θερμοδυναμικό δυναμικό κατά τις μεταβάσεις φάσης αλλάζει συνεχώς, καθορίζεται από την έκφραση
τότε η ενέργεια U θα πρέπει επίσης να αλλάξει απότομα. Επειδή
τότε η θερμότητα της μετάβασης
ισούται με το γινόμενο της θερμοκρασίας και τη διαφορά στην εντροπία φάσης, δηλαδή μια απότομη μεταβολή ή απορρόφηση θερμότητας.
Αυτό που είναι σημαντικό είναι η συνεχής μεταβολή του θερμοδυναμικού δυναμικού. Οι συναρτήσεις (T) και (T) δεν αλλάζουν τα χαρακτηριστικά κοντά στο σημείο μετάβασης φάσης, ενώ και στις δύο πλευρές του σημείου μετάβασης φάσης υπάρχουν ελάχιστα του θερμοδυναμικού δυναμικού.
Αυτό το χαρακτηριστικό εξηγεί την πιθανότητα υπερθέρμανσης ή υπερψύξης των φάσεων σε περίπτωση μετάβασης φάσης στο σύστημα.
Ας προσδιορίσουμε τις σχέσεις μεταξύ άλματος θερμοδυναμικών συναρτήσεων και . Μετά τη διαφοροποίηση ως προς τη θερμοκρασία, η σχέση Συνάρτηση (P,T) = (P,T), λαμβάνοντας υπόψη την έκφραση για S, V και q, λαμβάνουμε
Αυτή είναι η γνωστή φόρμουλα Clayperon-Clausis. Σας επιτρέπει να προσδιορίσετε τη μεταβολή των πιέσεων των φάσεων σε ισορροπία με μια αλλαγή στη θερμοκρασία ή μια αλλαγή στη θερμοκρασία μετάβασης μεταξύ δύο φάσεων με μια αλλαγή στην πίεση. Μια απότομη αλλαγή στον όγκο οδηγεί στην απουσία οριστικής σύνδεσης μεταξύ της δομής και του συστήματος των φάσεων που μετασχηματίζονται κατά τη διάρκεια μιας πρώτης τάξεως μετάβασης φάσης, οι οποίες ως εκ τούτου αλλάζουν απότομα.
Τυπικές για μεταπτώσεις φάσης πρώτης τάξης είναι οι μεταβάσεις μεταξύ συνολικών καταστάσεων της ύλης, αλλοτροπικοί μετασχηματισμοί και πολλοί μετασχηματισμοί φάσης σε υλικά πολλαπλών συστατικών.
Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ των μεταπτώσεων φάσης δεύτερης τάξης και των μεταπτώσεων φάσης πρώτης τάξης είναι η εξής: οι μεταβάσεις δεύτερης τάξης χαρακτηρίζονται τόσο από τη συνέχεια της αλλαγής στο θερμοδυναμικό δυναμικό όσο και από τη συνέχεια της αλλαγής στις παραγώγους του θερμοδυναμικού δυναμικού.
Χημική ισορροπία
Η θερμοδυναμική συνάρτηση είναι μια συνάρτηση κατάστασης που καθορίζει τη μεταβολή των θερμοδυναμικών δυναμικών όταν αλλάζει ο αριθμός των σωματιδίων στο σύστημα. Με άλλα λόγια, υπάρχει μια συνάρτηση που καθορίζει την κατεύθυνση και το όριο της αυθόρμητης μετάβασης ενός συστατικού από τη μια φάση στην άλλη υπό κατάλληλους μετασχηματισμούς και συνθήκες (T, P, V, S, n i).
Τα θερμοδυναμικά δυναμικά σχετίζονται μεταξύ τους με τις ακόλουθες σχέσεις
Ποσότητα ουσίας σε γραμμάρια. - ποσότητα ουσίας σε κρεατοελιές.
M είναι το μοριακό βάρος της αντίστοιχης ουσίας.
Για τη θεωρία των στερεών διαλυμάτων, πάνω στα οποία λειτουργούν όλες οι μικροηλεκτρονικές συσκευές, έχει μεγάλη σημασία η μέθοδος των χημικών δυναμικών που ανέπτυξε ο Gibbs. Η χημική ισορροπία μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας χημικά δυναμικά.
Το χημικό δυναμικό χαρακτηρίζεται από την ενέργεια ανά άτομο
Χημικό δυναμικό; G – ενέργεια Gibbs.
N o – ο αριθμός του Avogadro, N А – L = mol -1
δηλαδή (P,T) = (P,T)
Και οι δύο καμπύλες χαρακτηρίζουν μια μονοτονική μείωση με τη θερμοκρασία, καθορίζοντας την τιμή της εντροπίας φάσης
Τα διαγράμματα φάσεων αποτελούν αναπόσπαστο μέρος των συζητήσεων για τις ιδιότητες του υλικού όταν πρόκειται για την αλληλεπίδραση διαφορετικών υλικών.
Τα μονοφασικά διαγράμματα φάσεων απεικονίζουν την κατάσταση φάσης μόνο ενός υλικού.
Ένα δυαδικό διάγραμμα φάσης (διάγραμμα φάσης δυαδικού συστήματος) αντιπροσωπεύει την κατάσταση ενός συστήματος με δύο στοιχεία.
Οι συνδυασμοί στοιχείων που σχηματίζουν χημικές ενώσεις έχουν πιο πολύπλοκα διαγράμματα φάσεων.
Βιβλιογραφία
1. Ormont B. F. Εισαγωγή στη φυσική χημεία και κρυσταλλοχημεία των ημιαγωγών. – Μ.: Ανώτατο Σχολείο, 1973.
2. Φυσική μεταλλουργία / Επιμέλεια R. Kahn, τομ. 2. Μετασχηματισμοί φάσεων. Μεταλλογραφία. – Μ.: Μιρ, 1968.
3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Τεχνολογία ημιαγωγών και διηλεκτρικών υλικών", - M.: Ανώτατο Σχολείο, 1990.
4. «Εργαστήριο για ημιαγωγούς και συσκευές ημιαγωγών», / Εκδ. Shalimova K.V. – Μ.: Ανώτατο Σχολείο, 1968.
Ας σκεφτούμε Π− Τ− Χδιαγράμματα για δυαδικά συστήματα. Εντατική μελέτη μελέτης Π− Τ− ΧΤα διαγράμματα φάσεων έχουν δείξει ότι η χρήση υψηλών πιέσεων (δεκάδες και εκατοντάδες χιλιάδες ατμόσφαιρες) σε ορισμένες περιπτώσεις οδηγεί σε αλλαγή του τύπου του διαγράμματος φάσης, σε απότομη αλλαγή στις θερμοκρασίες των φάσεων και πολυμορφικών μετασχηματισμών, στην εμφάνιση νέες φάσεις που απουσιάζουν σε ένα δεδομένο σύστημα σε ατμοσφαιρική πίεση. Για παράδειγμα, ένα διάγραμμα με απεριόριστη διαλυτότητα στη στερεά κατάσταση σε υψηλές θερμοκρασίες και η αποσύνθεση του στερεού διαλύματος α σε δύο στερεά διαλύματα α1 + α2 σε χαμηλές θερμοκρασίες μπορεί σταδιακά να μετατραπεί σε ένα διάγραμμα με ευτηκτική με αυξανόμενη πίεση (βλ. Εικ. 4.18, ΕΝΑ). Στο Σχ. 4.18, σιδείχνει το διάγραμμα κατάστασης του συστήματος Ga–P στο οποίο σχηματίζεται η ένωση ημιαγωγών GaP. Ανάλογα με την πίεση, αυτή η ένωση μπορεί να λιώσει ομοιόμορφα ή ασυμβίβαστα. Η εμφάνιση του διπλού διαγράμματος αλλάζει ανάλογα. Τ− Χσε διάφορες ισοβαρικές τομές τριπλό Π− Τ− Χδιαγράμματα.
Στην πράξη, ογκομετρική Π− Τ− ΧΤα διαγράμματα κατασκευάζονται πολύ σπάνια. Συνήθως μετασχηματισμοί φάσης σε τρισδιάστατους Π− Τ− ΧΔιαγράμματα Ana
Ρύζι. 4.18. ΕΝΑ- Π− Τ− Χδιάγραμμα; σι- Π− Τ− Χδιάγραμμα κατάστασης
Συστήματα Ga–P με σύμφωνη και ασυμβίβαστη τήξη ένωση GaP
ανάλογα με την πίεση.
λύσουν χρησιμοποιώντας τις προβολές τους στο αεροπλάνο Π− Τ, Τ− ΧΚαι Π− Χ, καθώς και διάφορα τμήματα σε σταθερές θερμοκρασίες ή πιέσεις (βλ. Εικ. 4.18, ΕΝΑ).
Σημειώστε ότι κατά την ανάλυση των μετασχηματισμών φάσης σε ένα σύστημα, θα πρέπει να γίνει διάκριση Π− Τ− Χδιαγράμματα φάσεων στα οποία η πίεση διάστασης Πτο dis9 είναι μικρό και Πστο διάγραμμα φάσης - αυτή είναι η εξωτερική πίεση και στην οποία η πίεση διάστασης είναι υψηλή και Π- Αυτό Π dis. Σε συστήματα των οποίων τα εξαρτήματα έχουν χαμηλή πίεση διάστασης και στα οποία το μέγιστο σημείο τήξης του μείγματος είναι χαμηλότερο από το χαμηλότερο σημείο βρασμού (δεν υπάρχουν εξαιρετικά πτητικά συστατικά στο σύστημα), ο ρόλος της αέριας φάσης κατά τους μετασχηματισμούς φάσης μπορεί να παραμεληθεί . Εάν η πίεση διάστασης οποιουδήποτε από τα συστατικά είναι υψηλή (το σύστημα περιέχει εξαιρετικά πτητικά συστατικά), τότε η σύνθεση της αέριας φάσης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε θερμοκρασίες τόσο πάνω όσο και κάτω από το υγρό.
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα διαγράμματα φάσεων Π dis − Τ− Χμε ψηλά
πίεση διάστασης (διαγράμματα φάσεων με εξαιρετικά πτητικά συστατικά). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η προσοχή σε αυτά έχει αυξηθεί λόγω του αυξημένου ρόλου των ενώσεων που περιέχουν πτητικά συστατικά στα ηλεκτρονικά ημιαγωγών. Για παράδειγμα, αυτές περιλαμβάνουν ενώσεις AIIIBV που περιέχουν τα εξαιρετικά πτητικά συστατικά φώσφορο και αρσενικό, ενώσεις AIIBVI που περιέχουν υδράργυρο, AIVBVI που περιέχουν θείο κ.λπ.
Όλες οι ενώσεις ημιαγωγών έχουν μια περισσότερο ή λιγότερο εκτεταμένη περιοχή ομοιογένειας, δηλαδή είναι ικανές να διαλυθούν από μόνες τους
9 Π dis είναι η πίεση ισορροπίας για τις δεδομένες συνθήκες διάστασης όλων των φάσεων σε ισορροπία. Εάν υπάρχει ένα εξαιρετικά πτητικό στοιχείο στο σύστημα Π dis είναι η πίεση διάστασης ισορροπίας του εξαιρετικά πτητικού στοιχείου του συστήματος.
οποιοδήποτε από τα συστατικά που υπερβαίνουν τη στοιχειομετρική σύνθεση ή ένα τρίτο συστατικό.
Οποιεσδήποτε αποκλίσεις από τη στοιχειομετρική σύνθεση επηρεάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες (βλ. Κεφάλαιο 3). Επομένως, για να ληφθούν με δυνατότητα αναπαραγωγής κρύσταλλοι που περιέχουν ένα πτητικό συστατικό με καθορισμένες ιδιότητες, είναι επίσης απαραίτητο να ληφθούν με δυνατότητα αναπαραγωγής ενώσεις μιας δεδομένης σύνθεσης.
Ωστόσο, η πτητότητα ενός από τα συστατικά της ένωσης οδηγεί σε απόκλιση από τη στοιχειομετρική σύνθεση λόγω του σχηματισμού κενών - ανιονικών ή κατιονικών - ανάλογα με την πίεση διάστασης του συστατικού που είναι υψηλότερη και, κατά συνέπεια, μια περίσσεια του άλλο συστατικό. Όπως έχει ήδη συζητηθεί στο Κεφ. 3, οι κενές θέσεις σε έναν αριθμό ενώσεων μπορούν να δημιουργήσουν επίπεδα δέκτη ή δότη, επηρεάζοντας έτσι τις φυσικές ιδιότητες.
Η ενέργεια σχηματισμού κενών θέσεων στις θέσεις Α και Β δεν είναι σχεδόν ποτέ η ίδια, επομένως η συγκέντρωση των ανιονικών και κατιονικών κενών είναι επίσης διαφορετική και η περιοχή ομοιογένειας της ένωσης αποδεικνύεται ασύμμετρη ως προς τη στοιχειομετρική σύνθεση. Συνεπώς, για όλες σχεδόν τις ενώσεις η μέγιστη θερμοκρασία τήξης δεν αντιστοιχεί σε ένα κράμα στοιχειομετρικής σύνθεσης.10
Είναι δυνατό να αποτραπεί μια αλλαγή στη σύνθεση μιας ένωσης λόγω πτητικότητας εάν αναπτυχθεί από τήγμα ή διάλυμα σε εξωτερική πίεση του πτητικού συστατικού ίση με την πίεση διάστασης στη θερμοκρασία ανάπτυξης. Αυτή η συνθήκη επιλέγεται χρησιμοποιώντας Π dis − Τ– Χδιαγράμματα.
Η πίεση διάστασης ενός εξαιρετικά πτητικού συστατικού σε κράματα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεσή του, συνήθως μειώνεται με τη μείωση της συγκέντρωσης αυτού του συστατικού, όπως, για παράδειγμα, για το σύστημα In–As (η πίεση διάστασης του αρσενικού μειώνεται κατά σχεδόν τέσσερις τάξεις μεγέθους με μείωση της συγκέντρωσης αρσενικού στην περιοχή από 100 έως 20 %). Ως αποτέλεσμα, η πίεση διάστασης του πτητικού συστατικού στην ένωση είναι πολύ μικρότερη από την πίεση διάστασης επί του καθαρού συστατικού στην ίδια θερμοκρασία.
Αυτή η περίσταση χρησιμοποιείται στο σχήμα δύο θερμοκρασιών για τη λήψη αυτής της ένωσης. Σε έναν φούρνο δημιουργούνται δύο ζώνες θερμοκρασίας.
10 Ωστόσο, για ενώσεις, ιδίως AIII BV, με στενή περιοχή ομοιογένειας και για τις περισσότερες ενώσεις, ιδιαίτερα AIV BVI, με μέσο πλάτος της περιοχής ομοιογένειας, χρησιμοποιείται η έννοια των ενώσεων που τήκονται ομοιογενώς, καθώς οι αποκλίσεις της πραγματικής θερμοκρασίας τήξης της ένωσης από τη θερμοκρασία τήξης της ένωσης στοιχειομετρικής σύστασης είναι ασήμαντες .
Ρύζι. 4.19. Π dis − ΤΕνότητα Π dis − Τ− Χδιαγράμματα φάσης του συστήματος Pb–S. 1 -
τριφασική γραμμή? 2 - ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ 2 καθαρό θείο πάνω από PbS+S2. 3 - ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ 2 πάνω από PbS+Pb.
Το ένα έχει θερμοκρασία Τ 1, ίση με τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης της ένωσης. Εδώ τοποθετείται ένα δοχείο με τήγμα. Στη δεύτερη ζώνη τοποθετείται το καθαρό πτητικό συστατικό της ένωσης As. Θερμοκρασία Τ 2 στη δεύτερη ζώνη διατηρείται σε ίση θερμοκρασία στην οποία η πίεση διάστασης του πτητικού συστατικού στην καθαρή του μορφή είναι ίση με την πίεση διάστασης αυτού του συστατικού στην ένωση σε θερμοκρασία Τ 1. Ως αποτέλεσμα, στην πρώτη ζώνη, η τάση ατμών του πτητικού συστατικού πάνω από την ένωση είναι ίση με την πίεση μερικής διάστασής του στην ένωση, η οποία εμποδίζει την εξάτμιση αυτού του συστατικού από το τήγμα και εξασφαλίζει την κρυστάλλωση της ένωσης ενός δεδομένη σύνθεση.
Στο Σχ. Δίνεται 4.19 Π− Τπροβολή του διαγράμματος φάσης Pb–S.
Η συμπαγής γραμμή δείχνει τη γραμμή τριφασικής ισορροπίας της στερεάς, υγρής και αέριας φάσης, περιορίζοντας την περιοχή σταθερότητας της στερεάς ένωσης. διακεκομμένη γραμμή - γραμμές ισοσυγκέντρωσης εντός της περιοχής ομοιογένειας. Οι γραμμές ισοσυγκέντρωσης δείχνουν συνθέσεις με ίσες αποκλίσεις από τη στοιχειομετρία (πανομοιότυπες συνθέσεις) προς την περίσσεια μολύβδου (αγωγιμότητα n-τύπου) ή προς την περίσσεια θείου (αγωγιμότητα Π-τύπος), ισορροπία σε δεδομένες τιμές θερμοκρασίας και πίεσης ατμών θείου. Γραμμή n= Παντιστοιχεί σε τιμές θερμοκρασίας και πίεσης ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ 2, στο οποίο η στερεά φάση έχει αυστηρά στοιχειομετρική σύνθεση. Διασχίζει την τριφασική γραμμή σε θερμοκρασία που είναι το σημείο τήξης της στοιχειομετρικής ένωσης. ή προς την περίσσεια θείου (αγωγιμότητα Π-τύπος).
Όπως φαίνεται από το Σχ. 4.19, το σημείο τήξης μιας ένωσης στοιχειομετρικής σύνθεσης είναι χαμηλότερο από τη μέγιστη θερμοκρασία τήξης που έχει ένα κράμα με περίσσεια μολύβδου σε σύγκριση με τη σύνθεση του τύπου. Είναι ορατή μια έντονη εξάρτηση της κρυσταλλικής σύνθεσης από τη μερική πίεση ατμών του πτητικού συστατικού. Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών, όλες οι καμπύλες που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθέσεις πλησιάζουν τη γραμμή n= Π. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, αυξάνεται η διαφορά μεταξύ των πιέσεων ισορροπίας που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθέσεις. Αυτό εξηγεί τη δυσκολία λήψης ενός κράματος μιας δεδομένης σύνθεσης απευθείας κατά την κρυστάλλωση, η οποία λαμβάνει χώρα σε υψηλές θερμοκρασίες. Δεδομένου ότι οι καμπύλες μερικής πίεσης για διαφορετικές συνθέσεις είναι παρόμοιες, μικρές τυχαίες αποκλίσεις στην τάση ατμών ενός πτητικού συστατικού μπορούν να οδηγήσουν σε αισθητή αλλαγή στη σύνθεση της στερεάς φάσης.
Εάν, μετά την ανάπτυξη, ο κρύσταλλος υποβληθεί σε μακροχρόνια ανόπτηση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και τέτοια πίεση ώστε οι γραμμές ισοσυγκέντρωσης για διαφορετικές συνθέσεις να αποκλίνουν έντονα, τότε η σύνθεση του κρυστάλλου μπορεί να φτάσει στην καθορισμένη τιμή. Αυτό χρησιμοποιείται συχνά στην πράξη.
) — γραφική αναπαράσταση των καταστάσεων ενός θερμοδυναμικού συστήματος στο χώρο των παραμέτρων της κύριας κατάστασης - θερμοκρασία Τ, πίεση Πκαι σύνθεση Χ.
Περιγραφή
Τα διαγράμματα φάσεων καθιστούν δυνατό να βρούμε ποιες φάσεις (δηλαδή, ομοιογενή υποσυστήματα που διαφέρουν στη δομή ή/και ιδιότητες από άλλα) μπορεί να υπάρχουν σε ένα δεδομένο σύστημα υπό δεδομένες συνθήκες και σύνθεση. Για πολύπλοκα συστήματα που αποτελούνται από πολλές φάσεις και στοιχεία, η κατασκευή διαγραμμάτων φάσης από πειραματικά δεδομένα και δεδομένα θερμοδυναμικής μοντελοποίησης είναι ένας ουσιαστικός τρόπος για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς κατά τη διάρκεια διαφόρων διεργασιών. Η ανάλυση της σχετικής θέσης των πεδίων, των επιφανειών και των γραμμών που τα χωρίζουν, καθώς και των σημείων διασταύρωσης των τελευταίων καθιστά δυνατό τον ξεκάθαρο και σαφή προσδιορισμό των συνθηκών ισορροπίας φάσεων, της εμφάνισης νέων φάσεων και χημικών ενώσεων στο σύστημα , ο σχηματισμός και η αποσύνθεση υγρών και στερεών διαλυμάτων κ.λπ.
Τα διαγράμματα φάσεων χρησιμοποιούνται στην επιστήμη των υλικών, τη μεταλλουργία, τη διύλιση πετρελαίου, τη χημική τεχνολογία (ιδίως στην ανάπτυξη μεθόδων για τον διαχωρισμό ουσιών), την παραγωγή ηλεκτρονικού εξοπλισμού και μικροηλεκτρονικής κ.λπ. Με τη βοήθειά τους, οι συνθήκες για τη βιομηχανική σύνθεση επιλέγονται ουσίες, καθορίζεται η κατεύθυνση των διεργασιών που σχετίζονται με τις μεταβάσεις φάσης και επιλογή τρόπων θερμικής επεξεργασίας, αναζήτηση βέλτιστων συνθέσεων φάσης κ.λπ.
Τα διαγράμματα φάσεων των συστημάτων ενός συστατικού απεικονίζονται σε ένα επίπεδο σε συντεταγμένες p–T. Περιέχουν πεδία που αντιστοιχούν στην ύπαρξη μιας ή της άλλης φάσης της ουσίας (αέρια, υγρά, διάφορες στερεές τροποποιήσεις), που χωρίζονται από γραμμές ισορροπίας φάσης, κατά μήκος των οποίων είναι δυνατή η συνύπαρξη γειτονικών φάσεων. Μέρη όπου συγκλίνουν τρεις διαφορετικές γραμμές ισορροπίας φάσης σχηματίζουν τα λεγόμενα τριπλά σημεία, στα οποία μπορούν να συνυπάρχουν τρεις φάσεις. Αυτός είναι ο μέγιστος αριθμός φάσεων που μπορούν να συνυπάρξουν σε ισορροπία σε συστήματα ενός συστατικού.
Ο αριθμός των φάσεων που υπάρχουν σε ένα δεδομένο σημείο του διαγράμματος φάσης καθορίζεται από τον κανόνα φάσης Gibbs και είναι n + 2 – φά, Οπου n- ο αριθμός των συστατικών, δηλαδή εκείνων των ουσιών των οποίων η ποσότητα στο σύστημα μπορεί να αλλάξει ανεξάρτητα από τις άλλες, ο αριθμός 2 αντιστοιχεί στην πίεση και τη θερμοκρασία (άρα, n+ 2 είναι ο αριθμός των παραμέτρων που καθορίζουν την κατάσταση του συστήματος και φά- ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας, δηλαδή ο αριθμός εκείνων των γενικευμένων δυνάμεων (πίεση, θερμοκρασία, χημικά δυναμικά συστατικών) που μπορούν να μεταβληθούν ανεξάρτητα εντός ορισμένων ορίων χωρίς αλλαγή της σύνθεσης φάσης ισορροπίας.
Για παράδειγμα, μέσα στα πεδία ενός διαγράμματος φάσης ενός συστατικού, όπου υπάρχει μία μόνο φάση, η πίεση και η θερμοκρασία μπορούν να μεταβάλλονται ανεξάρτητα και το τριπλό σημείο είναι το λεγόμενο αμετάβλητο σημείο ισορροπίας.
Επιπλέον, το διάγραμμα φάσεων ενός συστήματος ενός συστατικού μπορεί να απεικονίσει μετασταθερές φάσεις, δηλαδή φάσεις που δεν είναι ισορροπίας, αλλά μπορούν να υπάρχουν σε ένα συγκεκριμένο εύρος παραμέτρων για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω κινητικής σταθερότητας, καθώς και ένα κρίσιμο σημείο - ένα σημείο στη γραμμή ισορροπίας υγρού-αερίου , μετά την οποία η απότομη διαφορά στις ιδιότητες αυτών των φάσεων εξαφανίζεται και η έννοια της μετάβασης φάσης χάνει το νόημά της.
Εκτός από τη θερμοκρασία και την πίεση, άλλες παράμετροι της κατάστασης του συστήματος μπορούν να ληφθούν υπόψη, για παράδειγμα, η ένταση του μαγνητικού πεδίου ( H). Στη συνέχεια, το διάγραμμα φάσεων γίνεται πολυδιάστατο και λαμβάνονται υπόψη οι διάφορες ενότητες του, για παράδειγμα H–T, και στον κανόνα φάσης ο αριθμός 2 αλλάζει στον αντίστοιχο αριθμό γενικευμένων δυνάμεων (πεδία).
Τα διαγράμματα φάσεων των συστημάτων πολλαπλών συστατικών είναι επίσης πολυδιάστατα. Είναι βολικό να μελετηθούν οι επίπεδες τομές τους, όπως η σύσταση θερμοκρασίας και η σύνθεση πίεσης. Για ισοβαρικές-ισόθερμες τομές διαγραμμάτων φάσης συστημάτων τριών συστατικών, που περιγράφουν την εξάρτηση της σύστασης φάσης του συστήματος μόνο από τη σύνθεση των συστατικών του, χρησιμοποιούνται τα λεγόμενα τρίγωνα Gibbs.
Οι γενικές αρχές που συζητήθηκαν παραπάνω ισχύουν επίσης για διαγράμματα φάσεων πολλαπλών συστατικών. Ένα παράδειγμα ισοβαρικού ( Τ–χ) οι διατομές του διαγράμματος φάσης δύο συστατικών παρουσιάζονται στο Σχ. Τα πεδία τέτοιων διαγραμμάτων μπορεί να αντιστοιχούν σε μία ή δύο συνυπάρχουσες φάσεις, συμπεριλαμβανομένου του τήγματος συστατικών, των στερεών φάσεων των καθαρών συστατικών ή των ενώσεων τους ενδιάμεσης σύνθεσης και των φάσεων των στερεών διαλυμάτων.
Ο λόγος φάσεων στο πεδίο που αντιστοιχεί σε δύο φάσεις καθορίζεται από τον κανόνα του μοχλού - είναι αντιστρόφως ανάλογος με τον λόγο των οριζόντιων αποστάσεων προς τις γραμμές ισορροπίας φάσης που περιορίζουν το πεδίο και οι συντεταγμένες της τομής της οριζόντιας με αυτές τις γραμμές καθορίζουν η συστατική σύνθεση των συνυπάρχουσων φάσεων.
Ανάμεσα στα σημαντικά στοιχεία Τ–χοι διατομές των διαγραμμάτων δύο συστατικών θα πρέπει να αναφέρουν τη γραμμή liquidus, πάνω από την οποία υπάρχει μόνο η υγρή φάση. η γραμμή στερεού, κάτω από την οποία υπάρχει μόνο η στερεά φάση, ευτηκτικά σημεία (σημεία ομοιογενούς τήξης), κοινά με το στερεό και υγρό (στο σπάσιμο του τελευταίου) και περιτεκτικά σημεία (σημεία ασύμφωνης τήξης, δηλ. τήξη με μερική αποσύνθεση της στερεάς φάσης) στην καμπύλη liquidus, στην οποία μπορούν να συνυπάρχουν μια υγρή φάση και δύο στερεές φάσεις, καθώς και οι αντίστοιχες οριζόντιες γραμμές ευτηκτικών και περιτεκτικών μετασχηματισμών.
Για φάσεις που αποτελούνται από σωματίδια νανομεγέθους, μπορεί να υπάρχει εξάρτηση των φυσικών ιδιοτήτων από το μέγεθος, επομένως το διάγραμμα φάσεων μερικές φορές γεμίζει με μια κλίμακα διασποράς.
εικονογραφήσεις
Συγγραφείς
- Γκόλντ Ίλια Βαλέριεβιτς
- Ioffe Ilya Naftolievich
Πηγές
- Anosov V. Ya., Pogodin S. A. Βασικές αρχές φυσικής και χημικής ανάλυσης. - M.–L.: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1947. - 876 p.
- Χημική εγκυκλοπαίδεια. - Μ.: Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια, 1988.
Μια φάση είναι μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας μιας ουσίας που διαφέρει ως προς τις φυσικές ιδιότητες από άλλες πιθανές καταστάσεις ισορροπίας της ίδιας ουσίας. Η μετάβαση μιας ουσίας από τη μια φάση στην άλλη - μια μετάβαση φάσης - συνδέεται πάντα με ποιοτικές αλλαγές στις ιδιότητες του σώματος. Ένα παράδειγμα μεταβάσεων φάσης είναι οι αλλαγές στην κατάσταση συσσωμάτωσης. Αλλά η έννοια της «μετάβασης φάσης» είναι ευρύτερη, γιατί Περιλαμβάνει επίσης τη μετάβαση μιας ουσίας από τη μια τροποποίηση στην άλλη διατηρώντας παράλληλα την κατάσταση συσσωμάτωσης (πολυμορφισμός), για παράδειγμα, τη μετατροπή του διαμαντιού σε γραφίτη.
Υπάρχουν δύο τύποι μεταβάσεων φάσης:
Μετάβαση φάσης 1ης τάξης - συνοδεύεται από απορρόφηση ή απελευθέρωση θερμότητας, αλλαγή όγκου και συμβαίνει σε σταθερή θερμοκρασία. Παραδείγματα: τήξη, κρυστάλλωση, εξάτμιση, εξάχνωση (εξάχνωση) κ.λπ.
Μεταβάσεις φάσεων του 2ου είδους - συμβαίνουν χωρίς απελευθέρωση ή απορρόφηση θερμότητας, με διατήρηση του όγκου, αλλά με απότομη αλλαγή στη θερμική ικανότητα. Παραδείγματα: μετάβαση σιδηρομαγνητικών ορυκτών σε ορισμένες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας σε παραμαγνητική κατάσταση (σίδηρος, νικέλιο). μετάβαση ορισμένων μετάλλων και κραμάτων σε θερμοκρασίες κοντά στο 0 0 K στην υπεραγώγιμη κατάσταση (ρ = 0 Ohm∙m), κ.λπ.
Για μια χημικά ομοιογενή ουσία, η έννοια της φάσης συμπίπτει με την έννοια της κατάστασης συσσωμάτωσης. Ας εξετάσουμε τους μετασχηματισμούς φάσης για ένα τέτοιο σύστημα, χρησιμοποιώντας ένα διάγραμμα φάσης για σαφήνεια. Σε αυτό, στις συντεταγμένες p και T, καθορίζεται η σχέση μεταξύ των θερμοκρασιών των μεταπτώσεων φάσης και της πίεσης. Αυτές οι εξαρτήσεις με τη μορφή των καμπυλών εξάτμισης (EI), τήξης (OP) και εξάχνωσης (OS) σχηματίζουν το διάγραμμα φάσης.
Το σημείο τομής Ο των καμπυλών καθορίζει τις συνθήκες (τιμές T και p) υπό τις οποίες και οι τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης μιας ουσίας βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία.
Για το λόγο αυτό ονομάζεται τριπλό σημείο. Για παράδειγμα, το τριπλό σημείο του νερού είναι ένα από τα σημεία αναφοράς της κλίμακας θερμοκρασίας Κελσίου (0 0 C). Όπως προκύπτει από την εξίσωση Clapeyron-Clausius, η φύση της εξάρτησης T =f(p) για τη μετάβαση στερεού-υγρού (καμπύλες OP) μπορεί να είναι διαφορετική: Εάν μια ουσία αυξηθεί σε όγκο κατά τη μετάβαση στην υγρή φάση (νερό, βισμούθιο, γερμάνιο, χυτοσίδηρος ...), τότε η πορεία αυτής της εξάρτησης φαίνεται στο Σχ. 2α. Για ουσίες που μειώνουν τον όγκο τους κατά τη μετάβαση στην υγρή φάση, η εξάρτηση έχει τη μορφή που φαίνεται στο Σχ. 2β.
Η καμπύλη εξάτμισης τελειώνει σε ένα κρίσιμο σημείο - ΠΡΟΣ ΤΗΝ. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, υπάρχει η δυνατότητα συνεχούς μετάβασης του υγρού στην αέρια φάση χωρίς διέλευση της καμπύλης εξάτμισης, δηλ. χωρίς τους μετασχηματισμούς φάσης που είναι εγγενείς σε μια τέτοια μετάβαση.
Σε πίεση μικρότερη από p t.σημείο. , μια ουσία μπορεί να υπάρχει μόνο σε δύο φάσεις: στερεά και αέρια. Επιπλέον, σε θερμοκρασίες κάτω από Ttr.pt. , μια μετάβαση από στερεό σε αέριο είναι δυνατή χωρίς να περάσει από την υγρή φάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται εξάχνωση ή εξάχνωση. Ειδική θερμότητα εξάχνωσης
τ sub = λ pl +r χρήση
ΣΤΕΡΕΑ.
Στερεό, κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας, που χαρακτηρίζεται από την παρουσία σημαντικών δυνάμεων διαμοριακής αλληλεπίδρασης, σταθερότητα σχήματος και όγκου. Η θερμική κίνηση των σωματιδίων ενός στερεού σώματος αντιπροσωπεύει ταλαντώσεις μικρού πλάτους γύρω από θέσεις ισορροπίας. Υπάρχουν κρυσταλλικές και άμορφες δομές στερεών.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα της μικροδομής των κρυστάλλων είναι η χωρική περιοδικότητα των εσωτερικών ηλεκτρικών τους πεδίων και η επαναληψιμότητα στη διάταξη των κρυσταλλικών σωματιδίων - ατόμων, ιόντων και μορίων (τάξη μεγάλης εμβέλειας). Τα σωματίδια εναλλάσσονται με μια ορισμένη σειρά κατά μήκος ευθειών γραμμών, οι οποίες ονομάζονται κομβικές γραμμές. Σε οποιοδήποτε επίπεδο τμήμα ενός κρυστάλλου, δύο τεμνόμενα συστήματα τέτοιων γραμμών σχηματίζουν ένα σύνολο εντελώς πανομοιότυπων παραλληλογραμμών που καλύπτουν σφιχτά, χωρίς κενά, το επίπεδο τομής. Στο διάστημα, η τομή τριών μη ομοεπίπεδων συστημάτων τέτοιων γραμμών σχηματίζει ένα χωρικό πλέγμα που χωρίζει τον κρύσταλλο σε ένα σύνολο εντελώς πανομοιότυπων παραλληλεπίπεδων. Τα σημεία τομής των γραμμών που σχηματίζουν το κρυσταλλικό πλέγμα ονομάζονται κόμβοι. Οι αποστάσεις μεταξύ των κόμβων κατά μήκος μιας συγκεκριμένης κατεύθυνσης ονομάζονται μεταφράσεις ή περίοδοι πλέγματος. Ένα παραλληλεπίπεδο που βασίζεται σε τρεις μη ομοεπίπεδες μεταφράσεις ονομάζεται παραλληλεπίπεδο επαναληψιμότητας μονάδας κυψέλης ή πλέγματος. Η πιο σημαντική γεωμετρική ιδιότητα των κρυσταλλικών πλεγμάτων είναι η συμμετρία στη διάταξη των σωματιδίων ως προς ορισμένες κατευθύνσεις και επίπεδα. Για το λόγο αυτό, αν και υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να επιλέξετε ένα κελί μονάδας για μια δεδομένη κρυσταλλική δομή, επιλέγεται έτσι ώστε να ταιριάζει με τη συμμετρία του πλέγματος.
Υπάρχουν δύο κριτήρια με τα οποία ταξινομούνται οι κρύσταλλοι: α) κρυσταλλογραφικά - σύμφωνα με τη γεωμετρία του κρυσταλλικού πλέγματος και β) φυσικά - ανάλογα με τη φύση της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος και τη φύση τους.
Η γεωμετρία των κρυσταλλικών δικτυωμάτων και των μονάδων κυψελών τους καθορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων συμμετρίας που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενός δεδομένου πλέγματος. Ο αριθμός των πιθανών τύπων συμμετρίας είναι περιορισμένος. Ο Ρώσος κρυσταλλογράφος Ε.Σ. Ο Fedorov (1853 - 1919) έδειξε ότι υπάρχουν μόνο 230 πιθανοί συνδυασμοί στοιχείων συμμετρίας, οι οποίοι, μέσω της παράλληλης μετάφρασης, ανάκλασης και περιστροφής, παρέχουν μια πυκνή, δηλ. συσκευασία στοιχειωδών κυψελών στο χώρο χωρίς κενά και ρωγμές. Ο Bravais έδειξε ότι υπάρχουν μόνο 14 τύποι πλεγμάτων, οι οποίοι διαφέρουν ως προς τον τύπο της συμμετρίας μεταφοράς. Υπάρχουν πρωτόγονα (απλά), βασικά κεντρικά, σωματοκεντρικά και πρόσωπο-κεντρικά πλέγματα Bravais. Ανάλογα με το σχήμα του κελιού, ανάλογα με τις γωνίες μεταξύ των όψεών του α, β και γ και την αναλογία μεταξύ του μήκους των άκρων α, βΚαι ΜεΑυτοί οι 14 τύποι δικτυωμάτων σχηματίζουν επτά κρυσταλλικά συστήματα (συστήματα): κυβικά, εξαγωνικά, τετραγωνικά, τριγωνικά ή ρομβοεδρικά, ορθορομβικά, μονοκλινικά και τριγωνικά.
Σύμφωνα με τη φύση της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων που βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος και τη φύση τους, οι κρύσταλλοι χωρίζονται σε τέσσερις τύπους: ιονικούς, ατομικούς, μεταλλικούς και μοριακούς
Ιονικά - ιόντα αντίθετων σημάτων βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. η αλληλεπίδραση οφείλεται σε ηλεκτροστατικές δυνάμεις έλξης (ιονικός ή ετεροπολικός δεσμός).
Τα ατομικά - ουδέτερα άτομα βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, που συγκρατούνται στους κόμβους με ομοιοπολικούς ή ομοιοπολικούς δεσμούς.
Μεταλλικά – θετικά μεταλλικά ιόντα βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σχηματίζουν το λεγόμενο αέριο ηλεκτρονίων, το οποίο εξασφαλίζει τη σύνδεση των ιόντων.
Τα μοριακά - ουδέτερα μόρια βρίσκονται στους κόμβους του κρυσταλλικού πλέγματος, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των οποίων προκαλούνται από μια ελαφρά μετατόπιση του νέφους ηλεκτρονίων του ατόμου (πόλωση ή δυνάμεις van der Waals).
Τα κρυσταλλικά στερεά μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: μονοκρυστάλλους και πολυκρυστάλλους. Για τους μονοκρυστάλλους, παρατηρείται ένα μονοκρυσταλλικό πλέγμα σε ολόκληρο το σώμα. Και παρόλο που το εξωτερικό σχήμα μονοκρυστάλλων του ίδιου τύπου μπορεί να είναι διαφορετικό, οι γωνίες μεταξύ των αντίστοιχων όψεων θα είναι πάντα οι ίδιες. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των μονοκρυστάλλων είναι η ανισοτροπία των μηχανικών, θερμικών, ηλεκτρικών, οπτικών και άλλων ιδιοτήτων.
Τα μονοκρύσταλλα βρίσκονται συχνά στη φυσική τους κατάσταση στη φύση. Για παράδειγμα, τα περισσότερα ορυκτά είναι κρύσταλλα, σμαράγδια, ρουμπίνια. Επί του παρόντος, για σκοπούς παραγωγής, πολλοί μονοκρυστάλλοι καλλιεργούνται τεχνητά από διαλύματα και τήγματα - ρουμπίνια, γερμάνιο, πυρίτιο, αρσενίδιο του γαλλίου.
Το ίδιο χημικό στοιχείο μπορεί να σχηματίσει πολλές κρυσταλλικές δομές που διαφέρουν ως προς τη γεωμετρία. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πολυμορφισμός. Για παράδειγμα, άνθρακας - γραφίτης και διαμάντι. ice five τροποποιήσεις κ.λπ.
Η σωστή εξωτερική πρόσοψη και η ανισοτροπία των ιδιοτήτων, κατά κανόνα, δεν εμφανίζονται για κρυσταλλικά σώματα. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κρυσταλλικά στερεά συνήθως αποτελούνται από πολλούς τυχαίως προσανατολισμένους μικρούς κρυστάλλους. Τέτοια στερεά ονομάζονται πολυκρυσταλλικά. Αυτό οφείλεται στον μηχανισμό κρυστάλλωσης: όταν επιτυγχάνονται οι απαραίτητες συνθήκες για αυτή τη διαδικασία, τα κέντρα κρυστάλλωσης εμφανίζονται ταυτόχρονα σε πολλά σημεία στην αρχική φάση. Οι εκκολαπτόμενοι κρύσταλλοι εντοπίζονται και προσανατολίζονται μεταξύ τους εντελώς χαοτικά. Για το λόγο αυτό, στο τέλος της διαδικασίας, παίρνουμε ένα στερεό με τη μορφή ενός συσσωματώματος λιωμένων μικρών κρυστάλλων - κρυσταλλίτες.
ΕΛΑΤΤΩΜΑΤΑ ΣΤΟΥΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥΣ.
Οι πραγματικοί κρύσταλλοι έχουν μια σειρά από παραβιάσεις της ιδανικής δομής, οι οποίες ονομάζονται κρυσταλλικά ελαττώματα:
α) σημειακά ελαττώματα
Ελαττώματα Schottky (μονάδες που δεν καταλαμβάνονται από σωματίδια).
Ελαττώματα Frenkel (μετατόπιση σωματιδίων από κόμβους σε μεσογονάτια).
ακαθαρσίες (εισαγόμενα ξένα άτομα).
β) γραμμικές εξαρθρώσεις ακμών και τοπικές διαταραχές βιδών στην κανονικότητα της διάταξης των σωματιδίων, λόγω της ατελείας μεμονωμένων ατομικών επιπέδων ή στην ακολουθία κατασκευής τους.
γ) επίπεδα – όρια μεταξύ κατόπτρων, σειρές γραμμικών εξαρθρώσεων.
ΑΜΟΡΦΑ ΣΤΕΡΕΑ.
Τα άμορφα στερεά, σε πολλές από τις ιδιότητές τους και κυρίως στη μικροδομή τους, θα πρέπει να θεωρούνται ως πολύ υπερψυκτικά υγρά με πολύ υψηλό συντελεστή ιξώδους. Από ενεργειακή άποψη, η διαφορά μεταξύ κρυσταλλικών και άμορφων στερεών είναι ξεκάθαρα ορατή στη διαδικασία στερεοποίησης και τήξης. Τα κρυσταλλικά σώματα έχουν σημείο τήξης - τη θερμοκρασία όταν μια ουσία υπάρχει σταθερά σε δύο φάσεις - στερεά και υγρά (Εικ. 1). Η μετάβαση ενός στερεού μορίου σε υγρό σημαίνει ότι αποκτά επιπλέον τρεις βαθμούς ελευθερίας μεταφραστικής κίνησης. Οτι. μονάδα μάζας μιας ουσίας στο T pl. στην υγρή φάση έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από την ίδια μάζα στη στερεά φάση. Επιπλέον, η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων αλλάζει. Επομένως, γενικά, η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή μιας μονάδας μάζας ενός κρυστάλλου σε υγρό θα είναι:
λ = (U f -U k) + P (V f -V k),
όπου λ είναι η ειδική θερμότητα τήξης (κρυστάλλωση), (U l -U k) είναι η διαφορά στις εσωτερικές ενέργειες της υγρής και της κρυσταλλικής φάσης, P είναι η εξωτερική πίεση, (V l -V k) είναι η διαφορά σε ειδικές τόμους. Σύμφωνα με την εξίσωση Clausius-Clausius, η θερμοκρασία τήξης εξαρτάται από την πίεση:
.
Μπορεί να φανεί ότι αν (V f -V k)> 0, τότε 
> 0, δηλ. Καθώς η πίεση αυξάνεται, το σημείο τήξης αυξάνεται. Εάν ο όγκος μιας ουσίας μειωθεί κατά την τήξη (V f -V k)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Τα άμορφα σώματα δεν έχουν θερμότητα σύντηξης. Η θέρμανση οδηγεί σε σταδιακή αύξηση του ρυθμού θερμικής κίνησης και σε μείωση του ιξώδους. Υπάρχει ένα σημείο καμπής στο γράφημα της διεργασίας, το οποίο ονομάζεται συμβατικά θερμοκρασία αποσκλήρυνσης.
