(1. Faaside reegel. 2. Faasitasakaalu diagrammide mõisted. 3. Segmentide reegel. 4. OlekuskeemIIIlahke)
1. Faaside reegel
Kui komponentide temperatuur või kontsentratsioon muutub, võib süsteem (sulam) olla erinevates olekutes. Ühest olekust teise ülemineku protsessis toimuvad selles faasimuutused - tekivad uued faasid või kaovad olemasolevad faasid.
Süsteemi oleku muutmise võimaluse, st faaside arvu ja keemilise koostise määrab selle dispersioon - vabadusastmete arv.
Definitsioon. Süsteemi vabadusastmete arv on väliste (temperatuur, rõhk) ja sisemiste (kontsentratsioon) tegurite arv, mida saab muuta ilma süsteemi faaside arvu muutmata.
Faasireegli võrrand ( Gibbsi seadus) mitmest komponendist koosneva konstantse rõhuga süsteemi jaoks on vorm
C \u003d K - F + 1, (3.1)
kus C on vabadusastmete arv (süsteemi dispersioon); K on komponentide arv; Ф on faaside arv.
Kuna vabadusastmete arv on alati suurem või võrdne nulliga, s.o. C 0, siis on komponentide arvu ja faaside vahel tingimus täidetud
Ф K + 1, (3.2)
sulamite maksimaalse võimaliku tasakaalufaaside arvu kindlaksmääramine.
2. Tasakaalufaasi diagrammide mõisted
Faasi tasakaalu diagrammid ( oleku diagrammid) kasutatakse sulamite struktuuri uurimisel, nende kuumtöötlemise viiside valikul jne.
Tasakaalufaasi diagramm näitab, millised faasid eksisteerivad antud tingimustes (komponentide kontsentratsioon ja temperatuur) tasakaalutingimustes. Diagrammi abil saab määrata agregatsiooni oleku, faaside arvu ja keemilise koostise, samuti sulami struktuurse faasi oleku, sõltuvalt selle koostisosade temperatuurist ja kontsentratsioonist.
Faasitasakaalu diagramm on "graafik", mille abstsissile on kantud komponentide kontsentratsioon (komponentide kogusisaldus mis tahes sulamis on 100%) ja ordinaadil on temperatuur. Diagrammi x-telje äärmised punktid (vasakul ja paremal) vastavad puhastele komponentidele. Selle telje mis tahes muu punkt vastab sulamikomponentide teatud kontsentratsioonile.
Näiteks kahekomponendilise sulami (joon. 3.1) puhul punkt JA vastab puhtale, s.o. sisaldab 100%, komponenti A, punkt AT- puhas komponent B, punkt C - sulam, mis sisaldab 75% A ja 25% B, punkt D - sulam, mis sisaldab 75% B-d ja 25% A-d. Kontsentratsioonitelg näitab ühe komponendi sisalduse muutust (joonis 3.1 - komponent B).
Riis. 3.1 – faasitasakaalu diagrammi koordinaadid
Faasidiagrammide koostamiseks uuritakse erineva koostisega sulameid erinevatel temperatuuridel. Traditsiooniline diagrammide koostamise meetod on termilise analüüsi meetod, mis võimaldab saada sulamite jahutuskõveraid koordinaatides "temperatuur - aeg" - jahutuskõverad(sulamid).
Sulamid jahutatakse väga väikese kiirusega, st tasakaalulähedastes tingimustes.
Jahutusskeemide koostamine toimub järgmises järjestuses:
koordinaatides "temperatuur - kontsentratsioon" tõmmake uuritud kompositsioonide sulamitele vastavad vertikaalsed jooned (mida väiksem on kontsentratsiooni samm, seda täpsem on diagramm);
nende sulamite jaoks on ehitatud jahutuskõverad;
vertikaaljoontel näitavad punktid temperatuuri, mille juures temperatuur muutub agregatsiooni olek või struktuur sulamid;
erinevate sulamite identsete teisenduste punktid on ühendatud joontega, mis piiravad süsteemi identsete olekute alasid.
Selliseid konstruktsioone teostasime laboritöös nr 1 “tsink-tina” olekudiagrammi koostamisel (“Zn – sn»).
Diagrammi välimus sõltub sellest, kuidas tahkes ja vedelas olekus olevad komponendid omavahel suhtlevad.
Lihtsaimad diagrammid on binaarsüsteemid (kahe- või kahekomponendilised) mitmekomponentseid süsteeme saab nendeks taandada "liigsete" komponentide fikseeritud väärtustega), mille põhitüüpide hulka kuuluvad sulamite olekuskeemid, mis on sisse tahkes olekus(tavalisel temperatuuril):
a) puhaste komponentide mehaanilised segud (I tüüp);
b) komponentide piiramatu lahustuvusega sulamid (II tüüp);
c) komponentide piiratud lahustuvusega sulamid (III tüüp);
d) sulamid, mis moodustavad keemilise ühendi (IV tüüpi).
Loengus käsitleme faasitasakaalu diagrammide koostamist kolmandat tüüpi faasidiagrammi näitel - komponentide piiratud lahustuvusega sulam (laboritöös käsitletakse ka teist tüüpi diagramme).
Kuid kõigepealt arutame, mis on selliste diagrammide analüüsi jaoks oluline segmendi reegel(hoob).
Sissejuhatus
1. Faasskeemide tüübid
2. Mikroelektroonikas olulised süsteemid
3. Tahke aine lahustuvus
4. Faasiüleminekud
Kirjandus
Sissejuhatus
Faasidiagrammid on lahutamatu osa igasugustest materjalide omaduste aruteludest, kui tegemist on erinevate materjalide koostoimega. Faasidiagrammid on eriti olulised mikroelektroonikas, kuna juhtmete ja passiveerivate kihtide valmistamiseks tuleb seal kasutada suurt komplekti erinevaid materjale. Integraallülituste valmistamisel on räni tihedas kontaktis erinevate metallidega, erilist tähelepanu pöörame neile faasiskeemidele, kus räni esineb ühe komponendina.
Selles essees käsitletakse faasidiagrammide tüüpe, faasisiirde kontseptsiooni, tahke aine lahustuvust, mikroelektroonika jaoks kõige olulisemaid ainete süsteeme.
1. Faasskeemide tüübid
Ühefaasilised olekudiagrammid on graafikud, mis sõltuvalt rõhust, mahust ja temperatuurist kujutavad ainult ühe materjali faasiolekut. Tavaliselt ei ole kombeks joonistada kolmemõõtmelist graafikut kahemõõtmelisele tasapinnale – need kujutavad selle projektsiooni temperatuuri-rõhu tasapinnale. Ühefaasilise olekudiagrammi näide on toodud joonisel fig. üks.
Riis. 1. Ühefaasilise oleku diagramm
Diagrammil on selgelt piiritletud piirkonnad, kus materjal võib eksisteerida ainult ühes faasis - tahke, vedela või gaasilise ainena. Mööda piiritletud jooni võib ainel olla kaks faasiolekut (kaks faasi) üksteise kontekstis. Toimub mis tahes kombinatsioon: tahke - vedelik, tahke - aur, vedel - aur. Diagrammi joonte lõikepunktis ehk nn kolmikpunktis võivad kõik kolm faasi eksisteerida samaaegselt. Lisaks on see võimalik ühel temperatuuril, nii et kolmikpunkt on hea temperatuuri võrdluspunkt. Tavaliselt on võrdluspunktiks vee kolmikpunkt (näiteks termopaare kasutades täppismõõtmistel, kus võrdluspunkt on kontaktis jää-vee-auru süsteemiga).
Kahefaasiline diagramm (kahesüsteemi olekudiagramm) kujutab kahe komponendiga süsteemi olekut. Sellistel diagrammidel on temperatuur kantud piki ordinaattelge ja segu komponentide protsent piki abstsisstellge (tavaliselt on see kas protsent kogumassist (massi%) või protsent koguarvust aatomitest (at.%)). Tavaliselt eeldatakse, et rõhk on 1 atm. Kui võtta arvesse vedelat ja tahket faasi, jäetakse mahu mõõtmine tähelepanuta. Joonisel fig. 2. näitab tüüpilist kahefaasilist olekudiagrammi komponentide A ja B jaoks, kasutades massi- või aatomprotsente.
Riis. 2. Kahefaasiline olekuskeem
Täht tähistab aine A faasi lahustunud ainega B, tähistab aine B faasi, milles aine A on lahustunud, ja + tähistab nende faaside segu. Täht (vedelikust - vedelik) tähendab vedelat faasi ning L+ ja L+ tähistavad vastavalt vedelat faasi pluss faasi või vastavalt. Faase eraldavad jooned, s.o jooned, millel võivad eksisteerida aine erinevad faasid, kannavad järgmisi nimetusi: solidus - joon, millel faasid või eksisteerivad samaaegselt faasidega L + ja L + ; solvus on joon, millel eksisteerivad samaaegselt faasid ja + või ja + ning likvidus on sirge, millel faas L ja faas L+ või L+ samaaegselt eksisteerivad.
Kahe likviidse joone lõikepunkt on sageli ainete A ja B kõigi võimalike kombinatsioonide madalaim sulamispunkt ja seda nimetatakse eutektiliseks punktiks. Segu, mille komponentide suhe on eutektilises punktis, nimetatakse eutektiliseks seguks (või lihtsalt eutektikuks).
Vaatleme, kuidas toimub segu üleminek vedelast olekust (sulamist) tahkeks ja kuidas faasidiagramm aitab ennustada kõikide antud temperatuuril eksisteerivate faaside tasakaalukoostist. Pöördume joonise fig. 3.
Riis. 3. Kahefaasiline olekudiagramm, mis näitab kõvenemisprotsesse
Oletame, et alguses oli segu temperatuuril T 1 koostisega C M, temperatuuril T 1 kuni T 2 on vedel faas ning temperatuuril T 2 eksisteerivad samaaegselt faasid L ja . Olemasoleva L faasi koostis on C M, faasi koostis on C 1 . Temperatuuri edasisel langemisel T 3 -ni muutub vedeliku koostis mööda likviidsuse kõverat ja faasi koostis muutub piki tahke kõverat, kuni see lõikub isotermiga (horisontaalne joon) T 3 . Nüüd on faasi L koostis C L ja faasi koostis on C 2 . Tuleb märkida, et koostises C 2 peab olema mitte ainult aine, mis on temperatuuril T 3 faasi läinud , vaid ka kogu aine, mis on läinud faasi kõrgemal temperatuuril, peab olema koostisega. C 2 . Selline koostiste joondamine peab toimuma komponendi A tahkisdifusiooni teel olemasolevasse faasi , nii et temperatuuri T 3 saavutamise ajaks on kogu faasis olev aine koostis C 2 . Temperatuuri edasine langus viib meid eutektilisse punkti. Selles eksisteerivad faasid ja samaaegselt vedela faasiga. Madalamatel temperatuuridel eksisteerivad ainult ja faasid. Tekib C E koostisega faaside ja segu algkoostisega C 3 agregaatidega . Seejärel saate seda segu pikka aega eutektilisest madalamal temperatuuril hoides saada tahke aine. Saadud tahke keha koosneb kahest faasist. Iga faasi koostist saab määrata isotermi ja vastava solvusjoone lõikepunktis.
Äsja näidati, kuidas määrata iga olemasoleva faasi koostist. Nüüd kaaluge igas faasis aine koguse määramise probleemi. Segaduse vältimiseks on joonisel fig. 4. Taas on näidatud lihtne kahefaasiline diagramm. Oletame, et temperatuuril T 1 on sulandi koostis C M (tähendab komponenti B), siis T 2 on faasi L koostisega CL ja faasi koostisega C s . Olgu M L aine mass tahkes olekus ja M S on aine mass tahkes olekus. Kogumassi säilimise tingimus toob kaasa järgmise võrrandi
(M L + M S)C M = M L C L + M S C S .
Riis. 4. Taseme reegel
See peegeldab asjaolu, et aine kogumass temperatuuril T 1, korrutatuna protsendiga B, on aine B kogumass. See on võrdne vedelikus esineva aine B masside summaga. tahked faasid temperatuuril T 2 . Selle võrrandi lahendamisel saame
. (1)
Seda väljendit tuntakse "tasemereeglina". Seda reeglit kasutades, teades sulandi esialgset koostist ja selle kogumassi, on võimalik kahefaasilise diagrammi mis tahes osa jaoks määrata mõlema faasi massid ja aine B kogus mis tahes faasis. Samamoodi saab arvutada
Joonisel fig. 5. näitab veel ühte näidet sulati tahkumisest. Temperatuuri langus T 1 -lt T 2 -le viib faaside L ja segunemiseni vastavalt koostisega C M ja C . Edasisel jahutamisel muutub kompositsioon L piki vedelikku ja kompositsioon - piki solidust, nagu varem kirjeldatud. Temperatuuri T 3 saavutamisel muutub koostis võrdseks C M-ga ja, nagu nivooreeglist tuleneb, temperatuuril alla T 3 ei saa vedelat faasi eksisteerida. Temperatuuril, mis on madalam kui T 4, eksisteerivad faasid ja faaside ja agregaatidena. Näiteks temperatuuril T 5 on faasi agregaatide koostis, mis on määratud isotermi T 5 ja solvus lõikepunktiga. Koostis määratakse sarnaselt - isotermi ja solvuse lõikepunktiga.
Riis. 5. Kahefaasiline diagramm ja tahkestamisprotsessi aine A kogus mis tahes faasis
Kahefaasilise diagrammi piirkonnad, mida seni nimetati ja , on tahke lahustuvuse piirkonnad: piirkonnas on lahustunud A ja B. Maksimaalne A kogus, mida antud temperatuuril B-s lahustub, sõltub temperatuurist . Eutektilisel või kõrgemal temperatuuril võib toimuda A ja B kiire sulandumine. Kui saadud sulam kiiresti jahutada, siis saab A-aatomeid B võre "püüda". Aga kui tahke aine lahustuvus toatemperatuuril on palju väiksem (see näitab, et sellel temperatuuril ei ole vaadeldav lähenemine eriti sobiv), siis võivad sulamis tekkida tugevad pinged, mis oluliselt mõjutavad selle omadusi (oluliste pingete korral tekivad üleküllastunud tahked lahused ja süsteem ei ole tasakaalus olek ja diagramm annab teavet ainult tasakaaluolekute kohta). Mõnikord on selline efekt soovitav, näiteks terase karastamisel martensiidi saamiseks. Kuid mikroelektroonikas on selle tulemus laastav. Seetõttu toimub doping, st ränile lisandite lisamine enne difusiooni, kõrgendatud temperatuuridel selliselt, et vältida liigsest legeerimisest tingitud pinnakahjustusi. Kui lisandi kogus substraadis on mis tahes temperatuuril suurem kui tahke aine lahustuvuse piir, siis tekib teine faas ja sellega seotud deformatsioon.
2. Mikroelektroonikas oluliste ainete süsteemid
On mitmeid materjale, mis lahustuvad üksteises täielikult. Näiteks on süsteem kahest nii olulisest mikroelektroonika jaoks ainest nagu räni ja germaanium. Räni-germaaniumi süsteem on näidatud joonisel fig. 6.
Riis. 6. Süsteemi räni – germaanium
Diagrammil ei ole eutektilist punkti. Sellist diagrammi nimetatakse isomorfseks. Selleks, et kaks elementi oleksid isomorfsed, peavad nad järgima Hume-Rothery reegleid, st. aatomiraadiuste väärtuste erinevus ei ületa 15%, sama tõenäosus, sama kristallvõre ja lisaks ligikaudu sama elektronegatiivsus (aatomi elektronegatiivsus on selle omane perekond, et ekstra ligi tõmmata või püüda elektronid kovalentsete sidemetega). Cu-Ni, Au-Pt ja Ag-Pd süsteemid on samuti isomorfsed.
Pb-Sn süsteem on hea näide lihtsast kahendsüsteemist, millel on märkimisväärne, kuigi piiratud, tahke lahustuvus. Selle süsteemi olekute faasiskeem on näidatud joonisel fig. 7. Soliduse ja solvuse ristumispunkti nimetatakse piirilahustuvuseks, nii tina pliis kui ka plii tinas piirlahustuvuse väärtus saab olema suur. See süsteem on mikroelektroonika jaoks oluline tina-pliijoodiste laialdase kasutamise tõttu. Nende selle süsteemi kahefaasiline diagramm näitab, kuidas sulami koostise muutmine muudab selle sulamistemperatuuri. Kui mikroskeemi valmistamisel on vaja mitut järjestikust jootmist, kasutatakse igal järgneval jootmisel madalama sulamistemperatuuriga joodist. Seda tehakse selleks, et varem tehtud joodistused ei voolaks.
Riis. 7. Plii-tina süsteemi olekute faasiskeem
Mikroskeemide tootmisel on olulised ka Au-Si süsteemi omadused, kuna selle süsteemi eutektiline temperatuur on puhta kulla või puhta räni sulamistemperatuuridega võrreldes äärmiselt madal (joonis 9). Kulla lahustuvus ränis ja räni kullas on liiga väikesed, et neid tavapärasel faasidiagrammil kuvada. Madala eutektilise temperatuuri tõttu on kasulik paigaldada laastud kullast aluspindadele, hoidikutele või kullapatjadega plaatidele, kasutades peamise keevitus- (või jootmis-) mehhanismina Au-Si eutektilist reaktsiooni. Ränikristallide jootmiseks kasutatakse ka paar protsenti germaaniumi sisaldavat kulda.
Keemilisi ühendeid moodustavate elementide kombinatsioonidel on keerulisemad olekudiagrammid. Neid saab jagada kaheks (või enamaks) lihtsamaks diagrammiks, millest igaüks viitab konkreetsele ühenduste paarile või ühendusele ja elementidele. Näiteks AuAl 2 tekib siis, kui 33% (aatomiprotsent) kulda kombineeritakse alumiiniumiga temperatuuril alla 1060 ° (joonis 2.10). Sellest reast vasakul eksisteerivad koos AuAl 2 ja puhas alumiiniumfaas. Selliseid ühendeid nagu AuAl 2 nimetatakse intermetallilisteks ja need moodustuvad kahe elemendi sobiva stöhhiomeetrilise suhtega. Intermetallilisi ühendeid iseloomustab kõrge sulamistemperatuur, keeruline kristallstruktuur ning lisaks on need kõvad ja rabedad.
Olekute Au - Al faasidiagrammi saab jagada kaheks või enamaks diagrammiks, näiteks diagrammiks Al - AuAl 2 ja AuAl 2 - Au diagrammiks.
Riis. 8. Alumiinium-räni süsteem
Au-Al süsteemi skeem on näidatud joonisel fig. 2.10 on mikroelektroonikas ülimalt oluline, kuna tavaliselt ühendatakse kuldtraadid räni peal paikneva. Siin on loetletud mitmed olulised intermetallilised ühendid: AuAl 2 , Au 2 Al, Au 5 Al 2 ja Au 4 Al. Kõik need võivad esineda Au-Al sidemete juhtides.
Riis. 9. Kuld-räni süsteem
Riis. 10. Kuld - alumiinium süsteem
3. Tahke aine lahustuvus
Enamiku lisandite piirav lahustuvus ränis on äärmiselt madal ega ole tegelikult maksimaalne lahustuvus. Joonisel fig. 11 on kujutatud ränivaba lisandi tüüpilist soliduse kõverat. Pange tähele, et lahustuvus suureneb temperatuuri tõustes kuni teatud väärtuseni ja seejärel väheneb räni sulamistemperatuuril nullini. Sellist kõverat nimetatakse retrograadseks lahustuvuse kõveraks. Selle diagrammi täiustatud versioon räni sulamistemperatuuri läheduses on näidatud joonisel fig. 12.
Riis. 11 Räni retrograadne lahustuvus
Riis. 12 Tüüpiline räni faasidiagramm
Kui ränisulandi koostis on võrdne C M-ga lahustunud aine massist, siis räni tahkub lahustunud aine sisaldusega kC M , kus k on segregatsioonikoefitsient (k=C S /C L). Kui tahke aine kontsentratsioon saavutab külmumisel C M väärtuse, on kontsentratsioon vedelas lahuses võrdne C M /k-ga, kuna vedeliku ja tahke aine kontsentratsioonide suhe peab olema võrdne k-ga. Soliidjoone kalle on seega
,
ja likviduse kalle on
.
Likviduse ja soliduse nõlvade suhe osutub võrdseks segregatsioonikoefitsiendiga
. (2)
4. Faasiüleminekud
Üleminek ühest faasiolekust teise, kui süsteemi parameetrid muutuvad.
Esimest tüüpi faasisiire (aurustamine, kondenseerumine, sulamine, kristalliseerumine, üleminekud ühelt kristalli modifikatsioonilt teisele).
Ainete kristalset olekut klassifitseeritakse seitsme süngoonia järgi (trikliinne, monokliiniline, rombiline, tetragonaalne, trigonaalne või romb..., kuusnurkne, kuup), samas kui aatomite paigutust neis süngooniates iseloomustab 14 tüüpi võre (Brave). võre). Aatomite pakkimise aste nendes võres on erinev:
Lihtkuup f = 0,52
Mahutsentreeritud kuupf = 0,68
FCC f = 0,74
Kuusnurkne tihend f = 0,74
Nendest andmetest järeldub väga oluline järeldus: polümorfsete transformatsioonide (kristallvõre tüübi muutumise) käigus toimub ruumala ja sellest tulenevalt materjalide füüsikalis-keemiliste omaduste muutus.
Esimest tüüpi üleminekutes eksisteerivad üleminekupunktis kaks faasi.
A B
a) üleminek toimub teatud temperatuuril T per
b) ülemineku käigus muutuvad järsult esimesed energia tuletised: entalpia, entroopia, maht (seega ka tihedus)
Teist tüüpi faasisiire
Teist tüüpi üleminekute ajal muutuvad vaba energia, entalpia, entroopia, ruumala ja tiheduse esimesed tuletised monotoonselt.
Baariumtitanaat – kuubikujuline struktuur –> tetragonaalne tüüpiline piesoelektriline.
MnO on antiferromagnet 117 K juures läheb paramagnetilisse faasi.
1. Eripresiti 1933. aastal välja pakutud faasiteisenduste klassifikatsiooni järgi jagunevad teisendused esimest ja teist tüüpi teisendusteks (üleminekuteks).
Esimest tüüpi üleminekuid iseloomustab asjaolu, et termodünaamilise potentsiaali esimesed tuletised temperatuuri ja rõhu suhtes muutuvad astmeliselt
siin S on entroopia, V on maht
Kuna termodünaamiline potentsiaal faasisiirde ajal muutub pidevalt, määratakse avaldisega
siis peab ka energia U järsult muutuma. Sest
siis üleminekusoojus
on võrdne temperatuuri ja faaside entroopia erinevuse korrutisega, st soojuse järsu muutuse või neeldumisega.
Tähtis on termodünaamilise potentsiaali pidev muutumine. Funktsioonid (T) ja (T) ei muuda omadusi faasisiirdepunkti lähedal, samas kui termodünaamilise potentsiaali miinimumid on mõlemal pool faasisiirdepunkti.
See funktsioon selgitab faaside ülekuumenemise või ülejahtumise võimalust süsteemi faasisiirete korral.
Teeme kindlaks seose termodünaamiliste funktsioonide hüpete ja . Pärast temperatuuri diferentseerimist saame seose Funktsioon (Р, Т) = (Р, Т), võttes arvesse S, V ja q avaldisi.
See on tuntud Clausise valem. See võimaldab teil määrata tasakaalus olevate faaside rõhu muutust temperatuuri muutusega või üleminekutemperatuuri muutust kahe faasi vahel koos rõhu muutumisega. Mahu järsk muutus toob kaasa kindla seose puudumise struktuuri ja faaside süsteemi vahel, mis muunduvad esimest järku faasisiirde käigus, mis seetõttu muutuvad järsult.
Esimest tüüpi faasisiiretele on tüüpilised üleminekud aine agregeeritud olekute vahel, allotroopsed teisendused ja paljud faasimuutused mitmekomponentsetes materjalides.
Põhiline erinevus teist järku faasisiirete ja esimest järku faasisiirete vahel on järgmine: teist järku siirdeid iseloomustab nii termodünaamilise potentsiaali muutumise pidevus kui ka termodünaamilise potentsiaali tuletiste muutumise pidevus.
Keemiline tasakaal
Termodünaamiline funktsioon - olekufunktsioon, mis määrab termodünaamiliste potentsiaalide muutumise koos osakeste arvu muutumisega süsteemis. Teisisõnu on funktsioon, mis määrab komponendi spontaanse ülemineku suuna ja piiri ühest faasist teise sobivate teisenduste ja tingimustes (T, P, V, S, n i).
Termodünaamilised potentsiaalid on omavahel seotud järgmiste seostega
Aine kogus grammides; - aine kogus moolides;
M on vastava aine molekulmass.
Tahkete lahuste teooria jaoks, millel töötavad kõik mikroelektroonilised seadmed, on Gibbsi välja töötatud keemiliste potentsiaalide meetod väga oluline. Keemilist tasakaalu saab määrata keemiliste potentsiaalide abil.
Keemilist potentsiaali iseloomustab energia 1 aatomi kohta
Keemiline potentsiaal; G on Gibbsi energia;
N o - Avogadro number, N A - L \u003d mol -1
st (P, T) = (P, T)
Mõlemad kõverad iseloomustavad monotoonset temperatuuri langust, määrates faasientroopia väärtuse
Faasidiagrammid on materjalide omaduste arutelu lahutamatu osa, kui tegemist on erinevate materjalide vastastikmõjuga.
Ühefaasilised olekudiagrammid kujutavad ainult ühe materjali faasiolekut.
Kahefaasiline diagramm (kahesüsteemi olekudiagramm) kujutab kahe komponendiga süsteemi olekut.
Keemilisi ühendeid moodustavate elementide kombinatsioonidel on keerulisemad olekudiagrammid.
Kirjandus
1. Ormont BF Sissejuhatus pooljuhtide füüsikalisse keemiasse ja kristallkeemiasse. - M .: Kõrgkool, 1973.
2. Füüsiline metallurgia / Toimetanud Kahn R., kd. 2. Faaside teisendused. Metallograafia. – M.: Mir, 1968.
3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Pooljuht- ja dielektriliste materjalide tehnoloogia", - M .: Kõrgkool, 1990.
4. "Pooljuhtide ja pooljuhtseadmete töötuba", /Toim. Šalimova K.V. - M .: Kõrgkool, 1968.
Kaaluge P− T− X kahendsüsteemide diagrammid. Intensiivne õppetöö P− T− X olekudiagrammid on näidanud, et kõrgete rõhkude (kümnete ja sadade tuhandete atmosfääride) kasutamine toob mõnel juhul kaasa olekudiagrammi tüübi muutumise, faaside ja polümorfsete transformatsioonide temperatuuride järsu muutuse, uued faasid, mis antud süsteemis atmosfäärirõhul puuduvad. Näiteks diagramm, millel on kõrgetel temperatuuridel piiramatu lahustuvus tahkes olekus ja tahke lahuse α lagunemine madalatel temperatuuridel kaheks tahkeks lahuseks α1 + α2, võib järk-järgult muutuda diagrammiks, millel on eutektika suureneva rõhuga (vt joonis 1). 4.18, a). Joonisel fig. 4.18, b näitab Ga-P süsteemi faasidiagrammi, milles GaP pooljuhtühend moodustub. Sõltuvalt rõhust võib see ühend sulada ühtlaselt või ebaühtlaselt. Sellest lähtuvalt muutub ka topeltdiagrammi välimus. T− X erinevatel isobaarilistel lõikudel kolmik P− T− X diagrammid.
Praktikas maht P− T− X graafikud on väga haruldased. Tavaliselt on faasimuutused kolmemõõtmelised P− T− X ana diagrammid
Riis. 4.18. a- P− T− X diagramm; b- P− T− X oleku diagramm
Ga-P süsteemid, milles on ühtlane ja ebaühtlane sulav GaP ühend
rõhust sõltuv.
lüüsi, kasutades oma projektsioone tasapinnal P− T, T− X ja P− X, samuti erinevad sektsioonid konstantse temperatuuri või rõhu väärtustega (vt joonis 4.18, a).
Pange tähele, et süsteemi faasiteisenduste analüüsimisel tuleks vahet teha P− T− X faasidiagrammid, milles dissotsiatsioonirõhk P dis9 vähe ja P faasidiagrammis on välisrõhk ja milles dissotsiatsioonirõhk on kõrge ja P- see P dis. Süsteemides, mille komponentide dissotsiatsioonirõhk on madal ja milles segu maksimaalne sulamistemperatuur on madalaimast keemistemperatuurist madalam (süsteemis ei ole lenduvaid komponente), võib gaasifaasi rolli faasimuutustes tähelepanuta jätta. Kui mõne komponendi dissotsiatsioonirõhk on kõrge (süsteem sisaldab väga lenduvaid komponente), siis tuleb gaasifaasi koostist arvestada nii likviidsust kõrgemal kui ka madalamal temperatuuril.
Vaatleme üksikasjalikumalt faasiskeeme P dis − T− X kõrge
dissotsiatsioonirõhk (faasidiagrammid lenduvate komponentidega). Tuleb märkida, et tähelepanu neile on suurenenud lenduvaid komponente sisaldavate ühendite osatähtsuse suurenemise tõttu pooljuhtelektroonikas. Nende hulka kuuluvad näiteks fosfori ja arseeni lenduvaid komponente sisaldavad IIIBV ühendid, elavhõbedat sisaldavad AIVBVI ühendid, väävlit sisaldavad AIVBVI jne.
Kõigil pooljuhtühenditel on enam-vähem laiendatud homogeensuspiirkond, see tähendab, et nad on võimelised iseenesest lahustuma
9 P- tasakaalutusrõhk kõigi tasakaalus olevate faaside dissotsiatsioonitingimuste jaoks. Kui süsteemis on üks lenduv komponent P dis on süsteemi väga lenduva komponendi tasakaaluline dissotsiatsioonirõhk.
mis tahes komponent, mis ületab stöhhiomeetrilist koostist, või kolmas komponent.
Kõik kõrvalekalded stöhhiomeetrilisest koostisest mõjutavad elektrilisi omadusi (vt ptk 3). Seetõttu on soovitud omadustega lenduvat komponenti sisaldavate kristallide reprodutseeritavaks saamiseks vaja ka antud koostisega ühendeid reprodutseeritavalt saada.
Ühendi ühe komponendi lenduvus põhjustab aga kõrvalekaldeid stöhhiomeetrilisest koostisest, mis on tingitud vabade – anioonsete või katioonsete – tekkest, olenevalt sellest, kumma komponendi dissotsiatsioonirõhk on kõrgem ja vastavalt ka teise komponendi liig. . Nagu juba ptk. 3, vabad kohad paljudes ühendites võivad tekitada aktseptori või doonori taseme, mõjutades seeläbi füüsikalisi omadusi.
A- ja B-positsioonide vabade kohtade tekkimise energia ei ole praktiliselt kunagi sama, seetõttu on ka anioonsete ja katioonsete vakantside kontsentratsioon erinev ning ühendi homogeensuspiirkond osutub stöhhiomeetrilise koostise suhtes asümmeetriliseks. Vastavalt sellele ei vasta praktiliselt kõikide ühendite maksimaalne sulamistemperatuur stöhhiomeetrilise koostisega sulamile.10
Lenduvusest tingitud ühendi koostise muutumist saab vältida, kasvatades seda sulamist või lahusest lenduva komponendi välisrõhul, mis on võrdne dissotsiatsioonirõhuga kasvutemperatuuril. See tingimus valitakse kasutades P dis − T– X diagrammid.
Väga lenduva komponendi dissotsiatsioonirõhk sulamites sõltub tugevalt selle koostisest, reeglina väheneb selle komponendi kontsentratsiooni vähenemisega, nagu näiteks In-As süsteemi puhul (arseeni dissotsiatsioonirõhk väheneb peaaegu neli suurusjärku koos arseeni kontsentratsiooni langusega vahemikus 100 kuni 20%. Selle tulemusena on ühendis lenduva komponendi dissotsiatsioonirõhk palju väiksem kui puhta komponendi dissotsiatsioonirõhk samal temperatuuril.
Seda asjaolu kasutatakse selle ühendi saamiseks kahe temperatuuri skeemis. Ühes ahjus luuakse kaks temperatuuritsooni.
10 Siiski kasutatakse kitsa homogeensuspiirkonnaga ühendite, eriti AIII BV , ja enamiku ühendite, eriti AIV BVI , homogeensuspiirkonna keskmise laiusega ühendite puhul kongruentselt sulavate ühendite mõistet, kuna tegeliku väärtuse kõrvalekalded ühendi sulamistemperatuur stöhhiomeetrilise ühendi sulamistemperatuurist on ebaoluline .
Riis. 4.19. P dis − T osa P dis − T− X Pb–S süsteemi olekuskeemid. 1 -
kolmefaasiline liin; 2 - PS 2 puhast väävlit üle PbS+S2; 3 - PS 2 üle PbS+Pb.
Ühel on temperatuur T 1 on võrdne ühendi kristalliseerumistemperatuuriga. Siin asetatakse konteiner sulatisega. Teises tsoonis asetatakse ühendi puhas lenduv komponent As. Temperatuur T 2 teises tsoonis hoitakse võrdsena temperatuuriga, mille juures lenduva komponendi dissotsiatsioonirõhk selle puhtal kujul on võrdne selle komponendi dissotsiatsioonirõhuga ühendis temperatuuril. T 1. Selle tulemusena on esimeses tsoonis ühendi kohal oleva lenduva komponendi aururõhk võrdne selle osalise dissotsiatsioonirõhuga ühendis, mis takistab selle komponendi lendumist sulatisest ja tagab ühendi kristalliseerumise. antud kompositsioon.
Joonisel fig. 4.19 antakse P− T Pb-S faasidiagrammi projektsioon.
Tahke joon näitab tahke, vedela ja gaasilise faasi kolmefaasilist tasakaalujoont, mis piirab tahke ühendi stabiilsuspiirkonda; punktiirjoon – isokontsentratsioonijooned homogeensuse piirkonnas. Isokontsentratsiooni jooned näitavad koostisi, mille stöhhiomeetriast (samad koostised) on võrdne kõrvalekalle plii liia (juhtivus) suunas n-tüüpi) või liigse väävli suunas (juhtivus lk-tüüp), tasakaal etteantud temperatuuri ja väävliauru rõhu väärtustel. Liin n= lk vastab temperatuuri ja rõhu väärtustele PS 2, kus tahkel faasil on rangelt stöhhiomeetriline koostis. See läbib kolmefaasilist joont temperatuuril, mis on stöhhiomeetrilise ühendi sulamistemperatuur. või liigse väävli suunas (juhtivus lk-tüüp).
Nagu näha jooniselt fig. 4.19, on stöhhiomeetrilise koostisega ühendi sulamistemperatuur madalam kui maksimaalne sulamistemperatuur, mis on pliisisaldusega sulamil valemi koostisega võrreldes. On näha kristallide koostise teravat sõltuvust lenduva komponendi aururõhust. Kõrgetel temperatuuridel lähenevad kõik erinevatele koostistele vastavad kõverad joonele n= lk. Temperatuuri langedes suureneb erinevatele koostistele vastavate tasakaalurõhkude vahe. See seletab raskusi antud koostisega sulami saamisel vahetult kõrgel temperatuuril toimuva kristallimise käigus. Kuna erinevate koostiste osarõhukõverad on lähedased, võivad väikesed juhuslikud kõrvalekalded lenduva komponendi aururõhus kaasa tuua tahke faasi koostise märgatava muutuse.
Kui kristallile rakendatakse pärast kasvamist pikemaajalist lõõmutamist madalamatel temperatuuridel ja sellisel rõhul, et erinevate koostiste isokontsentratsioonijooned lahknevad järsult, saab kristalli koostise viia soovitud väärtuseni. Seda kasutatakse sageli praktikas.
) — termodünaamilise süsteemi olekute graafiline kujutamine peamiste olekuparameetrite - temperatuuri - ruumis T, surve lk ja koostis x.
Kirjeldus
Faasidiagrammid võimaldavad välja selgitada, millised faasid (st homogeensed alamsüsteemid, mis erinevad struktuurilt ja/või omadustelt teistest) võivad antud süsteemis antud tingimustes ja koostises esineda. Paljudest faasidest ja komponentidest koosnevate keerukate süsteemide puhul on eksperimentaalsetest andmetest ja termodünaamilise simulatsiooni andmetest faasidiagrammide koostamine kõige olulisem viis erinevate protsesside käigus toimuva käitumise ennustamiseks. Väljade suhtelise asukoha, neid eraldavate pindade ja joonte ning viimaste ristumispunktide analüüs võimaldab üheselt ja selgelt määrata faasitasakaalu, uute faaside ja keemiliste ühendite tekkimise tingimused. süsteem, vedelate ja tahkete lahuste teke ja lagunemine jne.
Olekudiagramme kasutatakse materjaliteaduses, metallurgias, nafta rafineerimisel, keemiatehnoloogias (eelkõige ainete eraldamise meetodite väljatöötamisel), elektroonikaseadmete ja mikroelektroonika tootmisel jne. Nende abiga luuakse tingimused tööstuslikuks sünteesiks valitakse ained, määratakse faasiüleminekutega seotud protsesside suund ja kuumtöötlusrežiimide valik, optimaalsete faasikompositsioonide otsimine jne.
Ühekomponentsete süsteemide faasiskeemid on kujutatud tasapinnal koordinaatidena p–T. Need sisaldavad faasitasakaalu joontega eraldatud välju, mis vastavad aine ühe või teise faasi olemasolule (gaasilised, vedelad, mitmesugused tahked modifikatsioonid), mida mööda on võimalik külgnevate faaside kooseksisteerimine. Kohad, kus kolm erinevat faasitasakaalu joont koonduvad, moodustavad nn kolmikpunktid, milles võivad koos eksisteerida kolm faasi. See on maksimaalne faaside arv, mis võib ühekomponendilistes süsteemides tasakaalus eksisteerida.
Faasidiagrammi antud punktis olevate faaside arv määratakse Gibbsi faasireegliga ja on n + 2 – f, kus n- komponentide arv, st need ained, mille hulk süsteemis võib muutuda teistest sõltumatult, number 2 vastab rõhule ja temperatuurile (seega, n+ 2 on süsteemi olekut määravate parameetrite arv ja f- vabadusastmete arv, st nende üldistatud jõudude arv (rõhk, temperatuur, komponentide keemilised potentsiaalid), mida saab teatud piirides iseseisvalt muuta, ilma tasakaalufaasi koostist muutmata.
Näiteks ühekomponendilise faasidiagrammi väljade sees, kus on üks faas, saab rõhku ja temperatuuri sõltumatult muuta ning kolmikpunkt on nn muutumatu tasakaalupunkt.
Lisaks võib ühekomponendilise süsteemi faasidiagramm kujutada metastabiilseid faase, st faase, mis ei ole tasakaalus, kuid on kineetilise stabiilsuse tõttu võimelised eksisteerima teatud parameetrite vahemikus pikka aega, aga ka kriitilist punkti - punkt vedeliku-gaasi tasakaalujoonel, mille järel kaob nende faaside omaduste järsk erinevus ja faasisiirde mõiste kaotab oma tähenduse.
Lisaks temperatuurile ja rõhule võib arvesse võtta ka muid süsteemi oleku parameetreid, näiteks magnetvälja tugevust ( H). Seejärel muutub faasidiagramm mitmemõõtmeliseks ja selle erinevaid lõikeid võetakse näiteks arvesse H–T, ja faasireeglis muutub number 2 vastavaks üldistatud jõudude (väljade) arvuks.
Mitmekomponentsete süsteemide faasiskeemid on samuti mitmemõõtmelised. Mugav on uurida nende tasapinnalisi lõike, nagu temperatuur-koostis ja rõhk-koostis. Kolmekomponentsete süsteemide faasidiagrammide isobaar-isotermiliste lõikude jaoks, mis kirjeldavad süsteemi faasilise koostise sõltuvust ainult selle komponentide koostisest, kasutatakse nn Gibbsi kolmnurki.
Ülalkirjeldatud üldsätted kehtivad ka mitmekomponentsete faasidiagrammide puhul. Näide isobaarilisest ( T–x) kahekomponendilise faasidiagrammi ristlõigetest on näidatud joonisel fig. Selliste diagrammide väljad võivad vastata ühele või kahele samaaegselt eksisteerivale faasile, sealhulgas komponentide sulatamisele, puhaste komponentide tahketele faasidele või nende vahepealse koostisega ühenditele, tahkete lahuste faasidele.
Faasi suhe kahele faasile vastavas väljas määratakse kangi reegliga - see on pöördvõrdeline horisontaalsete kauguste ja välja piiravate faasitasakaalu joonte suhtega ning horisontaaltasandi ja nende joontega ristumiskoha koordinaadid määravad. kooseksisteerivate faaside komponentide koostis.
Oluliste elementide hulgas T–x kahekomponentsete diagrammide ristlõiked, likviidsusjoon, mille kohal on ainult vedel faas; soliduse joon, millest allpool esineb ainult tahke faas, eutektilised punktid (kongruentse sulamispunktid), mis on ühised solidusele ja liquidusele (viimase katkemisel) ja peritektilised punktid (ebakongruentse sulamispunktid, st sulamine koos osalise lagunemisega tahke faas) kõveral liquidus, milles võivad koos eksisteerida vedel faas ja kaks tahket faasi, samuti vastavad eutektiliste ja peritektiliste transformatsioonide horisontaalsed jooned.
Nanosuuruses osakestest koosnevate faaside puhul võivad füüsikalised omadused sõltuda suurusest, seetõttu täidetakse faasidiagramm mõnikord dispersiooniskaalaga.
Illustratsioonid
Autorid
- Goldt Ilja Valerievich
- Ioffe Ilja Naftoljevitš
Allikad
- Anosov V. Ya., Pogodin S. A. Füüsikalise ja keemilise analüüsi põhiprintsiibid. - M.–L.: ENSV Teaduste Akadeemia Kirjastus, 1947. - 876 lk.
- Keemia entsüklopeedia. - M.: Nõukogude entsüklopeedia, 1988.
Faas on aine termodünaamiline tasakaaluseisund, mis erineb füüsikaliste omaduste poolest sama aine muudest võimalikest tasakaaluolekutest. Aine üleminek ühest faasist teise – faasiüleminek – on alati seotud organismi omaduste kvalitatiivsete muutustega. Faasiülemineku näide võib olla agregatsiooni oleku muutusena. Kuid mõiste "faasiüleminek" on laiem, sest see hõlmab ka aine üleminekut ühelt modifikatsioonilt teisele, säilitades samal ajal agregatsiooniseisundi (polümorfismi), näiteks teemandi muutumist grafiidiks.
Faasiüleminekuid on kahte tüüpi:
1. tüüpi faasiüleminek - sellega kaasneb soojuse neeldumine või vabanemine, mahu muutus ja see toimub konstantsel temperatuuril. Näited: sulamine, kristalliseerumine, aurustamine, sublimatsioon (sublimatsioon) jne.
2. tüüpi faasiüleminekud - kulgevad ilma soojuse eraldumise või neeldumiseta, säilitades samal ajal ruumala väärtuse, kuid soojusmahtuvuse järsu muutusega. Näited: ferromagnetiliste mineraalide üleminek teatud rõhkude ja temperatuuride juures paramagnetilisse olekusse (raud, nikkel); mõnede metallide ja sulamite üleminek 0 0 K lähedasel temperatuuril ülijuhtivasse olekusse (ρ = 0 Ohm∙m) jne.
Keemiliselt homogeense aine puhul langeb faasi mõiste kokku agregaatoleku mõistega. Vaatleme sellise süsteemi faasiteisendusi, kasutades selguse huvides olekudiagrammi. Sellel on koordinaatides p ja T seatud sõltuvus faasisiirete temperatuuride ja rõhu vahel. Need sõltuvused aurustumiskõverate (EW), sulamise (M) ja sublimatsiooni (OS) kujul moodustavad faasidiagrammi.
Kõverate lõikepunkt O määrab tingimused (T ja p väärtused), mille korral on kõik kolm aine agregeeritud olekut termodünaamilises tasakaalus.
Sel põhjusel nimetatakse seda kolmikpunktiks. Näiteks on vee kolmikpunkt Celsiuse temperatuuriskaala (0 0 C) üks võrdluspunkte. Nagu Clausiuse-Clapeyroni võrrandist tuleneb, võib tahke-vedeliku ülemineku (OP kõverate) T = f (p) sõltuvuse olemus olla erinev: selle sõltuvuse kulg on näidatud joonisel fig. 2a. Ainete puhul, mis vähendavad mahtu vedelasse faasi üleminekul, on sõltuvus joonisel fig. 2b.
Aurustumiskõver lõpeb kriitilise punktiga - To. Nagu diagrammil näha, on vedeliku pidev üleminek gaasifaasi ilma aurustumiskõverat ületamata, s.t. ilma sellisele üleminekule omaste faasimuutusteta.
Rõhul alla p tr.tchk. , võib aine eksisteerida ainult kahes faasis: tahkes ja gaasilises faasis. Veelgi enam, temperatuuril alla T tr.tchk. , on vedelast faasist mööda minnes võimalik üleminek tahkest olekust gaasiliseks. Seda protsessi nimetatakse sublimatsiooniks või sublimatsiooniks. Sublimatsiooni erisoojus
τ alam \u003d λ pl + r kasutamine
TAHKE KEHA.
Tahke aine on aine agregatsiooni olek, mida iseloomustab molekulidevahelise interaktsiooni oluliste jõudude olemasolu, kuju ja mahu stabiilsus. Tahke keha osakeste soojusliikumine on väikese amplituudiga kõikumine tasakaaluasendi ümber. Seal on tahkete ainete kristalseid ja amorfseid struktuure.
Kristallide mikrostruktuuri iseloomulik tunnus on nende sisemiste elektriväljade ruumiline perioodilisus ja korratavus kristalle moodustavate osakeste - aatomite, ioonide ja molekulide - paigutuses (pikamaa järjestus). Osakesed vahelduvad kindlas järjekorras mööda sirgeid jooni, mida nimetatakse sõlmedeks. Kristalli mis tahes lamedas lõigus moodustavad kaks ristuvat selliste joonte süsteemi absoluutselt identsete rööpkülikute komplekti, mis tihedalt, ilma tühikuteta katavad lõiketasandi. Ruumis moodustab selliste joonte kolme mittetasapinnalise süsteemi ristumiskoht ruumilise ruudustiku, mis jagab kristalli täiesti identsete rööptahukate kogumiks. Kristallvõre moodustavate joonte lõikepunkte nimetatakse sõlmedeks. Sõlmede vahelisi kaugusi mingis suunas nimetatakse tõlketeks või võreperioodideks. Kolmele mitte-tasapinnalisele tõlkele ehitatud rööptahukat nimetatakse elementaarraku või võre korratavusega rööptahukaks. Kristallvõrede kõige olulisem geomeetriline omadus on sümmeetria osakeste paigutuses teatud suundade ja tasandite suhtes. Sel põhjusel, kuigi ühikelemendi valimiseks on mitu võimalust, tuleb antud kristallstruktuuri jaoks valida see nii, et see vastaks võre sümmeetriale.
Kristalle klassifitseeritakse kahe märgi järgi: a) kristallograafiline – kristallvõre geomeetria järgi ja b) füüsikaline – kristallvõre sõlmedes paiknevate osakeste interaktsiooni olemuse ja nende olemuse järgi.
Kristallvõrede ja nende elementaarrakkude geomeetria määrab selle võre ehitamisel kasutatud sümmeetriaelementide arv. Võimalike sümmeetriatüüpide arv on piiratud. Vene kristallograaf E.S. Fedorov (1853 - 1919) näitas, et võimalikke sümmeetriaelementide kombinatsioone on vaid 230, mis läbi paralleeltõlke, peegelduse ja pööramise annavad tiheda, s.o. ilma tühikute ja piludeta, mis pakkiksid ruumis elementaarseid rakke. Bravais näitas, et on ainult 14 tüüpi võreid, mis erinevad translatsioonilise sümmeetria kujul. On olemas primitiivsed (lihtsad), alusekesksed, mahukesksed ja näokesksed Bravaisi võred. Vastavalt raku kujule, sõltuvalt selle pindade α, β ja γ vahelistest nurkadest ning ribide pikkuse vahekorrast a, b ja koos need 14 võretüüpi moodustavad seitse kristallisüsteemi (sügooniat): kuubikujulised, kuusnurksed, tetragonaalsed, trigonaalsed või romboeedrilised, rombilised, monokliinilised ja trigonaalsed.
Kristallvõre sõlmedes paiknevate osakeste interaktsiooni olemuse ja nende olemuse järgi jagatakse kristallid nelja tüüpi: ioonsed, aatom-, metalli- ja molekulaarsed.
Iooniline - kristallvõre sõlmedes on vastupidise märgiga ioonid; interaktsioon on tingitud elektrostaatilistest külgetõmbejõududest (ioonne või heteropolaarne side).
Aatomi-neutraalsed aatomid asuvad kristallvõre sõlmedes, mida hoiavad sõlmedes homöopolaarsed ehk kovalentsed sidemed.
Metalliline – positiivsed metalliioonid paiknevad kristallvõre sõlmedes; vabad elektronid moodustavad nn elektrongaasi, mis tagab ioonide sidumise.
Molekulaarsed - neutraalsed molekulid asuvad kristallvõre sõlmedes, mille vahelised vastasmõjujõud on tingitud aatomi elektronpilve kergest nihkest (polarisatsioon või van der Waalsi jõud).
Kristallkehad võib jagada kahte rühma: monokristallid ja polükristallid. Üksikkristallide puhul täheldatakse üksikkristallvõret kogu keha mahus. Ja kuigi sama tüüpi monokristallide väliskuju võib olla erinev, on vastavate tahkude vahelised nurgad alati samad. Üksikkristallide iseloomulik tunnus on mehaaniliste, termiliste, elektriliste, optiliste ja muude omaduste anisotroopsus.
Üksikkristalle leidub looduses sageli loomulikus olekus. Näiteks enamik mineraale on kristallid, smaragdid, rubiinid. Praegu kasvatatakse tööstuslikel eesmärkidel paljusid monokristalle lahustest ja sulamistest kunstlikult - rubiinid, germaanium, räni, galliumarseniid.
Üks ja sama keemiline element võib moodustada mitu geomeetriliselt erinevat kristallstruktuuri. Seda nähtust nimetatakse polümorfismiks. Näiteks süsinik on grafiit ja teemant; jää viis modifikatsiooni jne.
Kristallkehade puhul reeglina ei esine õiget väliskülge ja omaduste anisotroopiat. Seda seetõttu, et kristalsed tahked ained koosnevad tavaliselt paljudest juhuslikult orienteeritud väikestest kristallidest. Selliseid tahkeid aineid nimetatakse polükristallilisteks. See on tingitud kristalliseerumise mehhanismist: kui selleks protsessiks vajalikud tingimused on saavutatud, tekivad kristallisatsioonikeskused samaaegselt paljudes algfaasi kohtades. Tuumaga kristallid paiknevad ja orienteeruvad üksteise suhtes täiesti juhuslikult. Sel põhjusel saame protsessi lõpus tahke keha kokkukasvanud väikeste kristallide - kristalliitide - konglomeraadi kujul.
VEAD KRISTALLIDES.
Päriskristallidel on mitmeid ideaalse struktuuri rikkumisi, mida nimetatakse kristallide defektideks:
a) punktide defektid
Schottky defektid (osakesed ei ole hõivatud sõlmedega);
Frenkeli defektid (osakeste nihkumine sõlmedest interstitsiaalidesse);
lisandid (implanteeritud võõraatomid);
b) lineaarne - nihestused, servade ja kruvide lokaalsed häired osakeste paigutuse korrapärasuses, mis on tingitud üksikute aatomitasandite ebatäielikkusest või nende ehitamise järjestusest;
c) tasapinnaline - peeglite vahelised piirid, lineaarsete dislokatsioonide read.
AMORFNE TAHKE KEHA.
Amorfseid tahkeid aineid oma paljudes omadustes ja peamiselt mikrostruktuuris tuleks käsitleda kui väga kõrge viskoossusteguriga ülijahutatud vedelikke. Energeetilisest vaatenurgast on kristalsete ja amorfsete tahkete ainete erinevus selgelt näha tahkestumise ja sulamise protsessis. Kristallkehadel on sulamistemperatuur – temperatuur, mil aine eksisteerib stabiilselt kahes faasis – tahkes ja vedelas (joonis 1). Tahke molekuli üleminek vedelikuks tähendab, et see omandab kolm täiendavat translatsioonilise liikumise vabadusastet. See. aine massiühik T pl. on vedelas faasis suurem siseenergia kui sama mass tahkes faasis. Lisaks muutub osakeste vaheline kaugus. Seetõttu on kristalli massiühiku vedelikuks muundamiseks vajalik soojushulk üldiselt järgmine:
λ \u003d (U W -U k) + P (V W -V k),
kus λ on sulamis (kristalliseerumise) erisoojus, (U f -U k) on vedeliku ja kristallilise faasi siseenergia vahe, P on välisrõhk, (V f -V k) on erinevus konkreetsed mahud. Klaiperoni-Clausiuse võrrandi kohaselt sõltub sulamistemperatuur rõhust:
.
On näha, et kui (V W -V k)> 0, siis 
> 0, st. rõhu suurenemisega sulamistemperatuur tõuseb. Kui sulamise ajal aine maht väheneb (V W -V k)<
0 (вода, висмут), то рост давления приводит
к понижению Т пл.
Amorfsetel kehadel ei ole sulamissoojust. Kuumutamine toob kaasa soojusliikumise kiiruse järkjärgulise suurenemise ja viskoossuse vähenemise. Protsessi graafikul on käändepunkt, mida tinglikult nimetatakse pehmenemispunktiks.
