1. tétel

 

Elemi részecskék, atomok (Bohr-féle atommodell és kvantum mechanikai atommodell közötti különbség, hogy függ össze a pályahossz és a De- Broglie-féle hullámhossz?) a pályasugár és az energiaszintek kifejtése.

 

Az atom kisméretű, nagy tömegű, pozitív töltésű magból áll, amely körül viszonylag nagy távolságban igen kis tömegű, negatív töltésű elektronok mozognak. Az atomok kifelé elektromosan semlegesek, a rendszám, a magtöltések száma és az atomban lévő elektronok száma megegyezik. Az atommag tömege általában nagyobb, mint az atomok rendszáma, amely megegyezik az atommag töltéseinek számával.

Az atomok elemi részecskei:

- Proton

- Neutron

- Elektron

Bohr-fele atommodell:

Atomokban stacionárius pályák (orbitok) léteznek, amelyeken az elektron sugárzás nélkül keringhet. Az elektron impulzus nyomatéka csak a Plank-féle állandó egész számú többszöröse lehet.

- Az atomon belül az elektronok csak meghatározott En (n = 1, 2, 3…) energiának megfelelő diszkrét pályán mozognak.

- Az adott energiaszinten az elektronok mozgása sugárzás mentesen történik. A magasabb energiájú E2 pályáról az alacsonyabb E1 energiájú elektronpályára történő átmenet egy v = (E2 – E1)/h frekvenciájú foton kibocsátásával, illetve elnyelésével jár.

- Stacionárius állapotban az elektron forgási impulzusa csak diszkrét értékeket vehet fel. (m*v*r = n*h/2π).

Egy mozgó részecskéhez rendelt hullám hullámhossza.

- A (α) hullámhosszat a α=h/mv összefüggés adja meg, ahol h a Planck-állandó, m a részecske tömege, v a sebessége. A hipotézis illeszkedik a Bohr-féle modellhez. Az atommag körül az elektron olyan pályákon kering stabilan, amelyre a pálya hossza épp az elektron hullámhosszának egész számú többszöröse.

Kvantummechanikai atommodell:

- A klasszikus mechanika szabályán alapuló determinisztikus modellekben az elektronokat kicsiny, tömör golyóknak feltételezzük, melyek tartózkodási helye pontosan ismert, impulzusuk és energiájuk meghatározott. A klasszikus modell determinisztikus, a kvantummechanikai modell az elektron tartózkodási valószínűséget adja meg a helykoordináta szerint sűrűség függvénnyel.

A pályasugarak és az energiaszintek kifejtése:

- Ha az elektron egy r sugarú pályán v sebességgel kering, akkor a negatív töltésű elektron és a neve azonos pozitív töltésű atommag között vonzóerő lép fel.

- A lehetséges pályákat az a feltétel határozza meg, hogy az elektron impulzusnyomatéka csak Plank-féle állandó egész számú többszöröse lehet. Az elektron impulzusa = mv

- Egyik pályáról a másikra való átlépéskor kisugárzott vagy elnyelt energia mennyiségének meghatározásához ismerni kell az elektron potenciális energiáját.

 

2. Tétel

 

Kvantumszámok, Pauli-elv, héjak, rajta levő elektronok száma.

 

a) Kvantumszámok

Műszaki szempontból az atommag szerkezete csak kivételes esetben játszik szerepet. Az elektronoknak a kvantumelmélet által előírt lehetséges pályákon való elhelyezkedését 4 un. kvantumszám határozza meg. Ezek közül az egyik az egyenleteinkben szereplő n az un. fő kvantumszám, amely 1-től kezdve bármely pozitív szám lehet. A növekvő n kvantumszámhoz K, L, M, N betűvel jelzett héjak tartoznak. Minél nagyobb a fő kvantumszám annál nagyobb a héjon lévő elektron energiája es közepes a távolsága az atommagtól. l-lel jelölt mellékkvantumszám jelzi, hogy a körpályának feltételezett elektronpálya a körtől bizonyos fokig eltér különböző pályaimpulzusokkal rendelkeznek az elektronok.

- A mellékkvantumszám 0-tól n-1-ig pozitív számok.

- Ezeket az alhéjakat: s, p, d, f betűkkel jelöljük.

- m-el jelöljük a mágneses kvantumszámot, ami -1-től 1-ig a 0-át is beleértve minden értéket felvehet. Összesen 2l+1 különböző értéke lehet a mellékvantumszámnak, míg a mágneses kvantumszám 2n-1 értéket vehet fel

- Az s elektronok mágneses kvantumszáma 0.

- A p elektroné -1, 0, 1

- A d elektroné -2, -1, 0, 1, 2

- Az f elektroné -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

- s-sel jelöljük a spinkvantumszámot, ami arra utal, hogy az elektronnak saját momentuma is van.

- A pályamozgás irányára vagy azzal ellentétes irányba hat.

- Csak két értéke lehet: h/4π vagy -h/4π

b) Pauli-elv:

Az atomon belül található elektronok nem egyezhetnek meg mind a 4 kvantumszámukban (n, l, ml, ms).

 

Vegyértékhéj

Az atomok elektronszerkezetében a legkülső, még le nem zárt héj. A belső, lezárt atompályán levő elektronok az atommaggal az atomtörzset alkotják. Az elemek kémiai sajátságait atomjaik vegyértékhéjának szerkezete határozza meg. A vegyérték az a szám, amely megadja, hogy az atom hány elektronnal vett részt a közös kötés kialakításában. A kötésben résztvevő elektronokat vegyértékelektronoknak nevezik.

Vegyértékelektron

A vegyértékhéjon levő elektron. A kémiai reakciókban a kémiai viselkedés szempontjából a vegyértékelektronoknak van döntő szerepük. Azonos szerkezetű vegyértékhéjú, azonos számú vegyértékelektront tartalmazó elemek kémiai tulajdonságai hasonlók

Hibridállapot:

A kémiában a hibridizáció a kémiai kötés leírására szolgáló egyik elmélet, a vegyértékkötés-elmélet módszere: az atompályák keverésével olyan új hibridpályákat hoz létre, melyek alkalmasak az atomok közötti kötés jellemzőinek leírására. A hibridpályák jól használhatók a molekulapályák alakjának magyarázására. A hibridizációs elmélet fő felhasználási területe a szerves kémia.

 

3. tétel

 

Atomok közötti kötések, kötés típusok, azok közötti különbségek, hogy függ az össze az atomok és az elektronok közötti kapcsolattal? Vegyértékelektronok, hibrid állapot.

 

Az atomok bizonyos távolságig közelítik meg egymást (kötési távolság).

Kötések típusai:

Elsődleges kötések:

Ionos kötés:

Olyan elemek között valósul meg, amelyeknél a külső elektronhéjak betöltetlensége erősen eltérő az egyik könnyen leadja a másik pedig könnyen az elektront.

Kovalens kötés:

Minden atom igyekszik a kötés során olyan helyzetbe kerülni, hogy külső elektronpályája telített legyen. A részt vevő atomok úgy osztják meg egymás között a legkülső elektronhéjon lévő elektronjaikat, hogy a kötésben résztvevő atomok stabil elektronkonfigurációval rendelkeznek.

Fémes kötés:

A fémek a külső pályán lévő vegyérték-elektronjukat a kollektív elektronseregbe jön létre. Az így leadott elektronok szigorúan egyik atomhoz sem tartoznak, hanem negatív töltésű elektronfelhőt képeznek, amely ily módon pozitívvá vált atomokat összetartja.

Másodlagos kötések (gyengék):

Hidrogénkötés:

A hidrogén erős kovalens kötésű molekulákat alkot különböző elemekkel.

Dipólus-Dipólus:

Molekulán belül a negatív és a pozitív töltések egyensúlyban vannak, de a súlypontjuk nem esnek egybe.

Van der Waals:

Atomi vagy molekuláris dipólusok között ható Coulomb erők hozzák létre.

 

 

 

4. Tétel

 

Kristályszerkezetek (7 féle) jellegzetességük (oldalhosszak, szögek, elemi cellák)

 

A kristályos anyagokban az atomok a térben rendezettek, kristályrácsot alkotnak és e rendezettséggel jellemezhetők. Az olvadékokban csak rövid idejű rendezettséglétezik. A gázneműanyagokban teljesen rendezetlen a molekulák elhelyezkedése. A kristály külsejében az atomok szabályos rács rácspontjaiban helyezkednek el. A fémek és a sók kristályaiban ionok képezik a szabályos rendet. A kristályok milyensége visszatükröződik a tulajdonságokban. A kristálytan a térbeli rendnek a leírását egy matematikai modell segítségével, az ún. térrács fogalmának bevezetésével adja meg. A térrács kiterjedés nélküli pontok szabályos rendje a térben.

- Kristályrendszer megnevezése, tulajdonsága

1. A köbös kristályrendszerben az elemi cella kocka, előforduló négy elemi cella:

- egyszerű köbös (1 atom a cellában)

- térben középpontos (2 atom a cellában)

- felületen középpontos köbös (4 atom a cellában)

- gyémántrács

a = b = c    α=β=γ=90° ;

2. A tetragonális kristályrendszerben az elemi cella négyzet alapú egyenes hasáb.

a = b ≠ c    α = β = γ = 90°;

3. Az ortorombikus rendszerben elemi cellája téglalap alakú, egyenes hasáb.

a ≠ b ≠ c    α = β = γ = 90° ;

4. A romboéderes rendszerben az elemi cella egy rombusz alakú ferde hasáb, melynek 6 oldala egybevágó.

a = b= c    α = β =90°   γ ≠ 90°

5. A monoklin vagy egyhajlású kristály rendszerben az elemi cella egy romboid alapú egyenes hasáb.

a ≠ b ≠ c     α = γ = 90°   β ≠ 90°

6. A triklin rendszerben az elemi cella olyan hatoldalú egyenes hasáb, melyben két-két egymással szembeni lap páronként egybevágó romboid.

a ≠ b ≠ c     α  ≠ γ ≠ 90°   β ≠ 90°

7. A hatszöges vagy hexagonális rendszerben az elemi cella egy rombusz alapú egyenes hasáb.

a = b ≠ c     α = β = 90°    γ = 120°

- Van a rácsban egy legkisebb egység, amelynek párhuzamos eltolásával az egész kristályrács felépíthető. Ezt az egységet nevezzük elemi cellának. Az elemi cella tartalmazhat egy vagy több atomot. A rács elemi celláit az egy pontból kiinduló transzlációs egységvektorok a síkban egy párhuzamos oldalú négyszöget, a térben pedig egy hatoldalú hasábot határoznak meg. A kristályok szerkezete annyiban különbözik a térrácsokétól hogy:

a) Az egyes rácspontokban atom, ion, molekula vagy gyök foglal helyet

b) A felírt egyenlet a kristályokban nem teljesül mindenhol.(pl. a kristály felületén mások a körülmények, mint a kristályok belsejében. Azokat a helyeket, ahol a rend nem tökéletes, a kristály hibás részeinek tekintjük.)

Elemi cellák típusai:

- Egyszerű köbös elemi cella:

Olyan, hogy az atomok egy kocka sarkán helyezkednek el. Az atomátmérő a rácsállandóval egyenlő, ami rendszerint az elemi cella él hosszúságát jelenti. Egy atomnak hat legközelebbi szomszédja van, így a koordinációs szám hat.

- A térben középpontos köbös fémek (t.k.k):

Li,Na,K,Ba,V,Nb…

- A felületen középpontos köbös fémek (l.k.k): Cu,Au,Ag,Pb,Ni…

 

 

5. tétel

 

Térben középpontos köbös és felületen középpontos köbös kristályelemi celláinak mérete és az atom sugara közötti összefüggés térkitöltés nagysága

 

1. Térben középpontos köbös kristály

a) Fontos paraméterei:

- Elemi cella lap: 2d√2

- Lapátló: 2d

- Térátló: 2d√ 3/2

- Atomok száma: 4

- Cella térfogata: 4d³√2

b) Tulajdonságai:

- Rács típus TKK

- Fémek: Na, K, Cr, Mo, W, βTi, αFe

- Koordinácios szám: 8

- Atomátmérő: √3/2*a

- Atomok száma: 2

- Térkitöltés: 0.68

- Legnagyobb üres rácshely: 0.252 × a; ½, ¼, 0

- Legszorosabb illeszkedés: {110} <111>

2. Felületen középpontos köbös kristály elemi cellája.

a) Fontos parameterei:

- Elemi cella lap: 2d√ 3

- Lapátló: 2d √2/3

- Térátló: 2d

- Atomok száma: 2

- Cella térfogata: 8d³ (3 √2)

b) Tulajdonságai:

- Rács tipus: FKK

- Fémek: Cu, Au, Ag, Pb, Ni, Pt, γFe

- Koordinációs szám: 12

- Atomátmérő: √2/2 × a

- Atomok száma: 4

- Térkitöltés: 0.74 Maximális

- Legnagyobb üres rácshely: 0.293× a; ½, 0, 0 és1/2, ½, 1/2

- Legszorosabb illeszkedés: {111} <110>

 

 

 

6. tétel

 

Köbös rács jellegzetes síkjai, a hozzájuk tartozó Miller-indexek, Miller-index definíciója

 

Miller-index:

Egy kristálytani sík egyértelmű helyzetének meghatározására szolgál; síkok legalább egy koordinátatengelyt metszenek, és ezen metszet(ek) segítségével jellemezhető a sík. Meghatározása: a tengelymetszetek reciprokát beszorozzuk a törtek nevezőjének legkisebb közös többszörösével, megkapjuk a Miller-indexet.

ezen a pl.-n: 4,3,2 Þ 1/4, 1/3, 1/2 Þ _*12 Þ 3,4,6 Þ (346)]

 

 

 

7. tétel

 

Kristályhibák (vakancia, intersticiális(rácsközi) atom, díszlokáció)

 

- Kristályhibák:

Azok a helyek, tartományok a kristályban, amelyekben az anyagi részecskék rendje nem olyan tökéletes, mint a térrácspontoké.

Kristályhibák típusai:

a) Ponthibák (0 D)

- vakancia (üres rácshely) Ponthiba a kristályban, ahol valamilyen rácspontból az atom hiányzik.

- saját intersziciós atomok

- idegen atomok (interszticiós szubsztitúciós helyen)

- ponthiba komplexek (di- tri-vakancia, idegen atom vakancia

- termikusan aktivált hibák.

b) Vonalszerű hibák (1 D) - díszlokációk

c) Felületszerű hibák (2 D) - rétegződési hibák

- Olyan felületi hiba, melyben a párhuzamos kristálysíkok szabályos sorrendje megbomlik.

d) Térfogati hibák (3 D) – üregek, repedések

Díszlokáció:

Az elcsúszott és nem elcsúszott tartományok határozóvonala.

Díszlokációk tulajdonságai:

- Lineáris

- Felületen kezdődik és végződik, kristályban záródó görbe.

- Az elmozdulás mértéke a díszlokáció egésze mentén állandó.

Díszlokáció típusai:

- Éldíszlokáció =  csúszó sík adott, nem mozgékony

- Csavar díszlokáció =  nincs egyértelmű csúszó sík, mozgékony

- Vegyes díszlokáció = részleges elcsúszás térgörbe hálózat.

Díszlokációk mozgásának szabályai:

- Díszlokáció csak abban a síkban tud csúszni, amelyben a vonala és a burgers vektor fekszik. Díszlokáció mozgása mindig a legsűrűbb síkban és a legsűrűbb irányban történik.

Intersztíciós atom:

Ponthiba, amit az okoz, hogy olyan helyen van atom, ami nem rácspont.

Szubsztitúciós atom:

Idegen atom az alapfém atomjának helyén.

 

8.tétel

 

Anyagszerkezetek (üveg, polimer, Perauszkit kristály szerkezet)

 

Polimerek:

Általában amorf szerkezetűek, (de az amorf fémektől és az üvegtől eltérően), a szerkezetek alkotó gigantikus molekulák konfigurációja befolyásolja az anyag tulajdonságát. A polimer óriásmolekulái hosszú láncokból állnak, melyek sok kicsiny egybekötött molekulából (monomerekből) alakulnak ki. A polimerekre jellemzőek a relaxációs spektrumok.

Csoportosításuk:

- Természetes: cellulóz, a fehérje, az élővilág anyagai

- Szintetikus: nylon, teflon, polietilén, stb.

Kerámiák és üvegek szerkezete:

Tipikus szervetlen anyagok (mint fémoxidok, mitridek, nem fémek, nem polimerek). Az olvadék lehűlése következtében az atomoknak nincs idejük a rendeződésre, így keletkeznek a túlhűtött folyadék (az üveg). A gyors hűtés csökkenti az atomok diffúzió képességét, ezzel csökken a kristálycsírák képződésének valószínűsége és a kristályszemcsék növekedésének a sebessége.

Az üvegek metastabil (átmeneti) állapotban vannak és ebből az állapotból folyamatosan törekednek a kristályos szerkezet elérésére. A folyamat a hőmérséklettől függ.

Perovszkit típusú kristály szerkezet

- Négy vegyértékű központi fématom (titán vagy cirkónium)

- Nagyobb méretű, kétértékű fémionok (ólom, bárium)

- Ellenion: oxidionok

- Piezoelektromos tulajdonság. Ha a Curie pont alatt nincs centroszimmetria.

A perovszkitok a természetben ritkán előforduló, de az ásványtanban jól ismert kristályok.

Ez a szerkezet több különleges tulajdonságot, egyebek mellett nagy permittivitást és egyes fématomok esetén ferroelektromosságot biztosít. A perovszkit-rácsban a lehetséges sokféle ionhelyettesítés módot ad olyan jellegű rácshibák létrehozására, melyek hatására az anyag félvezetővé válik. Szennyezések hatására az egyenáramú fajlagos ellenállás szobahőmérsékleten jelentősen csökken. Az ellenállásnak a hőmérséklettel való változásában anomália figyelhető meg: a Curie-pont közelében az ellenállás hirtelen növekszik, majd maximumot ér el, és újra csökkeni kezd. Ezzel együtt jelentős mértékben változik, a Curie-ponttól távol eső hőmérsékleten a perovszkit szerkezetű félvezetők fajlagos ellenállása a növekvő hőmérséklettel csökken.

 

 

 

 

9. tétel

 

Röntgen diffrakció (Bragg egyenlet), alkalmazása; az energia és a hullámhossz összefüggése.

 

- Az intenzitásmérés mellet gyakran felmerül az az igény is, hogy a röntgensugárzás hullámhosszát határozzuk meg, illetve adott hullámhosszú összetevőt kiválasszunk. Mindkét feladat a hullámoknak rácson történő elhajlása alapján oldható meg. Rácsként ebben az esetben egy jó minőségű egykristály krisályrácsa szolgál. Ha a röntgensugárzás egy kristályrácra esik, akkor a ráccsíkokról a sugárzás visszaverődik, és a párhuzamos síkokról visszavert hullámok között útkülönbség jön létre. A hullámok akkor erősítik egymást, ha a Δs útkülönbségükre fennáll, hogy Δs=nλ (n egész szám).

- Az erősítés olyan θ irányokban jön létre, amelyre:

n*λ = 2d sinθ

(d a párhuzamos ráccsíkok távolsága) Ez a Bragg-egyenlet.

- Ismerve a síktávolságot, és lemérve a maximális intenzitásokhoz tartozó szögeket a sugárzás hullámhossza meghatározható. Így módunk van ismeretlen sugárzás spektrumának felvételére is (röntgenspektrométer).

Alkalmazási lehetőségek:

- A röntgensugárzás diffrakciójának vizsgálata lehetőséget ad ismeretlen kristályszerkezet vizsgálatára. Ha a kristályra ismert hullámhosszú röntgesugárzást bocsátunk, és megmérjük a maximális intenzitások irányát, akkor a ráccsíkok: d távolsága meghatározható (Bragg-egyenlet). A rácsszerkezet pontos meghatározása persze nem egyszerű (többféle ráccsík távolság), de számos praktikus és számítógéppel támogatott elárást dolgoztak ki erre a célra. A diffrakció segítségével vizsgálhatók a szennyezések, vagy egyéb rácshibák által okozott rácstorzulások is.

- A különböző anyagok eltérő elnyelése alapján átvilágítással árnyképek is készíhetők

- A röntgensugárzás elnyelése függ az adott atom elektronátmeneteinek megfelelő energiáktól: az átmenetnek megfelelő energiáknál az elnyelés ugrásszerűen megnő, így az elnyelt intenzitást a frekvencia függvényében mérve éles csúcsok jelennek meg. Eekből az elnyelő atom energiaszintjeire következtethetünk.

Bragg:

- A röntgensugarak úgy reflektálódnak, hogy a beeső és a visszavert sugár a beesési merőlegessel egy síkba esik;

- A beeső és a visszavert sugarak útkülönbsége: n*λ=2d sinθ

 

 

10. tétel

 

Termodinamikai fogalmak: belső energia, entalpia, két komponens keveredési energiája, entalpiája; keveredési entrópia; dinamikus egyensúlyok, szabad energiaváltozás és a spontán folyamat, termodinamikai rendszer, a fázis fogalma

 

Termodinamikai rendszer:

- A tér elkülönített része, elkülönített anyag, amely adott V,T,P értékkel rendelkezik homogén, heterogén. A rendszer, a termék egy olyan jól körülhatárolt és elszigetelt. A rendszer lehet egy vagy többfázisú.

Állapot diagramm:

-A rendszer egyensúlyi állapotának geometriai ábrázolása. Az állapotparaméterek függvényében.

Termodinamikai egyensúly:

- Ha a rendszer szabadenergiája adott feltételek mellett minimális. Termikus analízis: az a mérési módszer, amely az anyagok viselkedését a hőmérséklet függvényében azért vizsgálja, hogy az átalakulási hőmérsékletet és a változásokat

meghatározza. A rendszer belső energiája: a rendszeralkotó részecskék kinetikus és potenciális energiájának összege. A rendszer egyensúlyi állapotát egyértelműen meghatározta, ezért állapotfüggvénynek nevezzük.

Dinamikus egyensúlyok:

- Egy folyamatban akkor áll elő, amikor a megfordítható reakció oda- és visszaalakulási sebessége megegyezik.

Gibbs-féle szabadsági fok:

- Többkomponensű egyensúlyi rendszerek viselkedésének leírására szolgál a Gibbs-féle fázistörvény, ami általános érvényű összefüggés a szabadsági fokok (Sz), a komponensek (K) és az egyensúlyi fázisok (F) száma között:F + Sz = K + 2  

- Komponensnek (K) A rendszer kémiailag független alkotórészeit (egymástól függetlenül létező anyagfajtákat: atom- és molekulafajtákat). Ha a rendszer különféle molekulái között reakciók játszódhatnak le, a komponensek számát a jelenlevő anyagfajták és a köztük lehetséges független reakciók számának különbségeként kell figyelembe venni.

Fázis(F):

- Azon része a szerkezetnek, amelyen belül az összetétel, a tulajdonságok azonosak, és csak az elválasztó hatásfelületen változnak. A fázishatáron ugrásfüggvény van.

- Szabadsági foknak (SZ) a szabadon változtatható intenzív paraméterek számát nevezzük.

- Ezen intenzív állapotjelzők értékét egy bizonyos folytonos intervallumon belül szabadon választhatjuk meg anélkül, hogy a fázisok száma megváltozna

Belső energia:

- A rendszer mikroszkopikus elemi rendezetlen mozgásának energiájából adódik össze. kinetikus és potenciális energiájának összege. A rendszer egyensúlyi állapotát egyértelműen meghatározta, ezért állapotfüggvénynek nevezzük.

Szabad energia:

- Tökéletes kristályokban az entrópia zérus az abszolút zérus hőmérsékleten. Fontos funkciója hogy megmondja mely folyamatok spontán folyamatok.

Entalpia:

- Egy zárt rendszer összes energiatartalmát jelzi.

Entrópia:

- Az anyagi rendszerek molekuláris rendezetlensége.

 

11. tétel

 

Ötvözetek, fázis diagramok, eutektikum, túltelített oldatok, a Cu-Ni fázisgörbéje alapján bemutatni az emelőszabályt.

 

Az ötvözet olyan anyag, ami két vagy több elemből készül. A műszaki-ipari technológiákban nem a tiszta kémiai elemeket, hanem speciális tulajdonságaik miatt a keverékeit alkalmazzák. Az ötvözés megváltoztatja a kristály szerkezetet. Az ötvözetek előállításának többféle módja létezik:

- Elemek összeolvasztása

- Kondenzáció gőzfázisból

- Préselés és égetés

- Diffúzió

- Stb…

Tulajdonságaitól függően csoportosítva lehetnek:

- Fémes

- Félvezető

- Dielektromos ötvözetek

Az ötvözetek összetétele, folyékony állapotból való lehűtése, további hő és mechanikai kezelése nagyon nagy szerepet játszik a végső tulajdonságok kialakulásában.

Az ötvözetekben az alkotóelemek kapcsolata:

- Az alkotók oldják egymást, így keletkezik a szilárd oldat

- Az alkotók egymással kémiai reakcióba lépnek (ezek vegyületek)

- Az alkotók apró kristályok elegyévé dermednek (eutektikum, eutektoid).

Fázis diagramm:

Vagyis az egyensúlyi diagram számos információt tartalmaz. Olyan síkbeli diagram, amely az ötvözetsor tetszőleges összetételű ötvözetekre, bármely kiválasztott hőmérsékleten megadja az egyensúlyban lévő fázisok minőségét és mennyiségét. A két fázis mennyiségnek a hányadosa az un. fázisarány (emelő vagy mérleg szabály). Az egyensúlyt tartó fázisok mennyiségei ugyanis úgy aránylanak egymáshoz, mint a hozzájuk tartozó „emelőkarok”fordított értékei, ha a hozzájuk tartozó kar az a koncentrációkülönbség, amely megadja a folyadék (likvidusz) illetve a szilárd (szolidusz) fázis koncentrációjának eltérését az ötvözet koncentrációjától. A szabadenergia-görbék alapján megkapjuk a kétalkotós ötvözet egyensúlyi diagramját.

Eutektikum:

Az egyetlen heterogén fázis. Az eutektikum két vagy több komponens szilárd halmazállapotú keveréke, amely az adott többkomponensű rendszerben a legkisebb olvadáspontnak megfelelő hőmérsékleten homogén folyadékból hőelvonás közben un. eutektikus fázisátalakulás (kristályosodás során képződik)

A diagramban az eutektikum két féle. Az A-ban dús α és a B-ben dús β szilárd oldat alkotja.

Telitett oldat:

Egy szilárd oldat túltelített lesz, amikor a szilárd oldatot lehűtjük. A legtöbb ötvöző anyag csak egy meghatározott mennyiségig alkot az ötvözött fémmel szilárd oldatot. Ha egy telített szilárd oldatot lehűtünk az oldott ötvöző anyag egy része kiválik a szilárd oldatból.

 

12. tétel

 

Vezetők, félvezetők szigetelők általában; vegyértéksáv, vezetési sáv, tiltott sáv; az elektron héjszerkezet és a vezetőképesség összefüggése.

 

Vezetők:

- A vezetők közé soroljuk elsősorban a fémeket és az ötvözeteket. De ide tartoznak az elektrolitok és a nagy hőmérsékletű plazma állapotú gázok is. Ezekben az anyagokban háromféle vezetési mechanizmus valósul meg. A vezetőkben vannak olyan töltött részecskék, töltéshordozók, amelyek az elektromos tér hatására áramlani kezdenek. A töltéshordozók a vezetési sávban lévő elektronok. A vezetési sáv alatt, kovalens kötésekkel összetartott szilárd testeknél általában a legfelső teljesen betöltött sávot nevezik vegyérték sávnak. A vezetési folyamat erőssége az anyag egységnyi térfogatára vonatkoztatott fajlagos térfogati vezetőképességgel, vagy ennek reciprokával, a fajlagos térfogati ellenállással jellemezhető.

Félvezetők:

- Az elektromos vezetőképessége alapján a félvezetők, a vezetők és szigetelők közé sorolható. A kristályok atomja egymáshoz közel vannak, elektronpályáik átfedik egymást, s egyedi energiasávokat alkotnak. A félvezetőkben, elektromos tér hatására, a vezetési sávban lévő elektronok és a rácsban lévő lyuknak nevezett betöltetlen állapotok mozgásba lendülnek. A lyuk úgy viselkedik, mintha pozitív töltésű elektron lenne. A félvezetők töltéshordozói az elektronok és a lyukak. A valódi félvezetőkben az elektronok és a lyukak száma azonos. A félvezetők ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetők szennyezik. Az alkalmazott szennyező atomnak egyel több, vagy kevesebb elektronja van. Ezeket a félvezető anyagokat adalékolt félvezetőknek nevezzük. Az adalékolt félvezetőkben a domináns töltéshordozó fajtáját a szennyező anyag vegyértéke szabja meg. A félvezető anyagokban a tiltott sáv keskeny és valenciasáv felső részét betöltő elektronok már szobahőmérsékleten is képesek hő mozgás révén feljutni a vezetési sávba. Az adalékolt félvezetőknél a tiltott sávon belül extra sávok vannak.

Szigetelők:

- A szigetelő anyagok, dielektrikumok, villamos szigetelő anyagok. Csoportosítása:

1. egyszerű dielektrikum

2. jó hővezető villamos szigetelők

3. antisztatikus szigetelők

4. nagy veszteségű anyagok

5. az optikai sávban alkalmazót anyagok

- A szigetelők csoportjába tartoznak a kovalens kristályok, egyensúlyi alapállapotú, alacsony hőmérsékletű gázok és ezek folyadékai. A szilárd szigetelőkben alacsony hőmérsékleten normális körülmények között vezetést csak a nagyon kis valószínűséggel előforduló szerkezeti hibák okoznak. Ilyenek a ponthibák és a díszlokációk.

- Elektromosan szigetelő anyag azaz anyag, melyben elektromos feszültség hatására nem vagy csak elhanyagolható mértékben folyik át áram.

- A szigetelő anyagok nagy elektromos ellenállásának egyik oka az, hogy a térfogat-egységre eső szabadelektronok száma sok nagyságrenddel kisebb, mint a fémekben és néhány nagyságrenddel kevesebb, mint a félvezetőkben. A szigetelőanyagok nagy elektromos ellenállása elsősorban annak következménye, hogy a vegyérték sáv és a vezető sáv közötti tiltott sáv szélessége sokkal nagyobb, mint a félvezető anyagoknál. A széles tiltott sáv a legjellegzetesebb tulajdonsága a szigetelőknek. A jó szigetelő anyagok tulajdonságait a szennyezők rontják.

 

 

 

13. tétel

 

A fémek elektromos vezetése, a vezetőképesség fogalma (az elektromos vezetőképesség molekuláris eredete, elektromos mező erőssége, áramsűrűség, Ohm törvény, szabad elektron kinetikus energiája és az impulzus összefüggései

 

- A fémek és ötvözetek közismert jó elektromos és hővezető anyagok. A két tulajdonság egybeesése az elmozdulni képes un. szabadelektronoknak az elektromos és hővezetés folyamatában betöltött szerepével függ össze.

- A fémek elektromos vezetését a bennük rendelkezésre álló szabad elektronok biztosítják. A fémeket nevezhetjük elektronvezetőknek. Az elektromos vezetés elemi elmélete a szabadelektron-elmélet kiterjesztése, amelyben a fémekben az elektronokat úgy kezelik, mint negatívan töltött részecskék szabad gázát. A fémes vezetési típus fajtája – elektron, eredete-fémrácsot alkotó atomok elektronburkából leszakadt elektronok, a mozgása-a hőmozgást végző rácsatomok által akadályozott mozgás. Fémes kristályban az elektronok átlagos mozgási energiája nagyon nagy a rács termikus rezgéseihez tartozó energiákhoz képest. Ezért a termikus rezgéseknek kicsi vagy semmilyen hatásuk sincs a Fermi-szintre, amely az elektronok lehetséges maximális energiáját adja meg. Az elektronok által betölthető lehetséges energiaszinteket a fémes kristályt leíró dobozba zárt részecske modellel lehet vizsgálni. Ebben az elektront egy, a fém kristályrácsába zárt anyaghullám írja le, a fémrácsot egy doboznak tekintik. Elektromos tér nélkül az elektronok szétoszlanak a lehetséges energiaszintek között, a maximális energiáig. Ezeknek az energiaállapotoknak mindegyike megfelel egy adott sebességgel, adott irányban mozgó szabad elektron állapotnak. Elektromos térben minden egyes elektron a tér irányába gyorsító erőt fog érezni. Az elektromos teret impulzustér diagramon lehet megfelelően szemléltetni. A dobozba zárt részecske problémában minden elektronállapot megfelel egy határozott impulzusú állapotnak. A vezető fajlagos ellenállására, a szennyeződéseken történő szórást és a rácsrezgéseket elhanyagoló kinetikus elméletből lehet egy kifejezést levezetni. Egy ilyen kifejezés mikroszkopikus és makroszkopikus mennyiségeket kapcsol össze, és ezáltal megbecsülhető az átlagos szabad úthossz. A vezetési elektronok mozgásállapotát több hatás befolyásolhatja, a legismertebb:

- Külső elektromos tér (E)

- Mágneses tér

- Anyagi minőségben történő változás. hőmérséklet különbség

- A fémeknek, azaz a gyakorlat vezeték és ellenállásainak legalapvetőbb anyagjellemzői a fajlagos ellenállás és ennek hőmérsékleti együtthatója. Tökéletesen szabályos fém-kristályban a vezetésben résztvevő elektronok akadálytalanul, impulzus és energia vesztesség nélkül mozoghatnak.

Ohm-törvény

- Egy vezető két vége közt mérhető potenciálkülönbség és vezetőben folyó áram hányadosa állandó. Ez az állandó a vezető ellenállása, azaz, ahol a potenciálkülönbség Voltban kifejezve, az áram amperben mérve és az ellenállás Ohmokban. Ez az egyszerű lineáris törvény a legtöbb anyagra nem érvényes. Azokat az ellenállásokat, amelyekre fennáll, ohmikus ellenállásnak nevezik, de a törvény csak addig érvényes, amíg a fizikai feltételek, mint például a hőmérséklet állandó marad. Legpontosabban a fémek követik az Ohm-törvényt.

 

14. tétel – 15. tétel

 

Az anyag mágneses tulajdonságai, a mágnesesség atomi magyarázata (mágneses dipólus momentum, Bohr-magneton, mágneses térerősség, mágneses indukció, permeabilitás, szuszceptibilitás;

 

- Az anyag mágneses tulajdonságai az atommag és az elektronok mágneses tulajdonságaitól erednek. A mágneses momentumok egy irányba állítása növeli az eredő mágneses momentumát az anyagnak. A mágneses viselkedést néhány anyagi tulajdonságok jellemzi. A mágnesesség mágneses mezővel kapcsolatos jelenségek összessége. Amikor elektromos áram folyik, mindig gerjesztődik mágneses mező. Mivel az atomi elektronok pályamenti mozgása és spinje is kis köráramokkal ekvivalens, ezért az egyes atomok mágneses mezőt hoznak létre maguk körül, ha az atomi pályán mozgó elektronoknak van egy eredő mágneses momentuma az impulzusmomentumuk következtében. Egy atom mágneses momentuma az atom összes elektronjának pályamenti mozgásából és spinjéből származó mágneses momentumainak a vektori összege.

- Különböző anyagok különbözőképpen reagálnak külső mágneses tér hatására; a mágneses viselkedés szempontjából négy fő csoport létezik:

(a) Diamágnesesség

- A mágnesezettség a külső térrel ellentétes irányú, azaz a szuszceptibilitás negatív. Jóllehet minden anyag diamágneses, de ez gyenge effektus, amelyet elrejthet egy másik, erősebb mágneses tulajdonság. A

diamágnesesség az atomi elektronpályákban a külső mágneses tér hatására bekövetkező változások következménye: a változások olyan irányúak, hogy az általuk keltett külső fluxust csökkentse. Ezáltal az ilyen anyagban gyenge negatív

szuszceptibilitás ( m mol ) és egynél alig kisebb relatív permeabilitás lép fel.

(b) Paramágnesesség

- Az anyag atomjainak vagy molekuláinak van eredő pálya vagy spin mágneses momentuma, a momentumok pedig képesek arra, hogy a külső tér irányába beálljanak. Ezért ezeknek az anyagoknak pozitív (de kicsi) a szuszceptibilitásuk és a relatív permeabilitásuk kicsit nagyobb egynél. Minden olyan atom vagy molekula paramágneses, amelyekben párosítatlan elektronok vannak, leggyakoribb példák a szabad atomok, szabad gyökök és az átmeneti fémek olyan vegyületei, amelyek betöltetlen elektronhéjakat tartalmaznak.

- Előfordul fémekben is, a vezetési elektronok spinkéből származó mágneses momentumok következtében.

(c) Ferromágneses

- Az anyagokban, bizonyos hőmérsékleti tartományban eredő atomi mágneses momentumok vannak jelen, amelyek úgy rendeződnek el, hogy marad mágnesezettség a külső tér kikapcsolása után is. Bizonyos hőmérséklet alatt a ferromágneses anyagra kapcsolt növekvő mágneses tér növekvő mágnesezettséget eredményez egészen egy nagy értékig, a telítettségi mágnesezettségnek nevezett értékig. Ennek az oka az, hogy a ferromágneses anyagok kis (1-0,1 mm átmérőjű), doménnek nevezett, mágnesezett tartományokból állnak. Külső tér jelenlétében azok a domének, amelyek párhuzamosak a külső térrel megnövekednek a többi domén terhére. Nagyon erős külső tér esetén az összes domén a külső mező irányába rendeződik, és ez biztosítja a nagy megfigyelt mágnesezettséget. A vas, nikkel, kobalt és ötvözeteik ferromágnesesek.

Bohr-magneton

- A mágneses nyomaték atom-egységeként használt fizikai állandó.

- A Bohr-magneton:

m_B = eh / 2 m_e = 9,274 ^. 10 ^-24 A ^. m²

e = az elektron töltése
m_E = az elektron tömege
h = a Planck-állandó

permeabilitás (mágneses permeabilitás, relatív permeabilitás):

Anyagi állandó, amely egy adott anyagban a B mágneses indukció és a H mágneses térerősség arányát adja meg.

B=H

Jele: 

Egysége: H/m = Vs/Am (henry/méter)

2 fajta permeabilitás:

- A relatív permeabilitás puszta szám, amely megadja, hogy a H mágneses térerősség (gerjesztés) valamely anyagban hányszor nagyobb mágneses indukciót léteít, mint légüres térben.

- A vákuum permeabilitás a mágnesesség területén alapvető fontosságú állandó.

A permeabilitás az anyag szuszceptibilitásával is megadható.

Mágneses szuszceptibilitás:

- Az mágnesezettség (M) és a mágneses mező (H) erősségének hányadosa.  Jele k  dimenzió nélküli szám. Kifejezi az anyagban lévő mágneses mező erősségének függését egy külső, csak a mágnesező tekercsekből származó mezőétől. Összefügg a permeabilitással.  A ferromágneses anyagokat leszámítva állandó érték.

 

16. tétel

 

A dielektrikumok tulajdonságai (elektromos eltolási sűrűség, permittivitás, elektromos szuszceptibilitás, vákuum elektromos permittivitása, dielektrikumok elektromos polarizációja: elektron-, ionos-, orientált-, felületi-; szigetelők fajlagos ellenállása, átütési feszültség, fólia kondenzátorok, kerámia kondenzátorok.

 

a) Szigetelők (dielektrikumok) tulajdonságai

- A szigetelőket az ε dielektromos együttható (permittivitás) jellemzi, mely az elektromos fluxussűrűséget (elektromos eltolás)  D = εE

összefüggéssel kapcsolja az elektromos térerősséghez.

Vákuumban:        D = εo*E

Anyagban (szigetelőben): D = εo*E + P = εrεoE = εE

- Az SI rendszerben a dielektromos állandó vagy permittivitás ε [As/Vm] a vákuum dielektromos állandójának (ε₀) és a relatív permeabilitásnak (ε_r)  a szorzata. A vákuum permittivitása az SI rendszerben

ε₀ = 1/(μ₀c²) = 1/(4πx10^-7₀c²) = 8,854x10^-12As/Vm

Elektromos szuszceptibilitás:

- χ_E annak a mértéke, hogy egy elektromos tér milyen könnyen képes azt polarizálni. Ez viszont meghatározza az anyag permittivitását és befolyásol számos más jellemzőt, mint például egy kondenzátor kapacitását. Egy arányossági tényezőként határozható meg (ami lehet egy tenzor is) az E elektromos térerősség és az indukált dielektromos polarizációs sűrűség P kapcsolatában. P=E₀*X_e*E  (ahol E₀ a vákuum elektromos permettivitása.)

 

Elektromos térben az anyag (közeg) polarizálódik, a polarizáció P [As/m²] nem más mint az elektromos dipólusok térfogati sűrűsége.

- Az elektromos polarizáció általában három részből tevődik össze.

1. Az elektronpolarizáció, amely abból származik, hogy a közeg atomjainak elektronburkai a magokhoz képest elmozdulnak.

2. Az ionos polarizáció, amely az ellentétes töltésű ionok egymáshoz viszonyított elmozdulásából adódik.

3. Az orientációs polarizáció, amely az állandó dipólusmomentumoknak a tér irányába való fordulásával jön létre. 

b) A szigetelők tulajdonságai:

- Fajlagos ellenállása nagy, szennyezés hatására csökken.

- Fajlagos térfogati ellenálláson az 1 cm élhosszúságú kocka két szembenfekvő lapja között mérhető ellenállást értjük, ha áram csak az anyag belsejében folyik, és a tér homogén.

 

c)Átütésifeszültség

d) Kondenzátorok tulajdonságai:

- Egy Dielektrikum: levegő, gáz, impregnált papír, szerves fólia, csillám, üveg, porcelán, fémoxid (Al, Ta), kerámia.

 

17. tétel

 

Szupravezetők, Cooper-párok, viselkedésük mágneses térben, a kritikus hőmérséklet változása napjainkig.

 

- A szupravezetők azok a szilárd testek, amelyek elektromos ellenállása egy bizonyos kritikus hőmérsékleten megszűnik. A szupravezetők tulajdonságokat nemcsak a hőmérséklet növekedése, hanem a környező mágneses térerősség is megszünteti, meghatározott feltételek mellet Minden szupravezető anyaghoz egy mágneses térerősség tartozik, mely az a maximális értek, aminél 0 K-en szupravezetés megszűnik. Az elektromos árammal átjárt vezetők körül mágneses tér alakul ki, tehát a saját áram által létrehozott mágneses tér is megszüntetheti a szupravezető állapotot.

Szupravezetők csoportosítása -típusok:

1. A kritikus hőmérsékletük alapján:

  a. alacsony hőmérsékletű szupravezetők

  b. magas hőmérsékletű szupravezetők

2. Fázis diagramjuk felépítése szerint:

  a. I. Típusú szupravezetők

  b. II. Típusú szupravezetők

3. A szupravezető állapotot létrehozó kölcsönhatás alapján:

  a. konvencionális szupravezető

  b. nem – konvencionális szupravezető

I. Típusú szupravezetők:

- Ez a szupravezetők elsőként felfedezett csoportja jellemzően 10 K alatti kritikus hőmérséklettel. Ide tartozik a legtöbb szupravezető elem. Megfelelően nagy külső mágneses tér elnyomhatja a szupravezetést: az I. típusú szupravezetők egy hőmérsékletfüggő Hc(T) tér felett közönséges vezetővé alakulnak vissza.

II. Típusú szupravezetők:

- Jellemzője a kevert fázis, egy Hc1(T) külső mágneses tér felett a szupravezető anyagban fémes tartományok, vortexek jelennek meg, a szupravezető állapot egy Hc2(T)>Hc1(T) tér felett szűnik meg. A szupravezetőknek ebbe a csoportba tartozik a szupravezető vegyületek nagy része, es a magas hőmérsékletű szupravezetők.

Nem – konvencionális szupravezető:

- Ide soroljuk azokat az anyagokat, melyek átalakulása nem irtató le a BCS-elmélet keretein belül, például a magas hőmérsékletű szupravezetőket, valamint a ferromágneses szupravezetőket. Ezen anyagokkal kapcsolatban sok kérdés tisztázatlan, elméleti és kísérleti kutatásuk mai napig lezáratlan.

Magas átmeneti hőmérsékletű szupravezetők:

- A BCS-elmélet alapján a szupravezetők kritikus hőmérséklete mintegy 30-40 K érteknél nem lehet nagyobb. Ezért nagy meglepetést okoztak az 1980-as években felfedezett magas átmeneti hőmérsékletű szupravezető kerámiák, melyek kritikus hőmérséklete 100 K körüli is lehet. A magas kritikus hőmérséklet oka meg ismeretlen, viszont nincs olyan modell, ami megállapítana egy hőmérsékleti maximumot, így kizárna a szobahőmérsékletű szupravezetők létezését.

Szupravezetők alaptulajdonságai:

- A szupravezetők fizikai tulajdonságainak nagy része anyagonként változik, mint például a hőkapacitás vagy a kritikus hőmérséklet, ahol a jelenség megszűnik; másfelől vannak tulajdonságok, amik függetlenek az anyagtól – pl az összes szupravezetőnek pontosan nulla az ellenállása kis áramoknál, valamint a mágneses mező sincs jelen. Ezeknek az "univerzalis" tulajdonságoknak a megléte arra enged következtetni, hogy a szupravezetes egy termodinamikai állapot, így vannak kitűntetett tulajdonságai, amelyek függetlenek a mikroszkopikus részletektől.

- A szupravezetők képesek áramot fenntartani feszültség jelenléte nélkül. Ezt a tulajdonságot használjak ki a szupravezető elektromágnesek. Kísérletek igazoljak, hogy szupravezető tekercsekben fenntartható az áram évekig, merhető csökkenés nélkül.

Cooper-párok:

- Egy átlagos (I. típusú) szupravezetőben a mozgó elektronok un. Cooper-párokba rendeződnek, amik alacsonyabb energiaszintet biztosítanak nekik alacsony hőmérsékleten. A párba rendeződést egy vonzóerő okozza az elektronok között a fononok cseréje réven. A kvantummechanika szerint egy Cooper-par energiája csak lépesenként változhat, így lesz egy minimális ΔE energiaszint, aminek meg kell lennie a Cooper-párok áramának megindulásához. Ha ΔE nagyobb, mint az ionrács hőenergiája akkor a rács nem akadályozza a párok mozgását, amik így nem vesztenek energiát. A Cooper-párokba rendeződött elektronok mozgása a szuper-folyadékokhoz hasonló. Egy II. típusú szupravezetőben (ilyen az összes magas hőmérsékletű szupravezető) egy nagyon minimális ellenállás megmarad olyan hőmérsékleteknél, amik a szupravezető átmenet közelében vannak, ha az áram erős mágneses mező jelenlétében folyik (amit akár saját maga is okozhat). Ezt a mozgó örvények megjelenése okozza az elektronáramban, amik az áram energiáját nyelik el. Ha az áram kicsi, az örvények alának, így az ellenállás megszűnik. Ha a hőmérséklet leesik messze az átmenet alá, az örvények "befagynak" egy rendezetlen, de állandó állapotba, (un. vortex-glass) es az ellenállás teljesen megszűnik így is. Az örvények miatt létrejövő ellenállás kicsiny töredéke a nem-szupravezetőknek, de kísérletekben számolni kell vele.

- A Cooper-párok is szóródnak, de az egyik elektron szóródását kiegyenlíti a másik elektron ellentétes szóródása, ezért az elektron par impulzusa változatlan marad, energia veszteség nélkül tudnak áramolni. Persze a párokat kis hőmérsékletváltozás is szétszakítja. Ha a szupravezetőt gyenge mágneses térbe helyezzük, a tér csak egy min. távolságra hatol be a szupravezetőbe, ez az úgynevezett behatolási mélység, ami után a mágneses térerősség nullára csökken.

A Meissner-effektus

Amikor a mágneses térben lehűtött fém szupravezetővé válik, kitaszítja magából a mágneses teret, miközben a felület közvetlen közelében szupravezető áram indukálódik, és a mágneses tér a felülettől távolabb, a minta belsejében zérus.

 

18. tétel

 

Az anyagok mechanikai tulajdonságai: szakítószilárdság, rugalmassági tényező, nyúlás, kontrakció, terhelési mérőszámok (Young-modulus), folyási határ, szakító- és törő szilárdság; feszültség vs nyúlás függvény

 

 

19. tétel

 

Egykristályok, Bridgeman-Stoskberger, Czochralski-módszer, vákuum elpárologtató elvi vázlata, az átkristályosítás célja, szitanyomtatási eljárás, SiO2 réteg előállítása

 

Egykristályok:

- Ha a fémeket olyan módszerrel kristályosították ki, hogy a kristály szabad fejlődését nem gátolja semmilyen külső hatás, akkor a létrejött képződményt nevezzük egykristálynak. Egykristályok előállítása, ha egy ömledéket egy tégelyben magára hagyunk, hűtése közben az anyagban egyetlen kristályosodási mag keletkezik akkor egykristály alakul ki. E kristályok tulajdonságait a kristályrácsba beépített idegen atomok (szennyezett kristály) befolyásolják. A szubsztitúciósan beépült atomok elsősorban az elektromos vezetési tulajdonságokat módosítják, míg az intersztíciósan beépült szennyezők a szabad töltéshordozók élettartamát csökkentik (szubsztitúciós és intersztíciós beépülés). Hasonló hatással vannak a geometriai deformációk formájában jelentkező rácshibák, a diszlokációk is.

- A kristálynövesztés során egy fázisátalakulás történik, mely során szilárd, folyékony vagy gőz halmazállapotú anyagfázis alakul át egykristályos szilárd fázissá

Czochralski-módszer:

- Egy egykomponensű folyékony-szilárd növesztési folyamat, mely során a folyadékfázis atomjai egy határrétegnél szilárdulnak meg egykristályos szilárd anyagot felépítve. A szilárd fázis húzási sebessége befolyásolja a szennyezők beépülését az egykristályos szilárd fázisba, valamint a kialakuló kristályhibák sűrűségét. A húzási sebesség növelésével a létrehozott kristályátmérő csökken. A kristálynövekedési sebessége különbözik a kristályhúzási sebességtől. Ezek közül a húzási sebesség a makroszkopikus jelzése a megszilárdulási sebességnek, míg a növesztési sebesség maga a megszilárdulási sebesség. A kettő természetesen a felület közeli helyek hőmérsékletének ingadozása miatt különbözik egymástól. A növesztési sebesség meghaladhatja a húzási sebességet, de lehet negatív is egy adott időpontban. Ha a növesztési sebesség negatív, akkor a növesztett egykristályos anyag újra megolvad, azaz folyékony fázisba kerül. A növesztési sebesség hatással van a kialakuló kristályhibák rendszerére es az adalékok eloszlására.Vegyület kristályok előállítása

Bridgman-Stockbarger módszer:

- Az ampullában elpárolgó összetevők az ampulla hidegebb végében elhelyezett magra kristályosodnak. Szilárd állapotú kémiai anyagok tisztítására általánosan alkalmazott módszer az átkristályosítás. A módszer azon a tapasztalaton alapszik, hogy a szilárd anyagok oldhatósága folyadékban a hőmérséklettel növekszik és a különböző vegyületek egymás oldhatóságát csak kevéssé befolyásolják.

 

 

20. tétel

 

A félvezetők általában, a félvezetők felosztása, sajátvezetéses, adalékolt vezetéses félvezetők ezek összevezetése a Si egykristály példáján

 

I. A félvezetőkről általában:

- A félvezetők a funkcionális anyagok csoportjába tartoznak. A félvezetők elméletét a szilárd test fizika tárgyalja. A szilárd anyagokat szobahőmérsékleten mérhető vezetőképességük alapján vezetők-re, szigetelők-re és félvezetők-re osztják. A félvezetők vezetőképessége a vezetők és szigetelők vezetőség tartomány közé esik. Az eltérő vezetőképességek a sáv-modellel magyarázhatóak. A félvezetőkben a töltéshordozók valójában szintén elektronok. Az elektronok kétféleképpen viselkednek, attól függően, hogy a félvezetőkristályokban egy bizonyos elektrontöbblet (n típusú vezetés) vagy elektron hiány (p típusú vezetés) van. A vezető elektronok (negatív töltéstöbbletet adó elektronok) könnyen mozdulnak el az elektromos térrel ellentétes irányba. A pozitív töltéstöbblet vagy elektronhiány az un. Lyuk.

II. A félvezetők felosztása:

1. elektron félvezetők

  a, sajátvezetés (i vezető)

  b, adalékolt (szennyezéses)

    b.1, elektrontöbblet (n-vezető)

    b.2, elektronhiány (p-vezető)

2. vegyes félvezetők

3. ion félvezetők

Adalékolt (szennyeződéses):

A félvezetők ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt szennyezik az alkalmazott szennyező atomnak egyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőknek.

-  Ha egyel több, akkor n-vezető típusú félvezető (a szennyező atomokat donorok-nak nevezzük)

- Ha egyel kevesebb, akkor p-vezető típusú félvezető (a szennyező atomokat akceptoroknak nevezzük)

Az n-vezető típusú félvezetőkben már alacsony hőmérs.-en is az összes donor elveszít egy elektront és ezek a vezetési sávba kerülnek, így növeli a vezetőképességet. A p-vezető típusú félvezetőben az akceptorok a vegyértéksávból megköthetnek egy-egy elektront, így növelve a lyukak koncentrációját és ezáltal növeli a vezetőképességet.

Sajátvezetéses (i-vezető):

- Félvezető esetében termikusan gerjesztett Lyuk-elektron párok révén intrinsic vezetőképesség keletkezik. A sajátfélvezetőkre jellemző hogy tiltott sávjuk energia szélessége néhány tized eV. OK hőmérséklet közelében alapsávjukkal teljesen betöltött, vezetési sávjuk teljesen üres, így szigetelőként viselkednek. T>OK hőmérsékleten azonban gyengén vezetik az elektromos áramot, mert termikus gerjesztés hatására a vegyérték-elektronok egy része az alapsávból a vezetési sávba jut és a helyükön az alapsávban pozitív lyukak maradnak vissza. Az így keletkezett vezetési elektronok és Lyukak együttesen vesznek részt a külső elektromos mező hatására létrejövő áramvezetésben.

 

 

21. tétel

 

A p- és n-vezetés, áramerősség- feszültség görbe a félvezetőknél; donorok, akceptorok szerepe, a vezetőképesség hőmérséklet függése.

 

- A félvezetőkben a töltéshordozó elektronok kétféleképpen viselkednek, attól függően, hogy a félvezető kristályokban egy bizonyos elektrontöbblet (n-típusú vezetés) vagy elektronhiány (p-típusú vezetés) van. A vezető elektronok (negatív töltéstöbbletet adó elektronok) könnyen mozdulnak el az elektromos térrel ellentétes irányba. A pozitív töltéstöbblet vagy elektronhiány az un. Lyuk. A félvezetők ellenállásának csökkentése érdekében a félvezetőt szennyezik az alkalmazott szennyező atomnak egyel több vagy kevesebb elektronja van, mint a félvezetőknek.

- Ha a szennyező atomnak eggyel több elektronja van, akkor n-vezető típusú félvezető és a szennyező atomokat donorok-nak nevezzük.

- Ha a szennyező atomoknak eggyel kevesebb elektronja van, akkor p-vezető típusú félvezető és a szennyező atomokat akceptoroknak nevezzük

- Az n-vezető típusú félvezetőkben már alacsony hőmérsékleten is az összes donor elveszít egy elektront és ezek a vezetési sávba kerülnek, így növeli a vezetőképességet.

- A p-vezető típusú félvezetőben az akceptorok a vegyértéksávból megköthetnek egy-egy elektront, így növelve a lyukak koncentrációját, és ezáltal növeli a vezetőképességet. Az így keletkezett vezetési elektronok és Lyukak együttesen vesznek részt a külső elektromos mező hatására létrejövő áramvezetésben.

                                       p-típusú félvezető               n-típusú félvezető

 

- Ha a félvezető kristály egyik felét donor, a másikat akceptor atomokkal szennyezzük, a kétféle p és n típusú félvezető közti határréteget nevezzük p-n átmenetnek. A hő mozgás miatt a határfelületen át elektronok jutnak a p típusú rétegbe, és lyukak kerülnek az n típusúba. Ez a diffúziós folyamat nem vezet a két különböző töltéshordozó teljes kiegyenlítődéséhez a kétféle rétegben. A p típusú anyagba behatoló elektronok a határréteg közelében lévő lyukakkal, míg az n típusú kristályban bejutott lyukak az ott többségben lévő elektronokkal rekombinálódnak, kölcsönösen semlegesítik egymást. A határréteg két oldalán lévő donor és akceptor atomok, melyhez kötött ionjai miatt a félvezető anyag ezen részei elektromosan nem lesznek semlegesek, töltött zóna alakul ki a határréteg két oldalán. A p típusú rétegben a negatív ionok miatt negatív töltés, az n típusú rétegben a pozitív donor atomok miatt pozitív töltés lesz jelen. Ez a tértöltés olyan irányú elektromos előteret hoz létre a határrétegben, amely a további diffúziót megakadályozza.

- Az elektronokra az n típusú réteg irányába, a lyukakra a p típusú réteg felé ható taszítóerő hat. Ennek eredményeképpen a határrétegben gyakorlatilag nem lesznek sem elektronok, sem lyukak. A töltéshordozók hiánya miatt kiürített rétegnek nevezzük a határréteget. A tértöltésnek megfelelően potenciálkülönbség lesz a két réteg között.

- A többlettöltések nem fognak az érintkező felületeken lokalizálódni, hanem a határoló felület környezetében oszlanak el. A kialakult térfogati töltés sűrűség alakítja ki az elektromos teret és így az elektromos potenciális energia függvénye.

A vezetőképesség hőmérséklet függése:

- A félvezetőanyagok tulajdonságai erősen hőmérsékletfüggők, ellenállásuk csökken mivel a hőmérséklet emelkedésével nő a töltéshordozók koncentrációja. A hőmérséklet változása a vezetési mechanizmus módjától függően befolyásolja a fajlagos vezetőképesség értékét.

- Ha alacsony hőmérsékleten tekintjük a szabad töltéshordozók számát a vezetési sávban, akkor nem kell figyelembe vennünk a saját töltéshordozókat, hiszen azok termikus gerjesztéssel csak elhanyagolható számban tudnak a vezetési sávban jutni. Ezt a tartományt kifagyási tartománynak nevezik.

- A félvezetők vezetőképessége a hőmérséklet növekedésével bizonyos hőmérsékleti tartományban intenzíven nő. A hőmérséklet növekedésének következményeként két hatás együttesen érvényesül.

- Egyrészt mind sajátvezetőknél, mind a szennyezéses félvezetőknél könnyebben jutnak az elektronok a vezetéshez szükséges magasabb energiájú sávban, s így a töltéshordozók száma nő.

- Másrészt élénkebbé válik a kristályrács ionjainak a hőmozgása és ez fokozottan akadályozza a vezetésben résztvevő töltések elmozdulását.

 

Oldal: Anyagtudomány
Műszaki manager levelező csoport - © 2008 - 2024 - levelmumen.hupont.hu

Ingyen weblap készítés, korlátlan tárhely és képfeltöltés, saját honlap, ingyen weblap.

ÁSZF | Adatvédelmi Nyilatkozat