Физика реального кристалла. Вводная лекция

Содержание

Слайд 2

Цель курса - изучение структуры и свойств кристаллов, содержащих различного рода

Цель курса - изучение структуры и свойств кристаллов, содержащих различного

рода дефекты; - термодинамика точечных дефектов, их влияние на оптические и диэлектрические свойства кристаллов; - линейные дефекты - дислокации, типы дислокаций в кристаллах,дислокационные реакции; - напряжения, создаваемые дислокациями в кристаллах, энергия дислокаций, взаимодействие дислокаций друг с другом и с точечными дефектами; - движение дислокаций, пластическая деформация в кристаллах, размножение дислокаций, активационные барьеры и стопоры, прочность кристаллов; - основы современных методов исследования и контроля дефектов в кристаллах.
Слайд 3

Кристаллические решетки Трансляционная инвариантность решетки Дальний порядок

Кристаллические решетки

Трансляционная инвариантность решетки

Дальний порядок

Слайд 4

(a) A two-dimensional (2D) crystal consisting of two types of atoms

(a) A two-dimensional (2D) crystal consisting of two types of atoms

(white and gray). (b) The 2D lattice is specified by two repeat vectors a and b. (c) The basis contains three atoms.

Кристаллическая структура = решетка + базис

Базис –один или несколько атомов или молекула

Слайд 5

Трансляционная симметрия Lattice: infinite array of points in space; all points

Трансляционная симметрия

Lattice: infinite array of points in space; all points have

identical surroundings
Crystal structure: Associate each lattice point with one or more atoms
Слайд 6

Кристаллические решетки

Кристаллические решетки

Слайд 7

Связи в атомах и молекулах

Связи в атомах и молекулах

Слайд 8

Межатомные (межмолекулярные) силы Оценки энергий взаимодействия (в СГС): Ионные кристаллы -

Межатомные (межмолекулярные) силы

Оценки энергий взаимодействия (в СГС):
Ионные кристаллы - электростатическая энергия

взаимодействия
зарядов на расстоянии 2 А = 2.10-8 см (NaCl - 2.8 A)
E = e2/r = (4.8 10-10)2/2.10-8 ≈10-11 эрг ≈ 6 эв (1эв ≈ 1.6 10-12 эрг)
Металлическая связь - энергия электрона, заключенного в «ящик»
со стороной a = 2А (k = π/a, волновое число )
Е = Ек =p2/2m = ћ2k2/2m ≈ (10-27)210/ (2.10-8)22 10-27 ≈
≈ 10-11 эрг ≈ 6 эв
Слайд 9

Слайд 10

Дефекты решетки Идеальный кристалл - бесконечный кристалл, атомы в покое, химически

Дефекты решетки

Идеальный кристалл - бесконечный кристалл, атомы в покое,
химически

чистый
Совершенный кристалл - тепловые колебания решетки (фононы),
электронные возбуждения, квазичастицы:
экситоны, поляроны, магноны и т.д.;
внутренние поля и деформации
Несовершенный (реальный)
кристалл - поверхности, дефекты различной
размерности ( от нулевой до трехмерной)

Дефекты в кристаллах - устойчивые нарушения правильного
расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки

Слайд 11

Классификация дефектов по их размерности Классификацию дефектов решетки удобно проводить по

Классификация дефектов по их размерности

Классификацию дефектов решетки удобно проводить по чисто
геометрическому

признаку - по числу измерений, в которых
нарушения совершенного строения кристалла простираются
на макроскопические расстояния.
Слайд 12

Materials Properties and Defects Defects determine many properties of materials (those

Materials Properties and Defects
Defects determine many properties of materials (those properties

that we call "structure sensitive properties"). Properties like the specific resistance of semiconductors, conductance in ionic crystals in general are defect dominated. Many products of modern technology depend on solid state diffusion and thus on point defects. Some examples are micro-, nanoelectronics and optoelectronics. Few properties - e.g. the melting point or the elastic modulus - are not, or only weakly influenced by defects.
To give some flavor of the impact of defects on properties, a few rather speculative points will follow:
Residual resistivity, conductivity in semiconductors, diffusion of impurity
atoms, most mechanical properties around plastic deformation, optical and
optoelectronic properties;
Crystal growth, recrystallization, phase changes.
Corrosion - a particularly badly understood part of defect science.
Reliability of products, lifetimes of minority carriers in semiconductors, and
lifetime of products (e.g. chips).
Think of electromigration, cracks in steel, hydrogen embrittlement.
Properties of quantum systems (superconductors, quantum Hall effect)
Evolution of life (defects in DNA "crystals")

Влияние дефектов на свойства кристаллов

Дефекты определяют многие свойства материалов - так называемые, структурно чувствительные свойства. В частности, к ним относятся проводимость полупроводников и ионных кристаллов. Многие изделия современной технологии зависят от условий диффузии в твердом состоянии, и, следовательно, от концентрации
точечных дефектов.

Дефекты играют важную роль, например, в следующих приложениях:

Слайд 13

Значительная часть мировой технологии связана с манипуляциями дефектами. Сюда относятся вся

Значительная часть мировой технологии связана с
манипуляциями дефектами. Сюда относятся вся


индустрия, связанная с ковкой, штамповкой металлов,
включая производство автомобилей, вооружений,
а также полупроводниковая промышленность
и многое другое.
Слайд 14

Полупроводниковая гетероструктура - LED Использование ионной имплантации (контроль диффузии!)

Полупроводниковая гетероструктура - LED

Использование
ионной имплантации
(контроль диффузии!)

Слайд 15

Точечные дефекты: вакансии и межузельные атомы вольт

Точечные дефекты: вакансии и межузельные атомы

вольт

Слайд 16

Вакансии Дефект Френкеля (Френкелевская пара) Дефект Шоттки

Вакансии

Дефект Френкеля
(Френкелевская пара)

Дефект Шоттки

Слайд 17

Тетраэдрические и октаэдрические пустоты в гранецентрированном кубическом кристалле

Тетраэдрические и октаэдрические пустоты в гранецентрированном кубическом кристалле

Слайд 18

Межузельные атомы в объемноцентрированном кубическом кристалле

Межузельные атомы в объемноцентрированном
кубическом кристалле

Слайд 19

Термодинамика образования точечных дефектов

Термодинамика образования точечных дефектов

Слайд 20

Равновесная концентрация точечных дефектов c = n/N ≈ e− E/ kT

Равновесная концентрация точечных дефектов

c = n/N ≈ e− E/ kT

kB T =

1.4 10-16 эрг/К 1200 К =1.6 10-13 эрг ≈ 10-1 эв

e-10

Слайд 21

Примесные состояния

Примесные состояния

Слайд 22

E ≈ Eb/ε2 ε ≈ 10

E ≈ Eb/ε2
ε ≈ 10

Слайд 23

Слайд 24

Слайд 25

Центры окраски

Центры окраски

Слайд 26

Линейные дефекты: дислокации Лат. dislocatio - смещение, перемещение

Линейные дефекты: дислокации

Лат. dislocatio - смещение, перемещение

Слайд 27

Пластическая деформация кристаллов A x Для малых сдвиговых деформаций, ε =

Пластическая деформация кристаллов

A

x

Для малых сдвиговых деформаций, ε = x/a, справедлив
закон

Гука: τ = Gε = Gx/a. При этом τ(x) ≈ A2πx/b

A

A ≈ G/2π

x

b

Слайд 28

Динамический деформационный эксперимент - растяжение образца с постоянной скоростью

Динамический деформационный эксперимент
- растяжение образца с постоянной скоростью

Слайд 29

Диаграмма напряжение - деформация Определение порога текучести σ ε

Диаграмма напряжение - деформация

Определение порога
текучести

σ

ε

Слайд 30

Типы дислокаций: Краевые дислокации - Edge Dislocation: A portion of an

Типы дислокаций:
Краевые дислокации - Edge Dislocation:
A portion of an extra

plane of atoms
Винтовые дислокации - Screw Dislocation:
Helical atomic displacement around a
line extending through the crystal
Смешанные дислокации - Mixed Dislocation:
Some edge, some screw nature
Слайд 31

Создание напряженного состояния в месте внедрения дополнительной полуплоскости Геометрия дислокаций

Создание напряженного состояния в месте внедрения
дополнительной полуплоскости

Геометрия дислокаций

Слайд 32

Ядро дислокации (??) - сильные искажения решетки Краевая дислокация Слабые, упругие

Ядро дислокации (??)
- сильные искажения решетки

Краевая дислокация

Слабые, упругие
искажения идеальной
решетки -

«хороший
материал»
Слайд 33

Слайд 34

Контур Бюргерса Вектор Бюргерса b b ⊥ ζ

Контур Бюргерса

Вектор Бюргерса b

b ⊥ ζ

Слайд 35

Слайд 36

Спиральный рост кристаллов Винтовая дислокация b ⇑ ζ

Спиральный рост кристаллов

Винтовая дислокация

b ⇑ ζ

Слайд 37

Слайд 38

Движение дислокаций является основным механизмом пластической деформации кристаллов исключения: нитевидные кристаллы, углеродные нанотрубки

Движение дислокаций является основным механизмом пластической деформации кристаллов исключения: нитевидные кристаллы, углеродные

нанотрубки
Слайд 39

Dislocations make slip 1000 times easier, which is why metals deform

Dislocations make slip 1000 times easier, which is why metals deform

easily
Slip of atom planes over each other due to deformation occurs one atom row at a time, analogous to caterpillar motion or moving a pile of bricks one at a time
Слайд 40

Распространение одиночной волны - солитон

Распространение одиночной
волны - солитон

Слайд 41

Исторический экскурс Выплавка и ковка металлов

Исторический экскурс

Выплавка и ковка металлов

Слайд 42

Меч катана Япония, период Эдо, 1676 Мастер Цуда Сукэхиро, Сталь, ковка

Меч катана
Япония,
период Эдо, 1676
Мастер Цуда Сукэхиро,
Сталь, ковка
Длина клинка
97.5 см

Кузнечное

дело, по сути - искусство манипуляции плотностью дислокаций, и, что даже более важно, умение влиять на скорость их движения по решетке.
Слайд 43

TEM - 1949 (!) transmission electron microscopy “ Изобретение “ дислокаций

TEM - 1949 (!)
transmission electron microscopy

“ Изобретение “ дислокаций

(a) TEM

picture of dislocation
structure in single crystal BCC
molybdenum deformed at
temperature 278K.
(b) Dislocations formed bundles
(braids) in single crystal copper
deformed at 77K.
Слайд 44

Диаграмма напряжение - деформация Определение порога текучести σ ε

Диаграмма напряжение - деформация

Определение порога
текучести

σ

ε

Слайд 45

Three common crystal structures in metals: Face centered cubic (fcc): ABCABC…

Three common crystal structures in metals:
Face centered cubic (fcc): ABCABC… packing:

Ni, Cu, Ag, Al, Au
Hexagonal close packed (hcp): ABABAB … packing: Mg, Zn, Co, Ti
Body centered cubic (bcc): Fe, Cr, W, Ta, Mo
Easy for close packed planes to slide over each other: slip planes (plays an important role in determining deformation & strength)

Плоскости скольжения в кристаллах

shear

Слайд 46

Эксперимент на растяжение Плоскости скольжения

Эксперимент на растяжение

Плоскости скольжения

Слайд 47

Совершенные кристаллы (?) A silicon ingot is a single crystal of

Совершенные кристаллы (?)

A silicon ingot is a single crystal of Si.

Within the bulk of the crystal, the atoms are arranged on a well-defined periodical lattice. The crystal structure is that of diamond.

Плотность дислокаций
≈ 102 см-2

Typical numbers in well annealed metals 106 to 108 cm-2,
in semiconductors 10 to 105 cm -2.
After plastic deformation 1012 cm -2 and above

Слайд 48

Углеродные нанотрубки – идеальный кристалл?

Углеродные нанотрубки – идеальный кристалл?

Слайд 49

whiskers – усы (нитевидные кристаллы)

whiskers – усы (нитевидные кристаллы)

Слайд 50

Наблюдение дислокаций

Наблюдение дислокаций

Слайд 51

Слайд 52

Дислокационные ямки травления

Дислокационные ямки травления

Слайд 53

Избирательное травление

Избирательное травление

Слайд 54

Декорирование

Декорирование

Слайд 55

TEM - transmission electron microscopy Электронная микроскопия на просвет

TEM - transmission electron
microscopy
Электронная микроскопия
на просвет

Слайд 56

Слайд 57

(a) A TEM picture of dislocation structure in pure single crystal

(a) A TEM picture of dislocation structure in pure single crystal

BCC molybdenum deformed at temperature 278K (courtesy of L. L. Hsiung).
(b) Dislocations formed bundles (braids) in single crystal copper deformed at77K
(c) Dislocation structure formed in single crystal BCC molybdenum deformed
at temperature 500K (courtesy of L. L. Hsiung). The dark regions contain a
high density of entangled dislocations lines that can no longer be distinguished
individually.
Слайд 58

Дифракция рентгеновских лучей (электронов, нейтронов) на периодических структурах 2d sinθ =

Дифракция рентгеновских лучей (электронов, нейтронов) на периодических структурах

2d sinθ =

nλ

Закон Вульфа-Брэгга

q

q = k’ - k - вектор рассеяния

q = G - геометрическое условие дифракции;
G - вектор обратной решетки

Слайд 59

Рентгеновская топография

Рентгеновская топография

Слайд 60

Двумерные дефекты

Двумерные дефекты

Слайд 61

Close packed crystals A plane B plane C plane A plane

Close packed crystals

A plane

B plane

C plane

A plane

…ABCABCABC… packing

…ABABAB… packing

Плотная упаковка в

кристаллах
Слайд 62

Close packed structures Cubic close packed (CCP) or Face centered cubic

Close packed structures

Cubic close packed (CCP) or
Face centered cubic (FCC)

Hexagonal close

packed (HCP)

Структуры с плотной упаковкой

Face centered cubic (fcc): ABCABC… packing: Ni, Cu, Ag, Al, Au
Hexagonal close packed (hcp): ABABAB … packing: Mg, Zn, Co, Ti

Слайд 63

Дефекты упаковки

Дефекты упаковки

Слайд 64

Малоугловая граница зерен

Малоугловая граница зерен

Слайд 65

Слайд 66

Фазовый переход из центросимметричной в полярную структуру с образованием доменов Доменная

Фазовый переход из центросимметричной
в полярную структуру с образованием доменов

Доменная
граница

Переполяризация диэлектрика
за

счет движения доменных стенок
Слайд 67

Модель Изинга (двумерная решетка со спинами в узлах) Рассмотрим модель в

Модель Изинга (двумерная решетка со спинами в узлах)

Рассмотрим модель в которой магнитные

диполи (спины) S распределены по узлам периодической решетки (2D). В каждом узле спин может быть направлен «вверх» (S = 1) или «вниз» (S = -1). Спины взаимодействуют только с ближайшими соседями посредством обменного взаимодействия.
Гамильтониан модели:
H = − (J/2)∑SiSj (1)
где сумма берется по ближайшим соседям в решетке, = U

«вверх»

«вниз»

Введем параметр
порядка:
< μ > = < (1/N)∑Si>
намагниченность

парамагнетик T > Tc ферромагнетик T < Tc
< μ > = 0, ближний порядок < μ > ≠ 0, дальний порядок

F = U − TS = Fmin

J>0 - ферромагнетик
J<0 - антиферромагн.

парамагнетик T > Tc ферромагнетик T < Tc
< μ > = 0, ближний порядок < μ > ≠ 0, дальний порядок

Спины «вверх»

«вниз»

Магнитные системы

Доменная
граница

Слайд 68

Трехмерные (объемные) дефекты Поры, трещины, примесные скопления, включения, выделения новой фазы и т.д.

Трехмерные (объемные) дефекты Поры, трещины, примесные скопления, включения, выделения новой фазы и

т.д.
Слайд 69

Нарушения сплошности кристалла Зарождение и рост трещин разрушение кристалла

Нарушения сплошности кристалла

Зарождение и рост трещин

разрушение кристалла

Слайд 70

Упрочнение в сплавах (одно из важнейших достижений современной цивилизации) Увеличение порога

Упрочнение в сплавах
(одно из важнейших достижений
современной цивилизации)

Увеличение порога текучести таких

металлов
как Al , Cu, Ni в сто и более раз за счет правильного
выбора легирующих элементов и оптимизации
термической обработки !
Слайд 71

Египетские пирамиды – Cu + Sb

Египетские пирамиды – Cu + Sb

- Предыдущая
Безопасность и безопасное поведение на дороге
Следующая -
Ваготомия. Пилоропластика. Дренирующие желудок операции

Похожие презентации

Кинетика ферментативных реакций
Колебания
Лекция № 5. Спектральный анализ непериодических сигналов
Свойства жидкости и газа
Фотоны. Давление света
Люминесцентный анализ
Оптические приборы
Кинематика материальной точки
Методы определения свойств горных пород. Тема 7. Лекция № 11
Поляризація світла
Оптика. Линза. Фокусное расстояние линзы. Построение изображений в линзе
Повітряні кулі
Основные параметры элементов электрической цепи
Физика твердого тела. (Лекция 1)
Линейные цепи при несинусоидальных периодических токах
Презентация Электрический ток в различных средах
Решение задач по теме индуктивность
Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея
Презентация по физике "Двигуни. Парова турбіна" - скачать бесплатно
Волновая оптика. Интерференция волн.
Магнитное поле и его графическое изображение. (Урок 39)
Презентация УРОК ФИЗИКИ В 10 КЛАССЕ Броуновское движение Строение вещества
ОСНОВЫ МКТ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МКТ
Электрический ток в полупроводниках
Измерение мощности и работы тока в электрической лампе. Урок №49. Лабораторная работа №8
Поверхности однородной жидкости на одном уровне (давление воздуха над жидкостью одинаково)
Электролиз.
Электромагнитное излучение на границе раздела сред и в структурированном веществе. Оптическая микроскопия ближнего поля
Вы можете прислать нам Вашу презентацию и мы опубликуем ее на сайте.
Обратная связь
Для правообладателей
Email: Нажмите что бы посмотреть