Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 10 К/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пласти-ну, распыления струи газом или жидкостью, центрифугирования капли или струи, расплавления тонкой пленки поверхности металла лазером с быст-рым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрого охлаждения из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.

Получение ленты.

Наиболее эффективными способами промышлен-ного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатка расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теп-лопроводностью.

На рис. 1 приведены принципиальные схемы этих методов. Рас-плав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающе-гося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит том, что в ме-тодах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение доста-точной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов.

Рис. 1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава:

а - центробежная закалка; б - закалка на диске; в - прокатка расплава; г - центробежная закалка; д - планетарная закачка на диске

Рис. 2 . Устройства для увеличения времени контакта затвердевающей ленты с диском: а - использование газовых струй;

б - применение прижимного ремня

Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в ши-роких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров пла-вильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие - до 100 мм, причем точность под-держания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.

Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося хо-лодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью исте-чения расплава, то есть зависит от диаметра сопла и давления газа на рас-плав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодиль-ником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.

Увеличение длительности контакта затвердевающего металла с диском может быть достигнуто с помощью специальных приспособлений: газовых струй, прижимающих ленту к диску или движущегося с одинаковой ско-ростью с диском ремня из сплава меди с бериллием (рис. 13.34). Таким образом, максимальная толщина аморфной ленты зависит от критической скорости охлаждения сплава и возможностей установки для закалки. Если скорость охлаждения, реализуемая в установке, меньше критической, то аморфизация металла не произойдет.

Рис. 3 . Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава:

а - протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б - вытягивание нити из вращающеюся барабана; в - вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 -расплав; 2 - охлаждающая жидкость; 3 - стекло; 4 - форсунка; 5 - смотка проволоки

Получение проволоки.

Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

В первом методе (рис. 3, а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей. Во втором (рис. 3. б) - струя расплавленного металла падает в жидкость, удержи-ваемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидко-сти. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис. 3, в). Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной труб-кой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, есте-ственно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.

Получение порошков. Для производства порошков аморфных сплавов можно воспользоваться методами и оборудованием, применяемым для из-готовления объемных металлических порошков.

На рис. 4 схематично показано несколько методов, позволяющих в больших количествах получать аморфные порошки. Среди них в первую очередь следует отметить хорошо зарекомендовавшие себя методы распы-ления.

Известно изготовление аморфных порошков кавитационным методом, реализуемым прокаткой расплава в валках, и методом распыления расплава вращающимся диском. В кавитационном методе (рис. 4, б) расплавленный

Рис. 4. Методы получения аморфных порошков:

а - метод распыления (спрей-метод); б - кавитационный метод; в - метод распыления рас-плава вращающимся диском; 1 - порошок; 2 - исходное сырье: 3 - форсунка; 4 - охлаж-дающая жидкость; 5 - охлаждаемая плита

металл выдавливается в зазоре между двумя валками (0,2-0,5 мм), изготов-ленными, например, из графита или нитрида бора. Происходит кавитация -расплав выбрасывается валками в виде порошка, который попадает на охла-жденную плиту или в охлаждающий водный раствор. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющие-ся в металле. Метод распыления вращающимся диском (рис. 4, в) в принципе аналогичен ранее описанному методу изготовления тонкой про-волоки, но здесь расплавленный металл, попадая в жидкость, разбрызгива-ется за счет ее турбулентного движения. С помощью этого метода получа-ют порошок в виде гранул диаметром около 100 мкм.

При медленном охлаждении ниже точки кристаллизации жидкость оказывается в переохлажденном состоянии. Это состояние жидкости является метастабильным, то есть через некоторое время она должна перейти в кристаллическое состояние, которое ниже точки кристаллизации является энергетически выгодным. Если кристаллизация жидкости состоялась, то стеклование наблюдать уже не удастся. Однако если кристаллизация жидкости по каким-то причинам затруднена, то есть время жизни метастабильного состояния достаточно велико, то при достаточно быстром охлаждении переохлажденной жидкости ее вязкость быстро возрастает и она переходит в твердое аморфное состояние.

Переход из стеклообразного состояния в кристаллическое хотя и возможен, но связан с большими временами ожидания, а во многих случаях является практически не наблюдаемым.

Возможность получения стеклообразного состояния вещества определяется тем, насколько легко происходит его кристаллизация. По этому признаку вещества можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся многие органические полимерные жидкости. Кристаллизация таких жидкостей затруднена из-за малой подвижности ее длинных полимерных молекул, находящихся в сложном переплетенном состоянии. Даже при очень медленном охлаждении такой жидкости она не кристаллизуясь доходит до температур, при которых происходит ее стеклование. Такие жидкости иногда называют естественно аморфными. Естественно аморфными являются многие при-

родные смолы. Вторую группу образуют вещества, которые хорошо поддаются как кристаллизации (при медленном темпе охлаждения), так и стеклованию. Классическим примером является глицерин. Для таких веществ можно производить измерение характеристик как кристалла, так и переохлажденной жидкости при одинаковых температурах, что оказывается важным для понимания природы стеклования. Жидкости первой и второй групп называют стеклообразующими. К третьей группе относятся легко кристаллизующиеся вещества, для которых существование стеклообразного состояния долго считалось невозможным. Классическим примером таких веществ можно считать чистые металлы и различные сплавы. Однако в последнее время появились методы получения сверхбыстрого охлаждения до 108 К/с. При столь быстром охлаждении удалось получить аморфное состояние многих металлов и сплавов.

4.2 Методы получения аморфных металлических материалов

Методы получения аморфных материалов условно можно разбить на три группы:

Охлаждение со сверхвысокими скоростями (10 5 -10 7 К\с) расплавленного металла (закалка из жидкого состояния). Сюда относятся выстреливание капли расплава на теплопроводящую подложку (холодильник), расплющивание капли между медными пластинами, литье струи металлического расплава на вращающийся холодильник (диск или барабан), прокатка струи расплава между валками, намораживание тонкого слоя расплава на кромке быстровращающегося в вертикальной плоскости диска из высокотеплопроводящего материала. Такими способами получают ленту, порошки, волокна из металлических сплавов.

Осаждение металлов из газовой (паровой) фазы на охлаждаемую подложку. Сюда относятся термическое испарение, ионное распыление, плазменное напыление и т.д. Этим методам присуща высокая скорость закалки, что позволяет формировать аморфное состояние также и для сплавов не аморфизующихся при закалке из расплава. Недостатками этих методов являются низкая производительность, сложность и дороговизна оборудования.

Разрушение кристаллической структуры твердого тела за счет внешних воздействий. Здесь наибольший интерес представляет ионная имплантация, с помощью которой можно получить аморфные слои на готовых изделиях из некоторых металлов.

Общей особенностью 1-х методов является создание таких условий для быстрого охлаждения расплава, которые предотвращали бы процесс кристаллизации. Практика показывает, что предотвратить кристаллизацию и зафиксировать стеклообразное состояние можно путем соприкосновения жидкого расплава с металлической холодной подложкой, которая должна изготавливаться из материала, обладающего хорошей теплопроводностью. Обычно для этой цели применяют медь, бериллиевую бронзу, латунь. Расплав нагревают индукционным нагревательным устройством или печью сопротивления.

Существует несколько главных условий, выполнение которых позволяет получить аморфный сплав с помощью закалки из жидкого состояния при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении:

Объемная скорость течения расплава через отверстие сопла на поверхность вращающегося диска должна быть постоянной в течение всего времени формирования аморфного сплава.

Течение расплавленной струи должно быть стабильным и защищено от воздействия мелких частичек пыли и неконтролируемых потоков воздуха, создаваемых вращающимися частями аппаратуры.

Образующая поверхность диска должна быть хорошо отполирована и иметь хороший механический и тепловой контакт с расплавленной струей.

В последние годы для получения аморфных структур стал применяться метод высокоскоростного ионно-плазменного распыления материала на подложку. Скорость распыления зависит как от напряжения, так и от плотности ионного тока, поступающего на мишень. Распыляемые атомы покидают мишень. Часть атомов попадает на подложку и осаждается на ней, а часть теряется на специальных экранах. Распыление проводят в 2 этапа:

Предварительное. Ее целями является: 1- снимается верхний загрязненный слой мишени; 2- на экранах осаждается пленка распыляемого вещества, которая может служить геттером и т.о. в области подложки создается область с пониженным содержанием примесей; 3- процесс распыления приобретает более стационарный характер и состав осаждаемого слоя будет соответствовать составу мишени только после истечения некоторого времени, при котором происходит выравнивание состава распыляемых атомов. После окончания предварительно распыления в течение нескольких минут проводят ионную очистку подложки путем подачи на нее отрицательного потенциала 100В. Затем начинается распыление в рабочем режиме. Этот метод позволяет создать аморфные структуры сложного состава толщиной до 1 см.

Также для получения аморфных металлов в настоящее время используют лазерное излучение, которое позволяет быстро нагревать металл, и обеспечивает охлаждение расплава со скоростью не менее 10 5 -10 6 К/с. При быстром расплавлении возникает гомогенная жидкость, которая после затвердевания превращается в т.н. стекло с необычными физико-механическими свойствами. Процесс образования на поверхности металлических материалов подобной структуры получил название «лазерного стеклования».

3.1. Аморфные материалы. Металлические материалы представляет собой одно-двух или поликристаллические сплавы. Сталь, чугун, дуралюмин, латунь и т.п. люди используют давно, но новые потребности могут удовлетворить только новые материалы. Основа у материалов зачастую та же самая, что у поликристаллических материалов, но приготовленные по другой технологии, они приобретают новые свойства. Некоторые технологии мы сейчас и рассмотрим

Для получения аморфного материала из газовой фазы нужно, чтобы кинетическая энергия осаждаемого атома не превышала энергии связи атомов на подложке. Малоподвижные атомы укладываются на подложку случайно, а значит бес структурно. Подвижные атомы могли бы подвигавшись, создать более энергетически выгодную структуру. Достоинства – высокая скорость охлаждения, что обеспечивает консервацию аморфного состояния. Недостатки – низкая скорость нарастания аморфного слоя, требования к высокому вакууму, возможность попадания атомов откачиваемой атмосферы на подложку. Конкретные технологии: Термическое испарение в вакууме Лазерное или электронно-лучевое испарение Плазменное испарение Катодное распыление Плазмохимия, т.е. разложение в тлеющем разряде Получение из газовой фазы

Аморфные вещества получают реакциями осаждения из раствора. Если условия меняются очень быстро, то может не успеть организоваться кристаллическая структура и она будет аморфной. Методы: Выпаривание. Добавка осадителей, например к полярному растворителю – неполярный, или к неполярному – полярный. Электролитическое осаждение. Здесь добавляют в ванную с электролитом фосфор или бор. Они способствуют формированию некристаллических металлов. Термическое разложение геля. Получение из растворов.

Получение из кристаллической фазы 1. Самое тривиальное – быстро нагреть и быстро же охладить. Либо другие сильные воздействия при которых атомы могут покидать свои равновесные положения. 2. Твердофазные реакции. 3. Сильные механические воздействия, например в планетарной, либо вибрационной мельнице, когда механическая разупорядоченность на поверхности может распространяться вглубь материала. Например дислокации, которых образуется настолько много, что говорить об кристаллическом материале не имеет смысла. 4. Облучение поверхности нейтронами, либо бомбардировка ионами (например ионная имплантация). Воздействие ударной волны.

Получение из расплавов Для получения стекол из расплавов требуется высокая вязкость. Как мы рассматривали ранее, кристаллизация происходит через образование и рост зародышей новой фазы. Если вязкость высока, то молекулам требуется значительное время для построения кристаллов. Если охладить быстро, то кристаллическая структура не успевает выстроиться. Пример с двуокисью кремния SiO 2. T пл 1722 С, Т стекл 1222 С, вязкость при Т пл 1 МПА.с. (Кислород, сера, селен-халькогены). Халькогенидные стекла – соединения с другими элементами. Типичные композиции: Ge S, Ge Se, As S, As Se, Ge S P, Ge As Se, Ge Se Te, As Se Te, Ge As Se Te и др. Высокая вязкость делает соединения аморфными, либо стеклами.

Металлические стекла Металлические стекла получаются: сверхбыстрой закалкой; очень быстрым охлаждением; распыление газом К/с; Центрифугирование Диспергирование Охлаждение в газе – медленное, в жидкости до 10 5 К/с, На металле – до 10 8 К/с. Разбрызгивание выстрелом, плазменное распыление, литье на цилиндр, литье на центрифугу, вращающийся цилиндр в ванне. Прокатка между двух валков. Всасывание в капилляр под вакуумом, продавливание через фильеру с охлаждением в оболочке. Способы сварки лазерным облучением, использованием высоковольтной искры, газового разряда, электронного луча – до К/С

Наноматериалы Нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах. Так, в США действует программа Национальная нанотехнологическая инициатива (бюджет ~500 млн долл.). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой нано-. Cложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще круче.

Основы нанотехнологий nanos, переводится как карлик Диапазон нанообъектов - от отдельных атомов (R

Соотношение «поверхностных» и «объемных» атомов Доля атомов a, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R, поскольку a ~ S/V ~ R 2 /R 3 ~ 1/R (здесь S - поверхность частички, V - ее объем). Общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от объемных, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. Приповерхностный слой можно считать как некое новое состояние вещества.

Пояснения к предыдущему слайду Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов. 1 - осциллирующий характер изменения свойств, 2 - рост характеристики с насыщением, 3 - рост характеристики с максимумом. Наконец, если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей

Биофизики создали нано электронный прибор на основе одной органической молекулы В Аризонском государственном университете создали электронный прибор, состоящий из единственной органической молекулы. Цепочка из семи анилиновых фрагментов ведет себя как резистор с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Результат работы биофизиков может быть использован в наноэлектронике.

Что как получают Высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности интегрированные микроэлектромеханические устройства, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.

Глаза и пальцы нанотехнологии Зонд, хорошо заостренная игла с радиусом при вершине ~10 нм) и сканирующий механизм, способный перемещать его над поверхностью образца в трех измерениях. Грубое позиционирование осуществляют трехкоординатными моторизированными столами. Тонкое сканирование реализуют с помощью трехкоординатных пьезоактюаторов, позволяющих перемещать иглу или образец с точностью в доли ангстрема на десятки микрометров по х и y и на единицы микрометров - по z.

Известные в настоящее время методы – сканирующая туннельная микроскопия; в ней между электропроводящим острием и образцом приложено небольшое напряжение (~ В) и регистрируется ток в зазоре, зависящий от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности образца; – атомно-силовая микроскопия; в ней регистрируют изменения силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке. Игла расположена на конце консольной балочки (кантилевера), имеющей известную жесткость и способной изгибаться под действием небольших сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Деформацию кантилевера регистрируют по отклонению лазерного луча, падающего на его тыльную поверхность, или с помощью пьезорезистивного эффекта, возникающего в самом кантилевере; – ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света.
Что впереди? Первый шаг в этом направлении - создание микро-нано- электромеханических систем (MEMS/NEМS). И наноострия, и нанокантилеверы, и просто нано проводники могут быть очень чувствительными и селективными сенсорами, расположенными на одном чипе с электроникой. К ним можно добавить нано насосы, и в результате получится аналитическая химическая лаборатория, размещающаяся на пластине площадью ~1 см 2. Существуют уже анализаторы боевых отравляющих веществ, биологического оружия, искусственный нос и искусственный язык для аттестации пищевых продуктов (вин, сыров, фруктов, овощей).

Военные применения Министерство обороны США, например, финансирует программу создания Smart dust - умной пыли, т.е. большого семейства микророботов, размером в пылинку, которые смогут, рассыпавшись над территорией противника, проникать во все щели, каналы связи, создавать свою сеть, собирать и передавать оперативную информацию, проводить спецоперации и т.д.

Медицина Есть и более гуманистические проекты: создать специальные микророботы-доктора, которые будут сочетать функции диагноста, терапевта и хирурга, перемещаясь по кровеносной, лимфатической или другой системе человека. Уже изготовлены образцы таких роботов, имеющих все функциональные узлы и размеры около 1 мм(, нынче, 2008 – 0.2 мм), и существует реальная перспектива уменьшения их размеров до микронного и субмикронного уровня.

Получение аморфных металлов возможно дроблением исходного кристаллического тела с получением аморфной структуры (путь «сверху вниз»). Путь предполагает нарушение регулярного расположения атомов в кристаллическом теле в результате внешних воздействий на кристалл и превращение твёрдого кристаллического тела в твёрдое аморфное.

К настоящему времени известно несколько технических способов реализации этих путей (рис.1). Поскольку аморфный металл с термодинамической точки зрения представляет собой крайне неравновесную систему, обладающую большой избыточной энергией, то его получение, в отличие от получения кристаллического металла, требует проведения неравновесных процессов. На этом рисунке равновесные процессы фазовых превращений металла представлены сплошными стрелками, а неравновесные процессы получения аморфного металла – штриховыми.

Рис.1. Методы достижения равновесных и неравновесных состояний металлов

Как следует из приведённой схемы, термодинамически неравновесный аморфный (и нанокристаллический) металл можно получить из любой равновесной фазы:

конденсацией из газовой фазы. С некоторыми оговорками к этой группе могут быть отнесены и методы электролитического осаждения аморфных плёнок из растворов электролитов;

аморфизацией кристаллического состояния путём введения в кристаллы большого количества дефектов;

закалкой жидкого состояния из металлического расплава.

Два первых метода получения аморфных металлов – из газовой фазы и кристаллических металлов – появились ещё в первой половине прошлого века и используются относительно давно, но они не относятся к металлургическим технологиям.

1.1.Метод электролитического осаждения аморфных плёнок из растворов электролитов

В частности, метод вакуумного напыления, основанный на принципе укладки атома к атому, используется для получения ультратонких (10-1…101 нм) плёнок. Металл нагревают в вакууме при давлении 10-3…10-9 Па (предпочтительно при минимально возможном остаточном давлении). При этом с поверхности расплава испаряются отдельные атомы. Движущиеся в вакууме прямолинейно атомы осаждаются на массивную охлаждаемую плиту–подложку. В результате конденсации одиночных атомов их избыточная энергия успевает поглощаться подложкой со скоростью, соответствующей скорости охлаждения 109…1013 К/с и достаточной для получения аморфного состояния чистых металлов. При этом для получения аморфных плёнок чистых переходных металлов подложка должна быть охлаждена до температуры жидкого гелия.

Методом вакуумного напыления получают аморфные плёнки железа, никеля, кобальта, марганца, хрома, алюминия, ванадия, палладия, циркония, гафния, рения, бория, тантала, вольфрама, молибдена, теллура, сурьмы, гадолиния, мышьяка и других элементов. Температура кристаллизации и термическая стабильность напылённых плёнок зависит от их толщины. Так, плёнка железа толщиной 2,5 нм кристаллизуется уже при 50…60 К, а при толщине плёнки 15 нм получить железо в аморфном состоянии вообще не удаётся.

Недостатком метода является и то, что на подложке одновременно с атомами напыляемого металла конденсируются атомы остаточных газов, присутствующих в атмосфере камеры напыления. Поэтому состав и свойства напылённой плёнки зависят от степени разрежения и состава остаточных газов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Аморфные материалы: их свойства, применение в современной технике, способы получения

Выполнил:

студент 206 группы ХФММ

Дорожкин А.П.

Проверил:

Заведующий кафедрой

физической химии

Томилин О.Б.

Введение

Долгое время казалось, что самое интересное в Физике - это исследования микромира и микрокосмоса. Именно там пытались найти ответы на наиболее важные, фундаментальные вопросы, объясняющие устройство окружающего мира. А сейчас образовался третий фронт исследований - изучение твёрдых тел.

Почему же так важно исследовать твёрдые тела?

Огромную роль, конечно, играет здесь практическая деятельность человека. Твёрдые тела - это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это - полупроводники, лежащие в основе современной электроники, магниты, сверхпроводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твёрдых тел.

Но не только практическая сторона дела важна при их изучении. Сама внутренняя логика развития науки - физики твёрдого тела - привела к пониманию важности коллективных свойств больших систем.

Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системе и особых свойств всего количества микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твёрдых тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твёрдых тел.

Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.

1. Общая характеристика аморфных тел

Не все твёрдые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел.

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направленности по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.

Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.

В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определённо есть.

К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твёрдых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Проследим за куском смолы, который лежит на гладкой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.

Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

2. Аморфные металлические сплавы

Аморфные металлические сплавы (металлические стёкла) -- это металлические твёрдые вещества, в которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Это придаёт им целый ряд существенных отличий от обычных кристаллических металлов.

Аморфные сплавы были впервые получены в 1960 г. П. Дувезом, однако их широкие исследования и промышленное использование начались спустя десятилетие -- после того, как в 1968 г. был изобретён метод спиннингования. В настоящее время известно несколько сотен аморфизирующихся систем сплавов, достаточно подробно изучены структура и свойства металлических стёкол, расширяется область их применения в промышленности.

2.1 Методы получения аморфных сплавов

Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.

Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.

Рис.1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава: а) центробежная закалка; б) закалка на диске; в) прокатка расплава; г) центробежная закалка; д) планетарная закалка

На рис.1 приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны.

Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более.

Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие -- до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.

Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

Рис.2 Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава: а) протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б) вытягивание нити из вращающегося барабана; в) вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 -- расплав; 2 -- охлаждающая жидкость; 3 -- стекло; 4 -- форсунка; 5 -- смотка проволоки

В первом методе (рис.2, а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей.

Во втором (рис.2, б) -- струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис.2, в).

Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.

2.2 Механические свойства

Первая особенность механических свойств аморфных сплавов, которую следует отметить, -- это их очень высокая прочность. Как известно, теоретическая прочность, то есть напряжение, необходимое для разрыва всех межатомных связей в плоскости разрушения, составляет 1~10E? (E -- модуль Юнга). Прочность реальных металлов на два-три порядка ниже -- лишь прочность нитевидных кристаллов (усов) приближается к теоретической.

Для аморфных сплавов также типичны близкие к теоретической прочности значения в0,040,05Еу?…. Это обусловлено, во-первых, более низкими по сравнению с кристаллами модулями упругости, а во-вторых, спецификой механизмов деформации и разрушения. Коэффициент Пуассона аморфных сплавов обычно близок к 0,4 -- это промежуточное значение между кристаллическими металлами (0,3) и жидкостью (0,5). Довольно неожиданным свойством аморфных сплавов является их способность к пластическому течению. В кристаллах, как известно, пластическое поведение обеспечивается движением дислокаций. Но в теле без трансляционной симметрии дислокации в классическом понимании невозможны, и следовало бы ожидать, что аморфные вещества будут абсолютно хрупкими. Неорганические стёкла ведут себя именно так, однако в аморфных металлах пластическая деформация всё-таки происходит.

Способность к деформации связана, как и для кристаллов, с коллективизированным ненаправленным характером металлической связи. При этом удаётся реализовать ту высокую прочность, которая заложена в аморфных телах при условии подавления хрупкого разрушения при напряжениях меньше предела текучести. Пластическая деформация аморфных сплавов может быть гомогенной, когда деформируется каждый элемент объёма и образец испытывает однородную деформацию, и негомогенной, когда пластическое течение локализуется в тонких полосах сдвига.

Гомогенная деформация происходит при высоких температурах (близких к температуре кристаллизации) и низких напряжениях (0,01Gф<, где G -- модуль сдвига). При этом скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению. Вязкость з по мере развития деформации непрерывно растёт, и с повышением температуры этот рост ускоряется по аррениусовскому закону. Степень пластической деформации при гомогенном течении практически неограничена, и при правильно подобранных условиях можно добиться эффекта сверхпластичности с деформацией в сотни процентов. По-видимому, гомогенная деформация происходит за счёт непрерывной релаксации структуры, хотя она может протекать и после предварительного отжига при более высокой температуре.

В результате после гомогенной деформации сплавы обычно резко охрупчиваются. Негомогенное пластическое течение происходит при низких температурах и высоких напряжениях (кр0,8TT<0,02Gф>). Оно мало чувствительно к скорости нагружения и практически не сопровождается деформационным упрочнением. В отличие от гомогенной деформации, негомогенная вызывает уменьшение степени порядка в аморфной структуре. При негомогенной деформации течение сосредоточено в полосах сдвига, число которых определяет пластичность сплава. Пластичность сильно меняется в зависимости от схемы нагружения. При растяжении она обычно невелика -- разрушение происходит после деформации в 1…2 %, в то время как при прокатке можно достигнуть деформаций в 50…60 %, а при изгибе радиус может быть сопоставим с толщиной ленты (30…40 мкм).

Разрушение аморфных сплавов, как и обычных кристаллических, может быть хрупким и вязким. Хрупкое разрушение происходит сколом без внешних следов макроскопического течения и по плоскостям, перпендикулярным оси растяжения. Вязкое разрушение происходит после или одновременно с пластической деформацией. Оно развивается по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Характерной особенностью вязкого разрушения аморфных сплавов является наличие на поверхности разрушения двух зон: почти гладких участков скола и участков, в которых наблюдается система переплетающихся "вен" -- следов выхода областей сильно локализованного пластического течения толщиной ~0,1 мкм.

2.3 Физические свойства

В первую очередь следует остановиться на магнитных свойствах аморфных сплавов. В аморфном состоянии, несмотря на неупорядоченное расположение атомов, может возникать упорядоченное расположение магнитных моментов. Поэтому многие аморфные сплавы на основе железа, кобальта, никеля, а также некоторых редкоземельных металлов ферромагнитны. Их поведение качественно похоже на поведение кристаллических ферромагнетиков: в них возникают магнитные домены, при перемагничивании имеется петля гистерезиса, существует точка Кюри, выше которой спонтанная намагниченность исчезает, и т.д. В аморфных сплавах отсутствуют такие барьеры для движения доменных стенок при перемагничивании, как дислокации или границы зёрен, однако в роли барьеров могут выступать локальные неоднородности, магнитострикция от внутренних напряжений и т.п. Отжиг ниже температуры кристаллизации, приводящий к релаксации аморфной структуры и уменьшению внутренних напряжений, обычно уменьшает коэрцитивную силу. Однако в некоторых случаях он, наоборот, может привести к расширению петли гистерезиса из-за стабилизации границ доменов.

Электрическое сопротивление аморфных сплавов существенно выше, чем кристаллических, из-за отсутствия дальнего порядка. Кроме того, их электросопротивление слабо меняется с температурой. Существуют и аморфные сверхпроводники.

2.4 Применение аморфных сплавов

1. Порядка 80 % промышленных аморфных сплавов производятся ради их магнитных свойств. Они применяются в качестве магнитомягких материалов, сочетающих изотропность свойств, высокую магнитную проницаемость, высокую индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу. Их применяют для изготовления магнитных экранов, магнитных фильтров и сепараторов, датчиков, записывающих головок и т.п. Сердечники трансформаторов, изготовленные из аморфных сплавов, характеризуются весьма малыми потерями на перемагничивание благодаря узкой петле гистерезиса, а также высокому электросопротивлению и малой толщине, что уменьшает потери, связанные с вихревыми токами.

Хотя аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические, но при наличии в них хрома и других элементов, способствующих формированию пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал. Аморфные сплавы применяются и как высокопрочные (например, в качестве компонента композиционных материалов и даже корда автомобильных шин). Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов. Применение аморфных сплавов сдерживают как технологические ограничения (малая толщина получаемых полуфабрикатов, полная несвариваемость), так и малая стабильность свойств -- их структура и свойства существенно изменяются не только при нагревах, но и за время работы при комнатной температуре.

В Челябинской области имеется предприятие, производящее аморфные металлические сплавы в промышленных масштабах -- это ОАО "Ашинский металлургический завод". Первые работы по получению аморфных сплавов были начаты на нём в 1984 г., а цех по производству аморфной ленты (ЭСПЦ-1) построен в 1989 г.

Аморфная лента производится на агрегатах "Урал-100" методом литья плоской струи жидкого металла на поверхность вращающегося охлаждаемого барабана диаметром около 1000 мм и шириной 200 мм (см. рис. 1, а). Получаемая лен-та имеет ширину от 3 до 80 мм и толщину 20…30 мкм. Выпускаются магнитомягкие аморфные сплавы на основе железа 2НСР, 9КСР, 30КСР и кобальта 71КНСР, 86КГСР, 82К3ХСР, 84КХСР, а также нанокристаллический сплав типа "файнмет" 5БДСР. (Обозначения элементов в марках сплавов такие же, как у легированных 17 сталей.) Сплавы поставляются потребителям как в виде ленты, смотанной в рулоны, так и в виде готовых изделий -- магнитопроводов. Помимо витых магнитопроводов, из аморфной ленты могут изготавливаться магнитные экраны, сердечники магнитных датчиков и трансформаторов, резистивные элементы и др.

Лента поставляется без термической обработки, однако готовые изделия из большинства сплавов требуют обязательной термомагнитной обработки (реже -- термической обработки без магнитного поля) при 400…460 °C в течение 10…60 мин. Термомагнитная обработка сплава 5БДСР, сопровождающаяся нанокристаллизацией, производится при 520…550 °C. Без термообработки применяется только сплав 71КНСР для магнитных экранов. Для каждой партии ленты контролируется не только химический состав, но и целый набор магнитных характеристик после термической (термомагнитной) обработки.

Аморфные элинвары используют для изготовления сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения и крутящего момента; пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. В ФРГ разработан сплав марки Vitrovac-0080, содержащий 78 % никеля, бор и кремний. Сплав имеет прочность при растяжении = 2000 МПа, модуль Юнга 1,5*105 МПа, плотность 8 г/см3, электросопротивление 0,9 Ом*мм2/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 107 циклов. Сплав рекомендуется для изготовления пружин, мембран и контактов.

Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. В перспективе возможно применение аморфных сплавов для изготовления маховиков. Такие маховики могут использоваться для аккумулирования энергии и покрытия пиковых нагрузок на электростанциях, для улучшения рабочих характеристик автомобилей и т. д.

АМС на основе железа применяются как материалы для сердечников высокочастотных трансформаторов различного назначения, дросселей, магнитных усилителей. Это обусловлено низкими суммарными потерями, которые в лучших АМС данного класса оказываются на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

Сплавы Fe - Si - В с высоким магнитным насыщением были предложены для замены обычного кристаллического сплава Fe - Si в сердечниках трансформаторов, а также сплавов Ni - Fe с высокой магнитной проницаемостью. Отсутствие магнитокристаллической анизотропии в сочетании с довольно высоким электросопротивлением снижает потери на вихревые токи, в особенности на высоких частотах. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe81B13Si4C2 составляют 0,06 Вт/кг, т. е. примерно в двадцать раз ниже, чем потери в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe83B15Si2вместо трансформаторных сталей составит только в США 300 млн. долл/год. Эта область применения металлических стекол имеет широкую перспективу.

Помимо чрезвычайно высокой начальной магнитной проницаемости, особенно на высоких частотах (10 кГц), а также нулевой магнитострикции металлические стекла на основе кобальта имеют высокую твердость и хорошие коррозионные характеристики, поэтому они находят применение в качестве материалов для магнитных записывающих головок. Высокие характеристики и широкое применение нашел разработанный в Японии сплав Fe5Co70Si10B15. Методом закалки в валках производят ленту толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с прекрасным качеством обеих поверхностей (шероховатость ± 3 мкм). Вследствие высокой плотности магнитного потока и высокой износостойкости записывающие головки, изготовленные из такой ленты, имеют лучшие общие характеристики, чем ферритные головки, а также головки из пермаллоев. Эти материалы находят применение в звуко-, видео-, компьютерном и другом записывающем оборудовании.

Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяют в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности для источников вторичного питания и магнитных усилителей. Их используют в детекторах утечки тока, системах телекоммуникаций и в качестве датчиков (в том числе типа феррозондовых), для магнитных экранов и температурночувствительных датчиков, а также высокочувствительных магнитных преобразователей. Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, а также изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред.

Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств обуславливает возможность и других областей применения. Например, возможно использование таких стекол в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.

Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптимальной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высокую коррозионную стойкость. Они используются в авиационной и космической технике.

В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы.

Известно также применение аморфных сплавов в качестве катализаторов химических реакций. Например, аморфный сплав Pd - Rh оказался катализатором для реакции разложения NaCl на NaOH и С12, а сплавы на основе железа обеспечивают больший выход (около 80 %) по сравнению с порошком железа (около 15 %) в реакции синтеза

4Н2 + 2СО = С2Н4 + 2Н2О - (12.1)

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов. Сведения об основных областях применения аморфных металлических материалов содержатся в таблице 12.4.

Широкому распространению аморфных металлов препятствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемости.

3. Аморфные и стеклообразные полупроводниковые материалы

Аморфные и стеклообразные вещества, проявляющие полупроводниковые свойства. Характеризуются наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего порядка. Для стеклообразного полупроводникового материала, который можно рассматривать как особый вид аморфного вещества, характерным является наличие пространственной решетки, в которой кроме ковалентно связанных атомов имеются полярные группировки ионов. В таких материалах связь между группами атомов и ионов осуществляется за счет короткодействующих ковалентных ван-дер-ваальсовых сил. Неорганические стеклообразные полупроводники обладают электронной проводимостью.

В отличие от кристаллических полупроводников у стеклообразных полупроводников отсутствует примесная проводимость. Примеси в стеклообразных полупроводниках влияют на отклонение от стехиометрии, и тем самым изменяют их электрофизические свойства. Эти полупроводники окрашены и непрозрачны в толстых слоях. Стеклообразные полупроводниковые материалы характеризуются разориентированностью структуры и ненасыщенными химическими связями.

Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на оксидные, халькогенидные, органические, тетраэдрические.

Оксидные кислородсодержащие стекла получают сплавлением оксидов металлов с переменной валентностью, например, V2O5-P2O5-ZnO. Оксиды металлов, образующие эти стекла, имеют одновременно не менее двух разновалентных состояний одного и того же элемента, что и обусловливает их электронную проводимость. Бескислородные халькогенидные стекла получают путем сплавления халькогенов (S, Se, Te) с элементами III, IV, V групп периодической системы. Халькогенидные стеклообразные полупроводники получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. Типичные представители --сульфид и селенид мышьяка. К ним относятся также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов и теллуридов) различных металлов (например, Ge-S, Ge- Se, As- S, As- Se, Ge- S P, Ge-As- Se, As-S-Se, As-Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью в ИК-области спектра от 1 до 18 мкм. Аморфные пленки сложных халькогенидных соединений обладают большими возможностями вариации их физико-химических свойств.

Аморфные пленки Si, Ge, GaAs и других полупроводниковых веществ по своим свойствам не представляют практического интереса. Отсутствие в этих полупроводниках дальнего порядка и наличие большого количества дефектов типа микропор приводит к наличию у многих атомов ненасыщенных болтающихся связей. Следствием этого является высокая плотность локализованных состояний (1020см-3) в запрещенной зоне. В связи со спецификой процесса электропроводности в аморфных полупроводниках управлять электрическими свойствами таких материалов практически невозможно.

Введение водорода в аморфные пленки кремния существенным способом изменяет его электрофизические свойства. Растворяясь в аморфном кремнии, водород замыкает на себе болтающиеся связи (насыщает их), в результат в таком "гидрированном" материале, названном Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 1016-1017см-3). Такой материал можно легировать традиционными донорными (P, As) и акцепторными (В) примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, создавать в нем p-n-переходы. На основе кремния синтезирован ряд гидрированных аморфных полупроводников, обладающих интересными электрическими и оптическими свойствами Si1-xCx:H, Si1-xGex:H, Si1-xNx:H, Si1-xSnx:H.

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников разнообразно. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому, например, при изготовлении на его основе солнечных элементов. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки -Si:Н толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе -Si:Н производят при более низких температурах (300 °С).

Гидрированный кремний является прекрасным материалом для создания светочувствительных элементов в ксерографии, датчиков первичного изображения (сенсоров), мишеней видеконов для передающих телевизионных трубок. Оптические датчики из гидрированного аморфного кремния используются для записи в памяти видеоинформации, для целей дефектоскопии в текстильной и металлургической промышленности, в устройствах автоматической экспозиции и регулирования яркости.

Стеклообразные полупроводники являются фотопроводящими полуизоляторами и используются в электрофотографии, системах записи информации и ряде других областей. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра халькогенидные стеклообразные полупроводники применяются в оптическом приборостроении и т. д.

4. Общие методы получение аморфных материалов

Общие методы получение аморфных материалов можно изобразить в виде рисунка.

аморфный металлический кристаллический физический

Заключение

Двойственная натура аморфных материалов высоко ценится с промышленной точки зрения. Экспериментальная и теоретическая работа над аморфными телами позволила лучше понять парадоксальную природу твёрдой структуры этих материалов. Так же почему возник интерес к аморфным металлическим сплавам? Прежде всего потому, что металлические сплавы с ближним порядком расположения атомов и по сей день являются очень интересными объектами физики конденсированных сред.

В последние годы получены важные результаты при изучении механических, электрических и магнитных свойств аморфных металлических материалов. Однако полное завершение исследований по аморфным структурам еще впереди. Требует своего однозначного решения вопрос о структуре ближнего порядка в соответствии с реальной действительностью. А ведь на очереди аморфные структуры, в которых отсутствует даже ближний порядок. Так что изучение полезных свойств аморфных материалов продолжается по сей день.

Список использованной литературы

1. А.Вест Химия твердого тела, ч.2, М.: Мир, 1988

2. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.

3. Б.В.Некрасов, Основы общей химии, М.:Химия, 1973.

4. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела / А. Фельц. - М.: Мир, 1986. - 556 с.

5. Хенней Н. Химия твердого тела / Н. Хенней. - М.: Мир, 1971. -223 с.

6. Аморфные металлические сплавы / В.В. Немошкаленко и др. / отв. ред. В.В. Немошкаленко. -- Киев: Наукова думка, 1987. -- 248 с.

7. Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото; под ред. Ц. Масумото. -- М.: Металлургия, 1987. -- 328 с.

8. Рябов, А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: учеб-ное пособие / А.В. Рябов, И.В. Чуманов, М.В. Шишимиров. -- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. -- 188 с.

9. Сайт ОАО "Ашинский металлургический завод": http://www.amet.ru.

10. Сайт "Википедия" : http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.

презентация , добавлен 10.11.2010


Многообразие свойств полиуретанов (ПУ). Варьирование полиольного и изоцианатного компонентов. Сырье для получения полиуретанов: изоцианаты и полиатомные спирты. Способы синтеза ПУ лакокрасочных материалов и полупродуктов. Современные методы модификации.

реферат , добавлен 30.03.2009


Газообразные, конденсированные, жидкие и аморфные фазы веществ. Описание строения кристаллических фаз. Пределы устойчивости кристаллических структур. Дефекты твёрдого тела. Взаимодействие точечных дефектов. Способы получения некристаллических твердых фаз.

контрольная работа , добавлен 20.08.2015


Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.

реферат , добавлен 27.09.2013


История создания и анализ физико-химических свойств бутилкаучука - важного материала, который используется для изготовления различных резиновых и других материалов в автомобильной, химической промышленности. Технология получения бутилкаучука в суспензии.

реферат , добавлен 21.10.2010


Распространенные способы физического модифицирования полимеров с целью придания им специфических свойств. Термогравиметрический анализ магнитопластов. Сравнительные характеристики материалов на основе каолина. Свойства теплоизоляционных материалов.

статья , добавлен 26.07.2009


Исследование физических и химических свойств металлов, особенностей их взаимодействия с простыми и сложными веществами. Роль металлов в жизни человека и общества. Распространение элементов в природе. Закономерность изменения свойств металлов в группе.

презентация , добавлен 08.02.2013


Исследование физических и механических свойств смесей полимеров. Изучение основных способов формования резиновых смесей. Смешение полимерных материалов в расплаве и в растворе. Оборудование для изготовления смесей полимеров. Оценка качества смешения.

реферат , добавлен 20.12.2015


Структурная особенность полиолефинов. Сравнительная химическая стойкость полиолефинов в различных агрессивных середах. Изучение химических, физических, термических, механических, электрических свойств полиолефинов. Характеристика и структура полибутилена.

курсовая работа , добавлен 14.01.2012


Сущность и общая классификация горюче-смазочных материалов. Характеристика топлива, масел. Оценка свойств и сфера применения пластичных смазок. Оптимальные условия хранения различных видов ГСМ. Разработка и применение новых технологий в их производстве.