1. Магнитные материалы
2. Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы
3. Конструкционные материалы
4. Другие группы материалов
По составу твердофазные материалы достаточно разнообразны и могут быть объединены в группы
(Tаблица 2.1), естественно не исчерпывающие всю их полноту. Важнейшим классом являются сложные оксиды (ферриты, кобальтаты, купраты, ниобаты, молибдаты, манганаты и другие соединения щелочных, щелочноземельных, редкоземельных элементов и их различные более сложные сочетания). Общим объединяющим моментом для всех сложных оксидов выступает их строение. Переходные металлы в структуре сложных оксидов координируют кислородные полиэдры различной конфигурации |
Рисунок 2.1.
Структуры элементарных ячеек различной конфигурации а - перовскит CaTiO3 б - шпинель MeFe2O4 в - координационные октаэдры ячейки ортоферрита GdFeO3 |
(обычно тетраэдрической, октаэдрической). Сама структура формируется путем различного сочетания между собой полиэдров, которые в разных комбинациях могут соединяться между собой вершинами, рёбрами, гранями. В пустотах, образованных фрагментами цепей полиэдров, размещаются более крупные катионы щелочных металлов, ЩЗЭ, РЗЭ. Многие свойства сложных оксидов зависят не только от их состава и структуры, но и от дефектной структуры, что позволяет целенаправленно влиять на их целевые параметры.
Таблица 2.1
Таблица 2.1а
С точки зрения функциональных свойств, которыми обладают материалы, и их назначения также может быть предложена классификация, проиллюстрированная таблицей 2.2.
Таблица 2.2
Состояние используемых материалов также может быть различным, как мы уже отметили выше: керамика, монокристаллы, тонкие пленки, толстопленочные покрытия, обладающими промежуточными свойствами между собственно пленками и объёмными образованиями (Tаблица 2.1а).
Использование группы собственно оптических материалов для передачи и преобразования световых сигналов обусловлено следующими их свойствами: прозрачностью или светопропусканием в ультрафиолетовой, визуальной или инфракрасной области спектра, устойчивостью к воздействию световых потоков (в светофильтрах, делителях, поляризаторах, различного рода оптических затворах и модуляторах). Особую группу оптических материалов представляют люминофоры, которые обеспечивают визуализацию изображения в электронно-лучевых трубках, они различаются по спектру, длительности и интенсивности люминесценции, способам и энергии её возбуждения и т.д.
1. Магнитные материалы
характеризуются в первую очередь параметрами кривой намагничивания (Рисунок 2.2.). На первом участке этой кривой вдоль направления внешнего магнитного поля ориентируются те домены твердого тела, которые обладают достаточно небольшой по отношению к нему разориентацией. Далее переориентируются остальные домены и после завершения этого процесса кривая выходит на насыщение. Магнитомягкими материалами являются те из них, которые имеют достаточно узкую петлю гистерезиса, они могут быть использованы в устройствах где требуется быстрое управление сигналом при минимальных затратах энергии. При этом наиболее удобными в ряде случаев (например, в запоминающих устройствах) оказываются объекты с достаточно крутой кривой намагничивания и формой петли гистерезиса, близкой к прямоугольной (ППГ). Угол наклона кривых определяется начальной магнитной проницаемостью (Рисунок 2.2.). Магнитожесткие материалы, для перемагничивания которых требуется очень значительная энергия, применяются в качестве постоянных магнитов в различных устройствах. К ним относятся интерметаллиды типа SmCo5 или на основе соединений в системе неодим-бор-железо, ферриты со структурой типа магнетоплюмбита Ba1-xSrxFe12O19 и пр.Природа магнетизма твердых тел заключается во взаимодействии между собой спиновых моментов электронов ферромагнитных ионов и атомов в структуре материалов. В случае совпадающих по направлению спиновых моментов компонентов кристаллической решетки материал обладает ферромагнитными свойствами (FM) , при полной взаимной компенсации таких моментов образуется антиферромагнетик (AFM), а частичная компенсация приводит к получению ферримагнитных материалов (феррит), к которым часто относятся используемые на практике ферриты: например, шпинели АВ2О4 или феррогранаты с общей формулой М3Fe5O12[19].
В железо-иттриевом гранате (ЖИГ) имеется две кристаллографические позиции, занимаемые ионами железа: октаэдрическая [] и тетраэдрическая ( ). Ионы иттрия находятся в додекаэдрических полостях:
{Y33+}[Fe23+](Fe33+)O122-.
За счет неравноценности позиций железа и разного количества его в этих узлах создается результирующая раскомпенсация магнитного момента вещества. Если вводить в феррогранат элементы, замещающие железо и иттрий, например ванадий и кальций, то ситуация изменяется:
{Y3-2x3+Ca2x2+}[Fe23+](Fe3-x3+Vx5+)O122-.
Ванадий (немагнитный ион), благодаря небольшим размерам ионов встает в тетраэдрические позиции. Теперь, если х будет равен 1, мы получим полностью скомпенсированный антиферромагнетик, не обладающий намагниченностью. Предельным составом является Ca3Fe3,5V1,5O12, у которого раскомпенсация магнитных моментов подрешеток железа имеет противоположный знак, чем у ЖИГ. Варьирование составов между предельными значениями х позволяет получать материалы с заданной намагниченностью
Монокристаллы или ориентированные пленки ферритов обладают способностью поворачивать плоскость поляризации плоскополяризованного света за счет взаимодействия магнитных моментов материала и электромагнитных световых колебаний, т.е. эффектом Фарадея. Этот эффект проявляется при наложении внешнего магнитного поля, направление которого совпадает с вектором магнитного момента кристаллической решетки материала, что используется для создания устройств визуализации изображения модуляторов и магнитооптических затворов, например для лазерных приборов. Для этого свет проходит через поляризатор, затем через ферритовый материал, помещенный в управляющую катушку, а потом через анализатор (его положение может быть скрещенным или открытым по отношению к поляризатору). Под действием изменения магнитного поля, создаваемого катушкой, изменяется и количество пропускаемого системой света.
Эффект Фарадея можно использовать и для магнитооптических запоминающих устройств, в которых желательно иметь материал с цилиндрическими или пузырьковыми магнитными доменами (ЦМД) или с т.н. страйп-структурой, где каждый из доменов представляет из себя ячейку памяти, т.к. его намагниченность и соответственно оптическая плотность может изменять знак на противоположный за счет локального воздействия, например лазерного. Значение эффекта Фарадея (максимальные значения до ~1,5*104 град/см) зависит от длины волны света и уменьшается с ее увеличением, с другой стороны ферриты имеют окно прозрачности в ИК-области спектра. Для достижения приемлемого сочетания светопропускания и глубины модуляции (отношения интенсивности модулированного сигнала к первоначальной) необходимо находить компромисс между этими параметрами, что несколько ограничивает область использования магнитооптических устройств.
Ещё одним аспектом применения магнитных материалов является магнитострикционный эффект: под действием изменения внешнего магнитного поля происходит изменение геометрических размеров объектов и наоборот при механическом воздействии изменяется намагниченность. Это позволяет преобразовать один вид энергии в другой и создать например звукозаписывающие и воспроизводящие устройства и т.п.
Из устройств на базе ферритов, используемых в СВЧ технике, можно назвать такие как волноводы, фазовращатели, многополюсные переключатели, ограничители мощности, фильтры, линии задержки и пр. В основе некоторых из них лежит явление ферромагнитного резонанса, т.е. пикового поглощения электромагнитной энергии определенной частоты.
Одной из важнейших характеристик магнитных материалов является температура Кюри, при которой за счет теплового движения происходит разрушение ориентации магнитных доменов и вещество практически теряет свою намагниченность. Преимущество имеют материалы с достаточно высокой температурой Кюри и слабой температурной зависимостью намагниченности в эксплуатационных интервалах
2. Пьезоэлектрические и сегнетоэлектрические материалы
отличаются друг от друга тем, что у первых отсутствует спонтанная поляризация. Поляризацию указанных материалов можно рассматривать как электрический аналог намагниченности и другие свойства могут быть сходны по поведению, тогда как причиной их возникновения и следствием является воздействие на материалы электрической составляющей электромагнитных полей. У сегнетоэлектрических материалов также наблюдается доменное строение, им присуща кривая поляризации в зависимости от напряженности внешнего электрического поля с петлей гистерезиса (наклон зависит от диэлектрической проницаемости), температура Кюри, на их основе могут быть созданы электрооптические затворы, модуляторы, звукозаписывающие и воспроизводящие (эффект электрострикции) и другие подобные устройства. Сегнетоэлектрики, обладающие высокими значениями диэлектрической проницаемости используются как конденсаторные материалы.Типичным представителем данного класса является титанат бария со структурой типа перовскита. Причина появления сегнетоэлектрических свойств в том, что центры тяжести ионов титана смещены относительно геометрических центров кислородных октаэдров (Рисунок 2.3.), что создает электрическую раскомпенсацию подрешеток положительно и отрицательно заряженных ионов.
|
|
Рисунок 2.3. Структура титаната бария (перовскит) с ромбоэдрическими искажениями |
Спектр используемых материалов, обладающих специфическими электрическими свойствами достаточно широк. У диэлектрических изолирующих веществ большая ширина запрещенной зоны и электроны не могут проникнуть из валентной зоны в зону проводимости. В полупроводниковых материалах переход носителей тока в зону проводимости облегчается наличием промежуточных донорных или акцепторных уровней энергии. Металлические и некоторые другие материалы проводимостью за счет образования т.н. электронного газа не имеют запрещенной зоны. Проводимость в сверхпроводниках (интерметаллиды типа Nb3Ge, Nb3Sn, V3Ga, сложные оксиды YBa2Cu3O7-d или содержащие Bi, Tl, Hg) осуществляется по имеющимся гипотезам за счет т.н. куперовских электронных пар. В твердых ионных проводниках электроперенос осуществляется за счет подвижности ионов в кристаллической решетке по тому или иному механизму, при этом возможен униполярный перенос, т.е. только ионами одного знака, как в материалах, используемых для создания электрохимических топливных элементов. В последних происходит перенос кислорода через твердый электролит под действием разности химических потенциалов за счет того, что на одну из его сторон подаются газообразные окисляемые вещества (топливо). Такое устройство способно вырабатывать электроэнергию.
Для материалов, выполняющих те или иные электрические функции, важны температурные зависимости электропроводности. Так например в сложных оксидах при невысоких температурах может быть реализована проводимость за счет наличия примесей, а при их повышении – собственная (Рисунок 2.4.).|
|
Рисунок 2.4.
Температурная зависимость электропроводности. |
3. Конструкционные материалы
К конструкционным материалам электронной техники с самого начала их внедрения предъявлялись требования по их временной, температурной стабильности, механической прочности, стойкости к термоударам, т.к. их использовали как установочные для радиоэлементов, например, ламп, которые имели нагреваемые катоды. К таким материалам относятся различные силикаты, алюмосиликаты и пр.: муллит, цирконо-муллит, корундо-муллит, стеатит, форстерит, волластонит, анортит, цельзиан, периклаз, кордиерит. Применение этих материалов обусловлено их конкретным назначением и свойствами. Интересно, что например для литийсодержащей сподуменовой керамики можно получить отрицательные значения коэффициента термического расширения (КТР) в области температур до 200оС.4. Другие типы материалов
Существуют и другие группы материалов, используемых в электронной технике. Это, в частности, электронагревательные (источники излучения в ИК-технике), каталитические и электродные (для эмиссии электронов и регенерации газовой среды отпаянных СО2-лазеров), пористые (сорбенты для очистки газовых сред полостей приборов от возможных загрязнений летучими веществами, выделяющимися в процессе работы узлов и тепловые трубы для передачи тепловых потоков и т.д. Некоторые конкретные материалы на примере керамических приведены в таблице 2.3. Таблица 2.3 Классификация керамических материалов| МАТЕРИАЛ | УСТРОЙСТВО |
|
Материалы
с электрическими функциями | |
| Al2O3·Cr2O3; Fe3O4·Mn2O3·NiO; BaTiO3, SrTiO3; CoO-MnO-O2 | Терморезисторы, (с положительным и отрицательным температурным коэффициентом). |
| Оксиды переходных металлов (Mn, Co, Ni, Fe, Cr) | Терморезисторы, термометры сопротивления |
| LaCrO3, SiC, BN, MoSi2, ZrO2 (Y2O3) | Нагревательные элементы |
| ZnO, CdS, CdSe | Варисторы |
| Al2O3, BeO, SiC, BN, Si3N4 | Подложки интегральных схем, изоляторы. |
| PbZrO3-PbTiO3; BaTiO3, CaTiO3, TiO2, SiO2 | Конденсаторы, линии задержки, фильтры, вибраторы, генераторы, зуммеры |
| BaTiO3-CoFe2O4 | Магнитострикционные пьезопреобразователи. |
| Вольфрамовые и ванадиевые бронзы, BaO-SrO- Na2O-Nb2O5 | Электрохимические устройсва радио и электротехнического назначения |
| LiTaO3, ZnSe | Тепловые и ИК-датчики |
| ZrO2(CaO), ZrO2(Y2O3), AgI, Na-bAl2O3; RbAg4I5; LaCrO3, YCrO3, LaCoO3-SrO, BaCeO3 | Твердотельные химические источники тока, электролизеры, системы вентиляции, электроды для высокотемпературного электролиза |
| MgCr2O4-TiO2, SnO, TiO2, Fe3O4, Cr2O3, BaTiO3,AgI, Ag2S,ZrO2(CaO), Me-bAl2O3 | Датчики состава газов, жидких металлов, системы регистрации утечки газов, таймеры, увлажнители, средства технологической диагностики. |
| LiTi2O4, LiTi2S4, Pb3Mo6S8, SrTiO3, Ba(Pb,Bi)O3 | Сверхпроводная передача энергии |
|
Материалы с
оптическими функциями | |
| PbZrO3-PbTiO3-La2O3; LiNbO3, BaTiO3, Ba2NaNb5O15 | Оптические устройства записи информации, видеодисплеи, фотопреобразователи, переключатели |
| SiO2:Ge, волокна Al2O3, муллит, халькогенидныесистемы, образующие стекла | Волноводы, линии оптической связи, оболочки ламп накаливания, ИК-прозрачные стекла. |
| Al2O3:Cr; Y2Al5O15, CaWO4, оксиды редкоземельных элементов | Оптические квантовые генераторы |
| LiNbO3, LiTaO3; PbZrO3-PbTiO3-La2O3 | Электрооптические модуляторы света |
| ZnS:CuCl; Zn2SiO4:Mn; CsJ:Na, WO3; Nb2O5:AgJ, Y2O3S:Eu | Индуцирующие устройства, оптические устройства отражения |
| GaAs1-xPxGaP:N; ZnS:Pb, Cu и другие халькогениды | Устройства дистанционного управления, фототиристоы, детекторы света |
|
Материалы с
магнитными функциями | |
| Mn-Zn-ферриты, г-Fe2O3, CrO2 | Головки и ленты для звуко- и видеозаписи. |
| Mn-Zn- и Ni-Zn-ферриты | Детали трансформаторов |
| Li-Mn-ферриты, R3Fe5O12 | Элементы памяти ЭВМ |
| Ni-Zn-ферриты | Магнитострикционные фильтры и вибраторы |
| (Mn1-xZnx)Fe2O4 | Магнитопроводы |
| Y2Fe5O12, Li-Zn-Ti-ферриты | Антенны дальней связи (СВЧ) |
| BaFe12O19, SrFe12O19 | Радиопоглощающие покрытия, постоянные магниты для статоров |
|
Конструкционные материалы | |
| Al2O3, ZrO2, Si3N4, ThO2, ,сиалоны, керамические пены и волокна из Al2O3, K2O·TiO2, CaO·SiO2 и др. | Лопатки турбин. ракетные сопла, керамические двигатели, теплообменники, теплоизоляторы высокотемпературных печей. |
| Al2O3, TiC, TiN, B4C | Режущий инструмент, подшипники, резьбовые соединения , полировальные и шлифовальные круги, абразивы. |
|
Материалы с
биологическими функциями | |
| Al2O3, Гидроксоапатитовые и фосфатные стекла | Искусственные зубы, кости, суставы, имплантируемые микроэлектронные устройства, сердечные клапаны |
|
© А.А. Oстроушко,
Ю.В.Могильников 1998 г.
http://www.eunnet.net/win/metod_materials/wm7/matter.htm АВТОБИОГРАФИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
ОТЧЕТ О ПОИСКЕ
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ |