Материалы с уникальными свойствами для развития науки и техники

Введение
Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Основная практическая задача материаловедения – изыскание оптимального состава и способа обработки материалов для придания им заданных свойств.Актуальность темы реферата заключается в том, что развитие науки и техники требует материалов с уникальными свойствами. Материаловедение является одной из важнейших приоритетных наук, определяющих технический прогресс.
Цель работы – более полное изучение основных типов связей между частицами в кристалле и энергия связи, собственных и примесных полупроводников.
Для достижения поставленной цели необходимо решить несколько задач: рассмотреть типы связей и энергию связи в кристаллах, ковалентную связь, металлическую, ионную и водородную связи, электропроводность собственных и примесных полупроводников, а также виды примесей и другие моменты.
Структура реферата включает в себя несколько частей: введение, основную часть (две главы), заключение и библиографический список, состоящий из шести источников литературы.
1. Основные типы связей между частицами в кристалле и энергия связи
1.1 Общие сведения
В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам пластичностью. Металлы условно делятся на две группы: черные и цветные.
Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.
Все металлы и их сплавы имеют характерную кристаллическую структуру. Кристаллическое состояние прежде всего характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.
Так как расстояния между атомами в разных плоскостях и направлениях различаются, то соответственно и свойства в разных направлениях сильно отличаются. Это явление называется анизотропией.
1.2 Типы связей и энергия связи в кристаллах
Между частицами в кристалле могут существовать различные типы связи. Тип связи определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Элементарные частицы сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает наибольшую термодинамическую стабильность - минимум энергии связи.
Атомы в кристалле расположены на строго определенном расстоянии, на котором энергия взаимодействия между ними минимальна. Силы притяжения и отталкивания между двумя соседними атомами с увеличением расстояния уменьшаются. Но это уменьшение не одинаково: силы отталкивания уменьшаются быстрее. Равнодействующая сила проходит через нуль при некотором межатомном расстоянии d0. На этом расстоянии силы притяжения и отталкивания уравновешиваются: Fпр = Fотт (Рисунок 1.1,а), а энергия связи Eсв минимальна (Рисунок 1.1,б). Поэтому кристалл термодинамически стабилен.
Рисунок 1.1 - Зависимость сил межатомного взаимодействия (а) и энергии взаимодействия (б) от расстояния между атомами
Каждое кристаллическое вещество имеет свое значение энергии связи, это важнейшая термодинамическая характеристика кристалла. От величины энергии связи зависят температура плавления, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения.
Энергия связи определяет физические свойства материалов

. Все кристаллы по характеру связи условно подразделяют на: молекулярные, ковалентные, металлические и ионные, но такое деление условно, т.к. может действовать и несколько типов связи.
1.3 Молекулярные связи
В кристаллах с молекулярной связью в узлах кристаллической решетки располагаются молекулы (атомы), причем расстояние между молекулами значительно превосходит их размеры. Молекулярная связь возникает за счет сил взаимодействия собственных или индуцированных при взаимной поляризации электрических моментов. Силы взаимодействия между диполями называют силами Ван-дер-Ваальса.
Рисунок 1.2 - Примерная структура кристалла йода
На Рисунке 1.2 изображена примерная структура кристалла йода. Молекула йода изображена в виде диполя, один конец которого имеет положительный заряд (черный шарик), другой - отрицательный (белый шарик). Центры молекул, находящихся в узлах, совпадают с узлами ромбической гранецентрированной решетки.
Взаимодействие Ван-дер-Ваальса слабое, оно характеризуется энергией связи порядка 0,1 эВ/мол. Кристаллы с молекулярной связью имеют низкую температуру плавления, легко разрушаются, практически не проводят ток.
1.4 Ковалентная (гомеополярная) связь
Ковалентные кристаллы – это кристаллы, у которых преобладает ковалентный тип связи (Рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Ковалентная связь
Такие кристаллы образуют элементы 4, 5, 6 подгруппы В периодической системы. Атомы обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами, достраивая валентную зону. Пример: углерод, кремний, германий, сурьма, висмут и др. Для этих материалов характерна направленность межатомных связей и не плотноупакованные кристаллические структуры. Материалы с ковалентным типом связи обладают низкой пластичностью и высокой твердостью, имеют высокую температуру плавления, по электрическим свойствам относятся к полупроводникам и диэлектрикам.
1.5 Металлическая, ионная и водородная связи
Металлические кристаллы – это кристаллы, у которых преобладает металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А и 1 - 3 подгрупп В. Атомы в таких кристаллах находятся на таком расстоянии, что их внешние оболочки валентных электронов перекрываются, образуя общую зону со свободными электронами в объеме всего кристалла. Электроны не привязаны к конкретным атомам и образуют электронный газ, который может свободно перемещаться по кристаллической решетке. Приложение разности потенциалов к таким кристаллам вызывает электрический ток, т.е. направленное перемещение электронов (Рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Металлическая связь
Энергия металлической связи несколько меньше, чем энергия ковалентной связи, поэтому металлы, по сравнению с ковалентными кристаллами, имеют более низкие температуры плавления, испарения, меньший модуль упругости, но более высокий температурный коэффициент линейного расширения; металлы более пластичные и менее твердые; обладают хорошей электрической проводимостью. Связи между атомами не локализованы и не носят направленного характера. Поэтому атомы в кристаллической решетке можно перемещать относительно друг друга без разрушения кристалла. Это обеспечивает такое свойства металлов как способность к пластической деформации, чего лишены кристаллы с другими типами связи.
Ионная связь возникает в результате отрыва электрона от одного атома и присоединения его к другому. Типичными представителями этой связи являются соединения щелочных металлов с галогенами. У атома щелочного металла все электронные оболочки окажутся замкнутыми, если он потеряет «лишний» единственный валентный электрон; у атома галогена не хватает одного электрона, чтобы все электронные оболочки оказались замкнутыми