Функциональные материалы

Читался: 7–8 семестр.

Лектор: Кузнецов Ф.А.

Основная цель освоения дисциплины: подготовить студентов для работы в области создания и исследования материалов, а также в смежных областях химии и физики.

Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:

Подобный курс читается только на недавно открытом Факультете новых материалов в МГУ (декан академик Ю.Д. Третьяков). Элементами новизны данного курса является включение рассмотрения типов материалов и процессов синтеза, разрабатываемых в ИНХ СО РАН и других институтах СО РАН. Обучение студентов методам моделирования и дизайна новых материалов, исходных веществ и процессов с использованием банка данных СМЭТ ИНХ (свойства материалов электронной техники). Курс включает сведения о материалах, определяющих настоящее и будущее современной промышленности: электроники, оптики, систем связей и телекоммуникации, особенно высокотехнологичных производств материалов в Сибирском регионе.

Введение

Роль материалов в техническом прогрессе. Примеры технических прорывов, обязанных освоению технологии получения и выявлению специфических свойств материалов: природных материалов, меди и ее сплавов, золота, железа, керамики, полимеров, полупроводников и других функциональных материалов. Ожидаемые последствия освоения наноматериалов. Связь материаловедения с другими науками. Этапы создания материалов.

Типы функциональных материалов

Структура зоны проводимости и ее взаимосвязь с кристаллической структурой. Проводимость — Формула Друде. Проводимость в квантовой физике — поверхность Ферми и плотность состояний на поверхности ферми. Классификация материалов с точки зрения проводимости и их основные свойства: проводники (электронные и ионные), полупроводники, диэлектрики (изоляторы). Сверхпроводимость: нулевое электросопротивление, несовместимость сверхпроводящего состояния и магнитного поля — эффект Мейснера, слабая сверхпроводимость — эффект Джозефсона. Магнетизм: ферромагнетики, антиферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики. Сегнетоэлектрики. Лазерные и сцинтилляционнные материалы. Нано и др. дисперсные материалы. Особенности структуры и физико-химических свойств наноматериалов. Углеродные и карбидные наночастицы и материалы: фуллерены — синтез структура и свойства, углеродные нанотрубы (классификация, структура, методы получения), пленочные структуры из фуллеренов и нанотруб, особенности электронного строения и электронных свойств. структура и свойства ультрадисперсного алмаза, наночастиц карбидов кремния и тугоплавких металлов. Синтез и свойства нанокомпозитов. Классификация НМ, основанная на принципах их методов изготовления и структуры. Основные методы получения НМ: порошковая технология, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация и технология нанесения пленок. Результаты исследования НМ разнообразными электронномикроскопическими, рентгеноструктурными и спектроскопическими методами. Изучение состава и структуры, а также характеристик границ раздела и дефектов типа дислокаций. Основные области применения НМ — наноструктурные твердые сплавы, наноструктурная фольга, аморфно-нанокристаллические магнитные сплавы и др. Физическое явление, лежащее в основе функции. Введение — феноменологическое определение материала, с точки зрения его применения в элементе технического устройства. Классификации материалов — отраслевая, электромагнитная, составно-структурная, функциональная. Кибернетический подход к функционированию материала — модель «чёрного ящика»; определение сигнала (фактора влияния на материал), его характеристики; определение функции и её характеристик; формальные типы преобразователей сигнала. Физические эффекты — основа применимости материала {1 – Однородные материалы, примеры: эффект Холла => датчики магнитного поля; электрооптический => управление световым потоком; пьезоэлектрический => генератор_вибратор. Использование статических и динамических пространственных неоднородностей материала в интегральной и функциональной электронике. 2 – Примеры, динамика: приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением — п/п диод Гана => преобразователь: частоты, аналогового сигнала в код; генератор ультразвука (с учетом пьезоэлектрического эффекта); импульсный усилитель и т.д. 3 - Примеры, статика: биметаллическая пластина => электропредохранитель; бипластина — контакт полупроводник-полупроводник (p-n переход) + фотоны (фотовольтаический эффект) => диоды, транзисторы, солнечные элементы}. Особенности состояния материала, влияющие на используемую функцию. Внутреннее устройство материала как элемента технического устройства — модель «прозрачного ящика» — форма, иерархическое строение, химический состав. Ряд материалов, имеющих одинаковое строение, но различный состав: алмазная решетка — алмаз, Si, Ge, Sn, двухатомные соединения А3В5 [InP, InAs, InSb и их твердые растворы] — полупроводники => количественные различия - свойства, применение. Ряд материалов, имеющих одинаковый состав, но разное строение: Sn - серое и белое; углерод (алмаз, графит, фуллерены, нанотрубки, вспененный графит) => качественные различия — свойства, применение. Группа материалов, имеющих общий структурный признак — например, центросимметричные (пространственно однородные материалы) и ацентричные кристаллы (сегнетоэлектрики, нелинейные оптические кристаллы) => свойства, применение. Композиты — нано- и макроскопический уровень строения (нанокристаллы в аморфной матрице, пространственно неоднородные солнечные элементы). Направление развития материалов (увеличение самовосстанавливаемости [керамика], функциональности [экстремальные значения], управляемости [адаптивности - интеллектуальные материалы]).

Особочистые материалы — способы их получения. Чистота вещества

Функциональная характеризация чистоты вещества. Характеризация чистоты по физическим свойствам. Химическая характеризация чистоты вещества. Выставка-коллекция веществ особой чистоты РАН. Вероятностное описание примесного состава. Методы глубокой очистки. Разбавленные растворы. Способы организации глубокой очистки. Классификационные признаки. Процессы очистки в гомогенных системах. Процессы очистки в гетерогенных системах. Коэффициенты распределения и фазовые диаграммы. Равновесные процессы. Разделительный элемент. Дискретное и непрерывное фракционирование. Квазиравновесные процессы. Фазовая диаграмма «основное вещество (А) – микропримесь (В)». Основные уравнения. Направленная кристаллизация. Зонная плавка.

Способы получения монокристаллов

Классы кристаллов и области их применения в технике. Основные способы выращивания кристаллов из газовой фазы, из раствора, из расплава. Методы, используемые в производстве кристаллов. Представление об атомной структуре растущей поверхности. Модель Странского-Каишева. Полукристаллическое приложение. Нормальный и послойный рост. Анизотропия скорости. Источники ступеней. Зародышеобразование. Процессы переноса массы и теплоты при кристаллизации. Кинетический и диффузионный режимы при росте из раствора и расплава. Концентрационное переохлаждение. Экспериментально наблюдаемые формы роста. Дендритный, ячеистый и скелетный рост кристаллов. Фрактальный рост. Морфологические особенности кристаллов, выращенных из расплава. Капиллярное формообразование (угол роста). Эффект грани. Условия образования гранных форм. Критерий Джексона Опыты Равновесное и неравновесное вхождение примесей. Дефекты в кристаллах, выращиваемых из расплава. Работы ИНХ по росту кристаллов в условиях низких градиентов.

Способы получения слоёв (аморфных, поликристаллических, эпитаксиальных, градиентных)

Выбор подложки, способы подготовки подложек. Эпитаксия. Физические методы получения плёнок: вакуумное испарение, катодное напыление. Химические методы получения плёнок: золь-гель технология, спрей-пиролиз, жидкофазная эпитаксия, химическое осаждение из газовой фазы (CVD-процессы). CVD: Теоретические основы процесса образования пленок и покрытий при термораспаде летучих соединений металлов с органическими лигандами: Общая схема осаждения покрытий, Элементарные акты гетерогенного распада, Столкновение молекул с поверхностью и адсорбция. Термические свойства летучих соединений металлов с органическими лигандами: Основные типы летучих соединений металлов с органическими лигандами, Термическая устойчивость в конденсированной и паровой фазах. Давление пара (методы измерения, сравнительная летучесть). Управление процессом осаждения плёнок из паровой фазы. Способы и устройства для массопереноса соединений к поверхности подложки. Методы создания паровой фазы. Способы активации процессов распада молекул на подложке. Особенности технологического оформления процессов осаждения пленок и покрытий. Получение различных типов покрытий разложением летучих соединений металлов с органическими лигандами. Получение металлических, оксидных покрытий. Получение сульфидных, нитридных, фторидных и пр. покрытий. Получение сложных покрытий. Технология получения материалов электронной техники: кремния, арсенида галлия, нитридов кремния и бора. Способы и примеры получения твердотельных структур. Молекулярно-лучевая эпитаксия.

Термодинамический подход к решению задач электронного материаловедения

Задача получения диэлектрических слоев на AIIIBV. Использование тройных фазовых диаграмм AIII–BV–O для прогнозирования состава оксидного слоя. Сравнение с экспериментальными данными. Задача получения металлических контактов. (Металлизация диэлектриков и полупроводниковых слоёв на примерах: SiO2–Me (Me = Al, Ti, Ta, и другие), GaAs + Ni (мет.)). Метод осаждения различных пленок из сложной газовой фазы (CVD) при нормальном и пониженном давлениях. а) Возможность осаждения Nb пленок в системах Nb–Hal(–H)–инертный газ (Hal = Cl, I) при атмосферном давлении. б) Получение плёнок BN и Si3N4 из газовой фазы B–N–H–Cl(–He) и Si–N–H–Cl(–He) при пониженном давлении. Термодинамический подход к CVD-процессам с использованием металло- органических соединений при пониженном давлении. а) Возможность получения индивидуальных нитридов Si3N4, BN и карбонитридов SiNxCy и BNxCy из различных летучих МОС соединений, содержащих осаждаемые элементы. б) Состав конденсированной и газовой фазы в зависимости от условий проведения CVD процесса. в)–Возможность получения градиентных покрытий. г) Термодинамический анализ влияния возможного загрязнения исходной газовой смеси на состав получаемых покрытий.

Методы контроля свойств материалов

Исследование кристаллического совершенства монокристаллов дифракционными методами. Взаимодействие кристалла с рентгеновским излучением. Сравнение различных излучений, используемых для дифракции. Сравнение аналитических методов исследования поверхности. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия. Рентгеновская топография. Анализ эпитаксиальных слоев. Дифракция от гетероэпитаксиальных слоев. Анализ тонких пленок и многослойных систем. Сверхрешетки. Исследование объемных поликристаллических материалов и поликристаллических пленок. Рентгенофазовый анализ.

Состав как фундаментальная характеристика индивидуального соединения

Кристаллохимические формулы и идеальный состав соединений. Элементный, реальный состав и химическая неоднородность соединений, состоящих из двух и более элементов. Источники химической неоднородности: а) гетерофазность, б) пространственная негомогенность однофазного состояния. Макро- и микроуровень химической неоднородности. Термодинамические и кинетические факторы, обусловливающие химическую неоднородность закрытых и открытых систем (энтропия, диффузные ограничения). Дефектные состояния. Собственные и примесные дефекты. Образование структур вычитания, внедрения и замещения электронными и неэлектронными аналогами. Антиструктурная разупорядоченность. Катионная и анионная нестехиометрия. Валентное состояние примесных атомов. Кристаллохимические формулы реальных твердых фаз. Механизмы образования дефектных структур соединений с ионно-ковалентной связью. Взаимодействие точечных и протяженных дефектов. Аналитика твердого тела. Методы контроля химической неоднородности и химического состояния элементов: прямые и непрямые, интегральные, локальные, поверхностные. Метрология и информативность этих методов. Принципы выбора методов анализа адекватных задачам определения реального состава материала с учетом его природы (металл, полупроводник, диэлектрик), массы (массивный кристалл, тонкая пленка, нанодисперсная система) и ожидаемого уровня химической неоднородности (гетерофазность, пространственная негомогенность). Планирование эксперимента. Процедура нахождения реального состава из статистических данных. Балансовые матрицы аналитических определений как внутренний контроль правильности определения реального состава соединения. Согласование данных разнородных методов. Корреляции реальный состав — физические свойства. Примеры химической неоднородности многоэлементных соединений полупроводников, сверхпроводников, интерметаллидов. Методы её обнаружения и интерпретации. Обеспечение качества аналитической информации для анализа зависимостей реальный состав — свойства. Конкретные рекомендации по способам достижения однородности и/или получения материала с воспроизводимыми свойствами. Методы исследования электропроводности, квантовые поправки к проводимости, баллистическая проводимость, низкоразмерные проводники. Методы исследования магнитных свойств, суперпарамагнетики, гигантское магнитосопротивление, отрицательное магнитосопротивление. Методы исследования сверхпроводящих свойств, высокотемпературные сверхпроводники, сверхпроводящие фуллерены, сверхпроводимость в углеродных нанотрубках. Взаимосвязь электронного строения и физико-химических свойств материалов. Методы измерения электронного строения — высокоэнергетическая спектроскопия (фото- и рентгеноэлектронная спектроскопии, рентгеновская спектроскопия, мессбауэровская спектроскопия). Оптические методы исследования и контроля электронного состояния материалов, взаимосвязь с оптическими свойствами (пример углеродных нанотруб). Просвечивающая, сканирующая и туннельная микроскопии. Квантово-химические методы исследования материалов.

Материаловедческая информатика

Задачи моделирования и дизайна материалов: выбор фаз, способных осуществить заданную функцию. Определение необходимых направлений модификации известных материалов. Выбор и оптимизация процессов синтеза материалов. Выбор и оптимизация набора процессов создания твердотельных структур. Определение интервала условий осуществления этих процессов. Оценка совместимости материалов твердотельных структур. Представление о существующих банках данных по свойствам материалов и процессов.

Студентам рекомендуется в качестве основной литературы:

  1. Л. ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. — М.: Атомиздат. &mdash 1975.
  2. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — МИСИС. — 2003.
  3. Третьяков Ю.Д., Лепис Х. Химия и технология твердофазных материалов. — М.: МГУ. — 1985.
  4. Китель Ч. Введение в физику твердого тела. — М. — 1978. — 384 c.
  5. Девятых Г.Г., Еллиев Ю.Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. — М.: Наука. — 1981.
  6. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. — М. — 1980.
  7. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода. //УФН. — 1995. — Т. 165, №9. — С. 977–1010.

Дополнительная литература:

  1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. — М.: Наука. — 1977.
  2. Соросовский образовательный журнал. 1996 г., NN 4, 10; 1997 г. N1; 1998 г., NN 5, 12.
  3. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки. //УФН. — 1997. — Т. 167, №9. — С. 945–972
  4. Вуль А.Я. Фуллерены как материал электронной техники. //Материалы электронной техники. — 1999. — №7. — С. 4–7.
  5. Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. — М.: Мир. — 1974.