Металлическая, атомная и ионная решетки в чистом виде существуют очень редко. В каждой кристаллической решетке существуют в какой-то мере все составные части. Электронная плотность решетки φ = С1 φмет + С2 φатомн + С3 φион, где С1 + С2 + С3 = 1 или 100%
ZnS: С1 пренебрежимо мала => ковалентно-ионная связь.
InSb: практически отсутствует ионная доля => ковалентно-металлическая связь.
NaSb: ионно-металлическая связь.
Закон постоянства состава и закон эквивалентов и кратных отношений, которые присущи молекулярным соединениям, в твердых телах не реализуется. Следовательно, твердые тела не имеют постоянства состава. Молекулярные соединения, которые имеют строго постоянный состав, называются дальтонидами. Твердые тела, в основном не имеют постоянного состава и называются бертоллидами. Их состав, а значит и свойства, зависят от способа получения.
Нестехиометрические соединения
TiO0.58-1.32 – формульный состав, нет молекулярной массы, а есть формульная (разный состав => структура и свойства).
NaCl (Na0.999Cl, NaCl0.999) – имеет практически ионную кристаллическую решетку => является диэлектриком. ВЗ полностью заполнена. Cl S2P6
ЗП – свободная зона натрия Na 3S0
ΔЕ = 8 эВ.
Но обработанный в избытке натрия кристалл NaCl будет иметь n-проводимость.
Все реальные кристаллы имеют дефекты структуры: смещение граней и узлов, наличие примесей. Все нарушения влияют на самые чувствительные свойства – электрические и оптические.
Примеси могут быть трех типов:
1) Образуют разбавленные растворы замещения, когда атом примеси «замещает» основной атом в узле кристаллической решетки. А для этого примесный атом должен иметь примерно такой радиус, что и основной атом, т.е. быть в периодической системе рядом слева или справа. Если примесный атом находится справа. То это будет донорная примесь, которая содержит избыточные электроны, не участвующие в химической связи. Зоны образуются в результате расщепления электронных уровней при их взаимодействии. Примесные атомы образуют раствор, и друг с другом не взаимодействуют => нет расщепления зон. Если примесный уровень слева, то для образования химической связи на внешнем уровне не хватает электронов => образуются дырки. Примесь акцепторная.
2) Примеси внедрения возникают в том случае если примесный атом, малый по размеры попадает в междоузлие. Он не образует химической связи с соседними атомами, но его электроны могут служить носителями тока, если электроотрицательность примесного атома очень мала. В кристаллической решетке Ge находятся между узлами атомы Li (искажают решетку) – создание n-проводимости. Если попадает Cl, обладающий большой электроотрицательностью, то он захватывает электроны от соседних атомов, образуя дырку.
3) Примеси вычитания – отсутствие стехиометрии. Если катионообразователя (ZnSe избыток Zn) – возникает n-проводимость; если избыток анионообразователя (Se) – проводимость р-типа.
Т.е. п/п очень чувствительны к наличию примесей. Требуется тщательная очистка физико-химическими методами: зонная плавка, метод вытягивания по Чохральскому, транспортные реакции.
Стеклообразные п/п.
Селениды, теллуриды, сульфиды элементов V группы образуют аморфные (стеклообразные п/п)
Sb23+Te32-; As23+S32-; As23+Se32-; As25+Se52-;
Для аморфного состояния характерен только ближний порядок, поэтому зонная теория к ним не применима (она выведена только для кристаллического состояния), и свойства таких п/п можно объяснить с точки зрения валентной связи. Их проводимость мало зависит от примесей. Она зависит от размеров атомов, образующих соединения. С уменьшением радиуса атома п/п свойства переходят в диэлектрические.
Органические п/п
В основном органические соединения – диэлектрики (см. ниже). Однако есть большая группа органических п/п. Её особенностью является наличие сопряженных связей:
σ π σ π σ π
= С – С = С – С = С – С = С
σ σ σ
т.е. есть электроны коллективного пользования, значит вся молекула обладает свойствами металла и представляет собой одномерный кристалл, а к нему применима зонная теория. Дискретные уровни p-электронов представляют собой валентную зону. Энергия активации электронов есть запрещенная зона. Проводимость внутри молекулы очень велика поскольку p-электроны обладают высокой подвижностью и небольшой энергией возбуждения.
Жидкий бензол является диэлектриком, т.к. электронам трудно преодолеть энергетический барьер, связанный с межмолекулярными взаимодействиями.
Если соединить молекулы бензола так как показано на рисунке, то энергетический барьер уменьшится.
Диэлектрики
это вещества, которые обладают следующими:
1) Большое удельное сопротивление
ρ = 1010 - 1020 [Ом/см]
2) E – электрическая прочность или пробивное напряжение [В/см]
3) Диэлектрическая проницаемость ε. В одних случаях она мала: 1, 2, 3… в других случаях (для конденсаторов) 40, 80 и более.
4) Тангенс угла диэлектрической потери (tgδ)
Диэлектрическими свойствами обладают вещества, которые имеют либо ковалентную решетку, при очень маленьких радиусах атома (C (алмаз)), либо ионную решетку с большой долей ионности и с малыми дефектами кристаллической решетки.
Молекулярные кристаллические решетки
Поскольку молекулярные кристаллические решетки в обычных условиях для неорганических соединений не существует, то речь идет только об органических веществах.
Органические диэлектрики
Практически все органические вещества являются диэлектриками. За исключением рассмотренных соединений с сопряженными связями, но диэлектрические свойства органических соединений выражены неодинаково, и зависит это от состава и строения этих соединений.
Различают высоко- и низкочастотные диэлектрики.
μ = g*l – дипольный момент
 |
l
если μ = 0 (l = 0), то молекула неполярна, поэтому всё равно как ей располагаться в электрическом поле, и при измени полярности она ведет себя индифферентно. Такой диэлектрик называется высокочастотным. Если μ > 0, появляется диполь,и когда полярность быстро меняется, молекула не успевает ориентироваться, а если между молекулами прочная связь и ориентирование происходит в “вязкой” среде, происходит разогрев и пробой диэлектрика
высокочастотный низкочастотный
Если в молекуле отсутствуют сильно электроотрицательные атомы, такие как O, F, Cl, то связи будут малополярны и молекула в целом тоже будет малополярна, значит диэлектрик может считаться высокочастотным. В молекуле могут быть очень электроотрицательные элементы, но они должны быть симметрично расположены, и, несмотря на большую полярность связи, в результате их симметричного расположения в целом молекулы будут неполярны и тоже могут использоваться в токах высокой частоты. Если же имеющиеся полярные связи не симметричны, то в молекуле наличествует дипольный момент. Такие соединения не могут быть использованы в качестве диэлектриков высокой частоты.
Дипольный момент не всегда отрицательное качество. Его наличие упрочняет химические связи между макромолекулами => увеличивают температуру плавления и механическую прочность. Наличие полярных групп придает хорошие адгезионные свойства, а такие вещества могут быть использованы в составе клеящих копозиций.
Полимеры могут иметь
1)линейное
2)разветвленное
3)сетчатое
4)пространственное строение
1и2 обладют термопластичными (термообратимыми) свойствами, т.е. могут быть расплавлены, а затем, без изменения свойств. Закристаллизованы. 3и4 являются термореактивными, т.е. термонеобратимыми. При нагреве они теряют свои исходные свойства. (В кристаллическом и смолообразном состоянии) 100% кристалличности быть не может. Максимальная кристалличность = 80%. Чем больше степень кристалличности, тем выше температура плавления и ниже морозостойкость. Аморфные полимеры более морозостойки.
Полимеры образуются из мономеров (низкомолекулярные вещества) в результате двух видов реакций: полимеризации и поликонденсации.
(-А-)n – элементарный состав моно- и полимеров одинаков. В результате полимеризации нет побочных продуктов.
(-A-B-)n – сополимеризация
(-A-A-A-A-A-)n – привитая полимеризация
| | |
B B B
| | |
B B B
(-A-A-A-A-B-B-B-B-)n – блок полимеризация
Возникает за счет разрыва двойных или тройных связей и присоединения мономеров друг к другу.
na-A-a+nb-B-b→
Синтезируются за счет взаимодействия функциональных групп с выделением побочных низкомолекулярных соединений, что может абсорбироваться в объеме полимера и снижать его в частности диэлектрические свойства.
CH2=CH2 – этен
(-CH2-CH2-)n – полиэтилен.
1) полиэтилен высокого давления при Т = 200°С, Р = 1.5-3 *103 Атм.
2) низкого давления в присутствии катализаторов. Т = 100°С, Р = 30 Атм, катализаторы: соединения Al, Ti, Cl.
Степень кристалличности полиэтилена низкого давления 65-85% температура плавления = 125-135°С. У полиэтилена высокого давления Степень кристалличности < 60%, температура плавления = 115°С. Полиэтилен весьма устойчив к действию агрессивных сред. Но он стареет под действием ультрафиолетового излучения. При комнатной температуре под действием ультрафиолетового излучения он может храниться до трех лет, при температуре = 160°С уже через час. Катализирует разрушение влага. Ценные качества – диэлектричность. Широко применяется для изготовления выскочастотных кабелей. Этот материал может использоваться как в чистом виде, так и в совокупности с другими полимерами, в виде пленок, лаков, компаундов, обладающих высокой водо- и химической стойкостью. Подобными свойствами обладает полибутилен, полистирол. Он линеен и неполярен Полистирол термопластичен, не гигроскопичен и обладает устойчивостью к воде, кислотам и щелочам, но растворяется в ацетоне, эфире и некоторых других растворителях. Он является очень хорошим диэлектриком и широко применяется в высококачественной изоляции, в телевидении и средствах связи. Из него готовят конденсаторы, антенны, высокочастотные кабели. Используется как важный материал в приборостроении осбенно когда нужно высокое сопротивление деформации, на его основе изготавливают компаунды, лаки, пленки, поропласты… Недостаток – низкая теплостойкость и хрупкость, температура размягчения 80-85°С
Фторопласт 4.
(-CF2-CF2-)n
– фторопласт 4 (поли-тетра-фтор-этилен)
Имеет симметричное строение => несмотря на полярность связи, в целом молекула неполярна. Линейный, неполярный, термопластичный, обладает исключительно высокой химической стойкостью, в том числе на него не действуют растворители. Он разрушается под действием расплавленных щелочных металлов и фтора. Очень термостойкий, сохраняет свойства при (-190 – 300°С), плавится при 327°С, разрушается при 400°С с выделением токсичных отходов. Он является наилучшим диэлектриком, особенно в полях высоких и сверхвысоких частот. Его свойства не зависят от частоты. Применяется в агрессивных средах, при высокой влажности. Недостаток – холодная текучесть.
Фторопласт 3 
Ассиметричное строение.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 162.
