Τεχνολογια υλικων Θεωρητική Εισαγωγή

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Οι ιδιότητες των υλικών μελετώνται από την Επιστήμη των Υλικών (Material Science). Όταν μιλάμε για την Επιστήμη των Υλικών μαζί με το τμήμα της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, εκείνο που εννοούμε είναι η Φυσική όπως εφαρμόζεται στην ύλη που βρίσκεται σε μια από τις τρεις γνωστές καταστάσεις.

Ορισμοσ τησ εννοιασ «τεχνολογια υλικων» Η αξιοποίηση των δεδομένων της Επιστήμης των υλικών, για τεχνολογικούς σκοπούς υλοποιείται από το γνωστικό αντικείμενο που ονομάζουμε Τεχνολογία Υλικών. Η τεχνολογία υλικών ως εφηρμοσμένη έρευνα και εξέλιξη της βασικής έρευνας της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και της Επιστήμης των υλικών αποτελεί τη βάση της τεχνολογικής ανάπτυξης αφού η ανάπτυξη αυτή στηρίζεται στη χρησιμοποίηση των ιδιοτήτων των στερεών αλλά και στη βελτίωση τους και αυτό μόνο από την βαθιά γνώση των ιδιοτήτων τους μπορεί να γίνει.

Τα θεμελιωδη ερωτηματα ειναι: Ποιο είναι το υλικό που έχουμε, π.χ. SiC. Γιατί έχει τις ιδιότητες που έχει, π.χ. γιατί συμπεριφέρεται σαν ημιαγωγός. Σε τι μας χρησιμεύουν οι ιδιότητες αυτές, π.χ. για κατασκευή microchip.

Για να απαντησουμε στα τρια θεμελιωδη ερωτηματα πρεπει να: Αναγνωρίσουμε και να κατατάξουμε τα υλικά ανάλογα με τις μακροσκοπικές ιδιότητες τους και την συμπεριφορά τους, να ερμηνεύσουμε, βελτιώσουμε την μακροσκοπική αυτή συμπεριφορά, γνωρίζοντας τις μικροσκοπικές τους ιδιότητες και μελετώντας τα δομικά τους χαρακτηριστικά.

Έτσι μακροσκοπικΑ χαρακτηρΙζουμε τα υλικΑ με βΑση: α) Τις φυσικές τους ιδιότητες σε στερεά – υγρά – αέρια. β) Τις μηχανικές τους ιδιότητες σε Μαλακά – σκληρά. γ) Τις θερμικές ιδιότητες σε Θερμικούς μονωτές – θερμικούς αγωγούς. γ) Τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες σε Αγωγούς – Μονωτές – Ημιαγωγούς – Υπεραγωγούς. δ) Τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε Σιδηρομαγνητικά – Παραμαγνητικά – Διαμαγνητικά υλικά. ε) Τις Οπτικές τους ιδιότητες σε Διαφανή - Αδιαφανή – Ημιδιαφανή.

ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ ΑΤΟΜΟΥ Λέμε ότι κάθε άτομο έχει ένα σύνολο από δυνατές ενεργειακές στάθμες. Ένα άτομο λοιπόν μπορεί να έχει εσωτερική ενέργεια ίση με οποιαδήποτε από αυτές τις στάθμες αλλά δεν μπορεί να έχει ενέργεια ενδιάμεση ανάμεσα σε δύο στάθμες. Όλα τα άτομα ενός στοιχείου έχουν το ίδιο σύνολο ενεργειακών σταθμών αλλά άτομα διαφορετικών στοιχείων έχουν διαφορετικές στάθμες. Κάθε άτομο έχει μια κατώτατη ενεργειακή στάθμη που αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια που μπορεί να έχει το άτομο. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση ενώ οι άλλες διεγερμένες. Οι προαναφερθείσες ενεργειακές στάθμες του ατόμου είναι στην πραγματικότητα οι αντίστοιχες ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων που απαρτίζουν το άτομα. Αυτές οι ενεργειακές καταστάσεις των ηλεκτρονίων είναι που καθορίζουν τις αντίστοιχες του ατόμου.

ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ Τα στερεά μπορούν να χαρακτηριστούν σαν γιγαντιαία μόρια. Τα άτομα οργανώνονται σε δομές με περιοδική επανάληψη μιας βασικής μονάδας ή συγκροτήματος ατόμων. Πλέγμα είναι η γεωμετρική διάταξη σημείων που έχει προκύψει από σύνολο μετατοπίσεων. Τα σημεία που αποτελούν το πλέγμα ονομάζονται δεσμοί.

Κρυσταλλικη δομη Η κρυσταλλική δομή ενός στερεού προκύπτει από το σχήμα Δομή = Πλέγμα + Βάση Όπου η βάση είναι ένα άτομο ή ομάδα ατόμων που αντικαθιστά τους δεσμούς. Η βάση μπορεί να αποτελείται από όμοια ή ανόμοια άτομα. Ανάλογα με το είδος των μοριακών δεσμών οι κρύσταλλοι διακρίνονται σε:

Α) Ιοντικούς Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν: Ισχυρούς δεσμούς. Υψηλό σημείο τήξης (δύστηκτα υλικά) και βρασμού, λόγω μεγάλης ενέργειας ιοντικού δεσμού. Αγωγιμότητα πολύ μικρότερη ενός μετάλλου και ανάλογη της θερμοκρασίας. Είναι διαφανείς για όλες τις συχνότητες μέχρι την βασική συχνότητας απορρόφησης.

Β) Ομοιοπολικούς Αυτοί οι κρύσταλλοι έχουν: Μεγάλη σκληρότητα. Υψηλά σημεία τήξης και βρασμού. Είναι μονωτές και ημιαγωγοί. Είναι διαφανείς σε ακτινοβολίες μικρής συχνότητας – μεγάλου μήκους κύματος ενώ αδιαφανείς για μικρό μήκος κύματος – μεγάλης συχνότητας.

Γ) Κρυστάλλους με μεταλλικούς δεσμούς Στην περίπτωση αυτή η ανάγκη πυκνής δόμησης, να έχουμε δηλαδή τον μέγιστο δυνατό αριθμό ατόμων στον μικρότερο όγκο, επιβάλει οι κρύσταλλοι να κρυσταλλώνονται στο εδροκεντρωμένο κυβικό και πυκνοδομημένο εξαγωνικό πλέγμα. Σε αυτούς μπορεί να εφαρμοστεί το μοντέλο του ελεύθερου ηλεκτρονίου. Παρουσιάζουν: Μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα. Μεγάλη θερμική αγωγιμότητα. Είναι αδιαφανείς έως στο μέσο της υπεριώδους περιοχής του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Οι πραγματικοί κρύσταλλοι εμφανίζουν απόκλιση από τον ιδανικό κρύσταλλο για τον οποίο η πλεγματική δομή επεκτείνεται χωρίς διακοπή σε ολόκληρο το υλικό. Η απόκλιση αυτή εκφράζεται με τις ατέλειες δομής. Οι ατέλειες δομής κατατάσσονται σε: Πρόσθετο άτομο Είναι το ξένο άτομο το οποίο παρυσφύει μέσα στο πλέγμα. Πλεγματικό κενό Είναι μία κενή θέση στην πλεγματική δομή επειδή ένα άτομο λείπει. Άτομο πρόσμιξης Είναι ξένο άτομο το οποίο αντικαθιστά ένα άτομο του μητρικού πλέγματος.