Основы химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Золото - мягкий, очень пластичный металл блестящего желтого цвета. Предел прочности при растяжении золотой проволоки составляет 150 МПа, пластичность составляет ~ 40 %. Золото обладает хорошей электропроводностью - удельное сопротивление составляет 2,25•10^-8 Ом•м.

В природе золото встречается в самородном состоянии, в составе золотых руд, а также как примесь других руд. По химическому составу различают золото марки Зл-999,9 (99.99 % Au) и Зл-999 (99,90 % Au).

Существенным преимуществом золота как контактного материала является его высокая химическая стойкость: на воздухе золото совершенно не изменяется; с кислородом, водородом, азотом и углеродом не соединяется даже при самых высоких температурах. На золото не оказывают влияния щелочи и кислоты, за исключением царской водки (смеси соляной и азотной кислот).

В электронной технике золото применяют как контактный материал, в качестве коррозионно-устойчивых покрытий резонаторов, волноводов и полосковых линий СВЧ устройств, электрических выводов активных элементов. Тонкие пленки золота применяются в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах, а также, наряду с тончайшей (5 - 10 мкм) проволокой, в производстве микросхем и полупроводниковых приборов. В контактах золота с алюминием происходит образование интерметаллических соединений, обладающих повышенным удельным сопротивлением и хрупкостью. Поэтому контакты тонких пленок золота и алюминия в микроэлектронике не допустимы. Сплавы золота с другими благородными металлами и медью используются в качестве проводниковых покрытий, проводников и скользящих контактов.

Платина - блестящий металл серовато-белого цвета, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Удельное сопротивление платины при 20 ^оС равно 9,8•10^-8 ОМ•м. Платину получают из руды гидрометаллургическим способом. По химической чистоте различают следующие марки платины: Пл - 99,93 (99,93 % Pt); Пл - 99,9 (99,90 % Pt); Пл - 99,8 (99,80 % Pt). Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Химически чистая платиновая проволока производится в твердом (ПлТ) и мягком (ПлМ) состояниях. Предел прочности при растяжении для мягкой проволоки у_в = 120 - 200 МПа и пластичность около 40%, для твердой у_в = 250 МПа.

В отличие от серебра платина не образует сернистых соединений при взаимодействии с атмосферой, что обеспечивает платиновым контактам стабильное переходное сопротивление. Она практически не растворяет водород, пропуская его через себя в нагретом состоянии. После отжига в водороде платина сохраняет свои свойства. Однако при прокаливании в углеродсодержащей среде платина становится хрупкой.

Платину применяют для изготовления образцовых термометров сопротивления, термопар, рассчитанных на рабочие тем1600 ^оС (в паре со сплавом платинородий). Особо тонкие нити из платины диаметром около 1 мкм используют для подвесок подвижных систе м электрометров, балометров, радиационных термоэлементов. Такие тончайшие нити получают многократным волочением биметаллической проволоки платина-серебро с последующим растворением наружного слоя серебра в азотной кислоте, которая на платину не действует.

Вследствие малой твердости платина редко используется для изготовления контактов, но служит основой для некоторых контактных сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы платины с иридием. Они не окисляются, имеют высокую твердость, малый механический износ, допускают большую частоту переключений. Однако эти сплавы дороги и применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую надежность контактов.

Палладий - серебристо-белый металл, по внешнему виду и ряду свойств напоминает платину и частично служит её заменителем, поскольку дешевле в 4-5 раз. Удельное электрическое сопротивление палладия составляет 10,8•10^-8 Ом•м. Палладий обладает наименьшей плотностью (12000 кг/м³ , платина - 21450 кг/м³) и температурой плавления (1552 ^оС) из всех платиновых металлов; в чистом виде мягок, пластичен и легко поддается обработке. Предел прочности при растяжении у_в для палладия 185 МПа, пластичность д = 24-30 %. На свойства палладия влияют примеси и способ обработки. При холодной прокатке твердость палладия увеличивается в 2 - 2,5 раза, при отжиге у_в возрастает до 210 МПа, а д достигает 40 %.

Палладий легче, чем другие платиновые металлы подвергается химическим воздействиям, поверхность его окисляется при нагревании на воздухе.

Проволока палладия выпускается в твердом (ПдТ) и мягком отожженном (ПдМ) состояниях. По содержанию примесей выпускается палладий марки Пд - 99,9 (99,90 % Pd) и Пд - 99,8 (99,80 % Pd).

Чистый палладий используется для покрытия скользящих контактов, работающих при небольших контактных усилиях, что увеличивает их срок службы, в припоях и контактолах. Палладиево- вольфрамовый сплав(20 %W) применяется в переменных резисторах4как пературы резисторах4как резистивный материал с большим ресурсом работы и низким уровнем контактных шумов. Серебряно-палладиевые сплавы используются как резистивные материалы, сплавы палладия с серебром и медью применяют в качестве контактных материалов.

В последнее время порошки серебряно-палладиевых сплавов и чистого палладия стали использоваться в качестве проводящего компонента паст, применяющихся в толстопленочной технологии микроэлектроники.

Палладий используют в электровакуумной технике, благодаря его способности интенсивно поглощать водород. Твердый палладий поглощает 900 объемов водорода на единицу собственного объема. Выделенным из палладия чистым водородом наполняют некоторые типы газоразрядных приборов.

Свойства и параметры магнитных материалов и их классификация.

Любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, приобретает магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема V вещества называют намагниченностью J_м: J_м = М/V.

Магнитные материалы - это материалы способные заметно изменять свою намагниченность при воздействии на него внешнего магнитного поля. Влияние напряженности внешнего магнитного поля на намагниченность определяется выражением

J_м = k_м Н, А/м, (1.1)

где Н - напряженность внешнего магнитного поля (А/м); k_м - безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.

Магнитная индукция в веществе, находящемся во внешнем магнитном поле, определяется алгебраической суммой индукции внешнего В_о и внутреннего В_i полей

В = В_о + В_i = µ_оН + µ_оJ_м, (1.2)

где µ_о = 4р 10^-7 Гн/м - магнитная постоянная в системе СИ.

Подставляя выражение (3.1) в (3.2) получим

В = µ_оН + µ_оk_мН = µ_о(1 + k_м)Н, (1.3)

где µ = 1 + k_м - статическая относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В_о в вакууме. Заменяя значение µ = 1 + k_м в формуле (3.3) получим выражение, связывающее напряженность магнитного поля с индукцией магнитного поля B в веществе, измеряемое в теслах (Тл)

В = µ_оµ Н₁Т. (1.4)

Тогда значение статической относительной магнитной проницаемости µ определяется выражением

µ = В/µ_о . (1.5)

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным пяти группам веществ соответствуют следующие типы магнитного состояния: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, атиферроманетизм и ферримагнетизм.

Диамагнетики - это вещества, у которых магнитная восприимчивость k_м отрицательно и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, противоположную внешнему полю. Следовательно магнитная восприимчивость k_м отрицательна, по величине она мала (k_м ? -10^-5) и в большинстве случаев не зависит от напряженности поля.

Из формулы (3.1) следует, что намагниченность диамагнетиков носит отрицательный характер и линейно возрастает с увеличением напряженности внешнего поля Н (рис. 3.1 а). Магнитные моменты отдельных атомов М_i ориентированы в пространстве произвольно, но суммарный магнитный момент вещества в целом противоположен направлению внешнего магнитного поля, ослабляя его. Так как магнитная восприимчивость является отрицательной величиной, то магнитная проницаемость меньше единицы. Поскольку диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю, то они выталкиваются из этого поля.

Рис. 1.1. Зависимость намагниченности J_м от напряженности поля Н: а - для диамагнетиков (1) и для парамагнетиков (2) при не слишком сильных полях и при обычных и высоких температурах; б - для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К диамагнетикам относятся: инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, висмут, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения А^III, B^V, A^IIB^IV и др.), органические соединения, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др.

Диамагнетизм существует во всех веществах, независимо от структуры их атомов и видов связи. Однако, в чистом виде, этот эффект проявляется только в тех веществах (диамагнетиках), в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов. Для веществ, в которых собственный суммарный магнитный момент атомных образований не равен нулю, на диамагнетизм накладывается значительно больший по величине нескомпенсированный магнитный момент электронов. В этом случае наблюдаются другие типы магнитного состояния, подавляющие диамагнетизм.

Парамагнетики - это вещества, из которых магнитная восприимчивость |k| ? 1, но она положительна и при комнатной температуре составляет 10^-2 - 10^-5. Поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков незначительно отличается от единицы. Намагниченность парамагнетиков характеризуется линейной зависимостью (рис. 3.1 а) в области небольших магнитных полей при высоких температурах. В сильных полях при низких температурах J_м (Н) асимптотически приближается к предельному значению J_s, соответствующему магнитному насыщению парамагнетиков (рис. 3.1 б).

Парамагнитный эффект наблюдается в веществах атомы которых, как правило, имеют нечетное число электронов с нескомпенсированными спинами или с нескомпенсированными орбитальными моментами количества движения. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии распределены хаотично, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю (рис. 3.2 а).

Рис. 1.2. Схематическое изображение магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных веществах (г)

Под действием внешнего магнитного поля возникает направление преимущественной ориентации магнитных моментов, совпадающее с направлением поля, т.е. появляется положительная намагниченность. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков магнитная восприимчивость выражается законом Кюри

k_м = С/Т, (1.6)

где С - постоянная Кюри; Т - абсолютная температура, К.

К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Ферромагнетики - это вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. В ферромагнитных веществах атомы имеют большое количество неспаренных (нескомпенсированных) спиновых магнитных моментов. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей (доменов) с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов в них (рис. 3.2 б). Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. При определенной температуре Т_к (точка Кюри) у ферромагнетиков атомный магнитный порядок разрушается, и вещества переходят в парамагнитное состояние.

К классу ферромагнетиков относятся элементы переходных групп Fe, Co, Ni, а также редкоземельные элементы: Gd (гадолиний), Dy (диспрозий), Ho (гольмий), Er (эрбий), Tu (тулий). В табл. 3.1 приведены значения магнитной восприимчивости точки Кюри трех распространенных ферромагнетиков Fe, Co, Ni.

Таблица 1.1

Антиферромагнетики - это вещества, у которых спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки (рис. 3.2 в); при этом суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. Для антиферромагнетика характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость (k_м = 10^-3 -10^-5), которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход, и вещество переходит в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при котором исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля. Поскольку магнитная восприимчивость в антиферромагнетиках меньше единицы, то и магнитная проницаемость близка к единице. К антиферромагнетикам относятся металлы переходной группы - хром (Cr), марганец (Mn), а также простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, сульфидов, карбонатов и т.п. Антиферромагнитные свойства проявляют также атомы редкоземельных элементов - церия (Ce), неодима (Nd), самария (Sm), тербия (Tb).

Ферримагнетики - это вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. В ферримагнитных соседние магнитные моменты выстроены антипараллельно друг другу, но величина их неодинакова (рис. 3.2 г). Поэтому они обладают большим нескомпенсированным суммарным магнитным моментом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При температуре выше точки Нееля у ферромагнетиков атомный магнитный порядок разрушается, и вещества переходят в парамагнитное состояние.

К ферромагнетикам относятся ферриты - сложные оксидные химические соединения, характеризующиеся антипараллельным расположением неравных магнитных моментов соседних атомов, представляющих различные химические элементы, входящих в состав феррита.

Диамагнетики и парамагнетики иногда объединяют под названием слабомагнитных веществ, не обладающих атомным магнитным порядком, а ферромагнетики и ферримагнетики - под названием сильномагнитных материалов, обладающих атомным магнитным порядком; для антиферромагнетиков характерен атомный магнитный порядок, но количественно этот эффект весьма мал.

химический металл магнитный анизотропия

Рисунок 1.3

Петли гистерезиса при различных значениях амплитуды переменного магнитного поля и основная кривая намагничивания фeрромагнетика

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - органические вещества с анизотропными молекулами, имеющими одно- или двухмерный дальний порядок в их расположении. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкокристаллическое состояние таких веществ называют мезоморфным состоянием. Определяющую роль в образовании жидкокристаллического состояния играет преимущественная Ван-дер-Ваальсовая связь между молекулами. Поэтому оптические и электрические свойства жидких кристаллов в сильной степени зависят от напряжённости электрического поля, температуры, давления. В жидкокристаллическом состоянии они могут существовать лишь в определённом интервале температуры. Ниже этого интервала вещество находится в твёрдом кристаллическом состоянии, выше - переходит в изотропную жидкость.

Рис. 1.1. Типы структур жидких кристаллов: a - нематических; б -смектических; в - холестерических

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три типа: 1 - нематические; 2 - смектические; 3 - холестерические (рис. 1.1).

В нематических жидких кристаллах (НЖК) молекулы выстроены в цепочки (рис. 1.1 a). Направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью НЖК.

В смектических жидких кристаллах (СЖК) молекулы распределены слоями с чётко определённым периодом. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно (рис. 1.1 б). Смектические жидкие кристаллы более упорядочены, чем нематические, вследствие этого обладают большой вязкостью и поэтому не получили широкого применения в технике.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) являются разновидностью НЖК. В отличии от нематических кристаллов ХЖК образованы оптически активными молекулами, образующими параллельные слои, подобно кристаллам первого типа. Направление преимущественной ориентации молекул плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя винтовую ось симметрии, перпендикулярную плоскости слоя и направлению ориентации (рис. 1.1 в). Наиболее применяемыми ХЖК являются различные производные холестерина.

В настоящее время известно большое количество органических соединений, способных образовывать жидкие кристаллы. Наибольшее количество веществ, существующих в жидкокристаллическом состоянии, представляют собой ароматические соединения, содержащие бензольные кольца с заместителями в пара-положении.

Для устройств отображения информации наибольшее применение получили нематические жидкие кристаллы. Ориентационный порядок в расположении молекул в НЖК создаёт анизотропию удельного электрического сопротивления, диэлектрической проницаемости, показателя преломления света, вязкости и других свойств. Жидкие кристаллы, являющиеся полярными органическими диэлектриками, имеют удельное электрическое сопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным цепям, порядка 10⁶ - 10¹⁰ Ом ^. м, а вдоль молекулярных цепей значительно ниже.

Диэлектрическая анизотропия количественно определяется соотношением

Де = е_II - е_, (1.1)

где е и е_II - относительная диэлектрическая проницаемость соответственно поперёк и вдоль преимущественной ориентации молекул.

Значение и знак Де определяются поляризуемостью молекул, направлением собственного дипольного момента и величиной е; она может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Оптическая анизотропия определяется как разность оптических показателей преломления световой волны вдоль преимущественного направления молекул n_II и перпендикулярно n

Дn = n_II - n_. (1.2)

Величина Дn всегда положительна и составляет 0.1...0.3.

Отдельные типы ЖК обычно не используются из-за узкого температурного интервала жидкокристаллического состояния. С целью расширения температурных границ существования метофазы используются смеси из однотипных жидких кристаллов. В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых жидкокристаллических смесей.

Таблица 1.1

Сочетание в жидких кристаллах анизотропных свойств и низкой вязкости приводит к некоторым электрооптическим эффектам, которые применяются в индикаторах и в устройствах отображения информации. Схематическое изображение индикатора на ЖК изображено на рис. 4.12.

Рис. 1.2. Схема конструкции электрооптической ячейки на жидких кристаллах: а - работа на просвет; б - работа на отражение; 1 - защитные стекла; 2 - прозрачные электроды (SnO₂); 3 - диэлектрические прокладки; 4 - жидкий кристалл; 5 - непрозрачный (отражающий) электрод

Между стеклянными пластинами, разделенными диэлектрическими прокладками, находится слой жидкого кристалла толщиной 5 - 30 мкм. На внутренней поверхности стеклянных подложек наносятся прозрачные электроды (рис. 1.2 а). Если индикатор работает на отражение, то один из электродов выполняют непрозрачным (рис. 1.2 б). Под действием внешнего электрического напряжения (9 - 50 В), подаваемого на электрод, происходит поворот молекул, в результате чего под электродами возникают рассеивающие свет центры. Этот эффект проявляется в виде помутнения ячейки относительно прозрачного фона; геометрия высвечиваемого знака задается формой электрода. При отключении электрического поля ячейка возвращается в исходное прозрачное состояние. Эффект рассеивания света проявляется как на постоянном, так и на переменном напряжении частотой до 10² - 10⁴ Гц в зависимости от материала ЖК.

Для получения цветных изображений в ЖК вводят молекулы красителя, которые также имеют удлиненную палочкообразную форму. В исходном состоянии эти молекулы ориентируются молекулами жидкого кристалла и оказываются невидимыми. При подаче электрического напряжения молекулы красителя, увлекаемые молекулами жидкокристаллической фазы, поворачиваются и окрашивают изображение в определенный цвет.

Нематические жидкие кристаллы применяют при изготовлении цифровых индикаторов (ЖКИ) электронных приборов и калькуляторов, циферблатов электронных часов, экранов мониторов ЭВМ, экранов телевизоров. Основными преимуществами индикаторов на жидких кристаллах являются: низковольтный режим работы (2 - 50 В); низкая потребляемая мощность (10^-2 - 1 Вт/м²), хорошая контрастость при ярком освещении; совместимость с интегральными схемами по рабочим параметрам и конструктивному исполнению, и возможность изготовления традиционными методами микроэлектроники; низкая стоимость. Для сравнения укажем, что потребляемая мощность индикаторных устройств на светодиодах составляет 10⁵ Вт/м², а газоразрядных и люминофорных индикаторов - 10³ Вт/м².

Принципиальным недостатком устройств на жидких кристаллах является относительно невысокое быстродействие, а также подверженность процессам электро- и фотохимического старения.

Холестерические жидкие кристаллы на молекулярном уровне похожи на нематические. Однако направление молекул в слоях ХЖК дополнительно закручены в спиральную структуру с определенным шагом вокруг оси (оси Витта), перпендикулярной молекулярным осям. Если плоский слой холестерического жидкого кристалла освещать белым цветом, то в отраженном свете он будет казаться окрашенным. При этом окраска будет изменяться в зависимости от угла наблюдения. Шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При изменении температуры изменяется расстояние между молекулярными слоями, а соответственно и изменяется длина волны максимального рассеяния света при заданном угле наблюдения (меняется окраска поверхности кристалла). Изменение цвета кристалла при изменении температуры называют термохромным эффектом. На основе этого эффекта созданы высокочувствительные пленочные жидкокристаллические датчики температуры, используемые для целей медицинской и технической диагностики. Кроме того, пленочные датчики позволяют получить картину распределения теплового поля в виде цветовой диаграммы.

Размещено на Allbest.ru