Anyagtudomány 2018/19 Vezetési jelenségek, vezetőanyagok Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu
Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék: Vezetők fémek szabad elektron ötvözetek szabad elektron elektrolitok + és - ionok plazma áll. gázok + és - ionok Félvezetők elemi szabad elektronok, lyukak vegyület szabad elektronok, lyukak Szigetelők kovalens kristályok szabad elektronok, lyukak ionos kristályok szabad elektronok, lyukak folyadékok gázok + és - ionok + és - ionok
Vezető anyagok klasszikus csoportosítása (fajlagos vezetőképesség) Siemens/m, 1/Ohm m 10-8 S/m szigetelő 10-8 - 10 6 S/m félvezető 10 6 S/m fémes vezető R m S m l A 1
Fajlagos ellenállás irányfüggése izotróp (köbös szerezetű egykristályok, polikristályok) anizotróp (alacsony szimmetriájú kristályok: hex., tetragonális ) pl: Cd, Mg, Zn, C (grafit): parallel perpendicular 1000
Vezetési mechanizmusok leírása Klasszikus (Sommerfel-féle, szabad-elektron modell) Feltételezés: elektromok között nincs kölcsönhatás (ideális gáz) Elektron mozgása: Rendezetlen termikus mozgás + sodródás (drift) Kvantummechanikai leírás Elektronhoz rendelt síkhullám mozgása a rácsperiodikus potenciáltérben. Vezető test: potenciálgödör.
Vezetési mechanizmusok leírása : átl. élettartam : átl. szabad úthossz v (sebesség) j a j qnv t (idő) d F q E vd m m 2 nq E E 2m v drift q E 2m v d : anizotróp n : elektron mozg. p : lyuk mozg. [cm 2 /Vs] Mérése: Hall - effektus C- V mérés E
Vezetési mechanizmusok leírása Eredmények: Differenciális Ohm-törvény 1-2 vegyértékű fémekre jó fajlagos ellenállás értékek Problémák: azonos fém allotróp módosulatai többvegyértékű fémek (fajl. ell. hibás) Félvezetők, szigetelők (hőmérsékletfüggés) (T, megvilágítás, külső E, sugárzás )
Fémek fajlagos ellenállását befolyásoló tényezők Kristályrács torzulása növekedése termikus rácsrezgések termikusan aktivált ponthibák diszlokációk (alakítás) felületszerű hibák (szemcseméret) térfogati hibák (kiválások, új fázis) rácstorzulás (szilárd oldatos ötvözés)... Matthiesen-szabály (szeparálható fv.) T, c, T c 1 2 3
OP 2/3OP 100K Maradó ellenállás T (K) T R T R n nq m nq m T T T T T T T 1 1 2 2 1 1 1 2 2 0 0 2 0 kr. hibák maradó ellenállás Szupravezető: maradó ellenállás nulla Lineáris viselkedéstől eltér ha van: ferro-paramágneses átmenet allotróp átalakulás fázis átalakulás hőmérsékletfüggése (fémes vezető)
Ötvözés hatása T olvadék olvadék + T olv. + A olvadék olv. + B szilárd oldat () A + B T 1 T 1 a. A C B B a. A B, T 1 T 1 B A A b. B A C B Ac 1 ötv c B b. A ötv A c A B c B B
Ötvözés hatása Nordheim-szabály ötv A 1 c c Ac 1 c Ac A B B B B Mott-szabály Ac AB BA
Képlékeny alakítás, hőkezelés hatása Fajlagos-ellenállás növekmény Alakítás mértéke Képlékeny alakítás vakanciák, diszlokációk n k ln nln ln k Egyensúly felé tart a rendszer csökken.
Nyomás és rétegvastagság hatása Nyomás (hidrosztatikus) hatása: növekszik Rétegvastagság hatása ha az e- szabad úthossza összemérhetővé válik a rétegvastagsággal k: felület minősége a: alak (huzal, lemez) d: vastagság, átmérő : e- szabad úthossza k a d v drift
Vezetőanyagok Vezetékanyagok: Cu és ötvözetei Al és ötvözetei Fe és ötvözetei Érintkezőanyagok kis átmeneti ellenállás jó hővezetés jó ívállóság nagy szilárdság kopásállóság pl. Au, Ag, W, Pt, Cu-Ag, Cu-Ag-Au, kompozitok, pl. Ag-CdO Hőelemek aktív anyagai Cu konstantán (55% Cu + 45% Ni) Fe konstantán Ni CrNi, Pt PtRh Üveg- és kerámiaátvezetők kis hőtágulási együttható pl. Fe Ni ötvözet 36-42% Ni Kettősfémek két eltérő hőtágulású anyag összehengerelve Forraszanyagok
Szupravezetés Kamerlingh 1911 (Hg) 28 elem és több mint 1000 vegyület Nb 7,2K Nb 3 Sn 18,1K Nb 3 Al 17,5K V 3 Si 17K V 3 Ga 16,8K Elem nem lehet szupravezető ha: egy vegyértékű rendezett mágneses szerkezete van
Szupravezető elemek a periódusos rendszerben
T C, H C, (J C ) hatása H H 0 1 j H 2 r T T C 2
Meissner-effektus Mágneses tér erővonalai kiszorulnak Szupravezető: ideális diamágnes (I. fajú) B 0 H M 0 M H B 0 H M 1
I. és II. fajú szupravezetők I. és II. fajú szupravezetők M mágnesezettségének alakulása a külső tér függvényében Hc1: alsó kritikus térerő Hc2: felső kritikus térerő Hc1 alatt: ideális diamágnes Hc1-Hc2: H tér behatol
Ismertebb I. és II. fajú szupravezető elemek és T c (K) Al 1,18 Ti 0,39 V 5,03 Zn 0,86 Ga 1,09 Zr 0,55 Nb 9,5 *** Cd 0,52 In 3,41 Sn 3,72 Ta 4,48 Hg 4,15 Tl 2,37 Pb 7,19
Szupravezető anyagtípusok Elem Ötvözet Vegyület (intermetallikus) Kerámia (rideg, törékeny, magas Tc)
A 3 B-típusú szupravezető vegyületek Perovskit-szerkezet -volfram pl: Nb 3 Sn
Magas hőmérsékletű szupravezető Tc > 77 K (-196 ºC) folyékony nitrogén/levegő Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 138 K (Rekord tartó) TET HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 133-135 K TET Tl 0.5 Pb 0.5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 9 118-120 K TET Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 110 K ORTR Ca 1-x Sr x CuO 2 110 K (legmagasabb Tc 4 komp.) GdBa 2 Cu 3 O 6 94 K TET YBa 2 Cu 3 O 6 93 K TET Nb 3 Ge 23,2 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Si 19 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Al 18 K Perovszkit (β-volfram)
YBa 2 Cu 3 O 6 típusú anyag
Fejlődés, trendek
Bardeen-Cooper-Schrieffer BCS-elmélet 3-test kölcsönhatás BCS-elmélet Szupravezető állapotban: Cooper-párok (2e - töltés) (+1/2) - (-1/2) spínű elektron párok a töltéshordozók nincs taszító kölcsönhatás
Szupravezetők alkalmazási példái Lebegtetés
Félvezetők - sávelmélet
Elemi félvezetők Intrinsic (elemi) Extrinsic (adalékolt) n-típusú, donor, 5 vegyérték (P, As, Sb) p-típusú, akceptor, 3 vegyérték (B, Al, In, Ga) Adalékolás: szubsztitúciós ötvözés (oldhatósági határ alatt) (normál szintek: n*10 14-10 18 cm -3 ) Adalékszintek a tiltott sávban (elfajult félvezető)
Adalékolt félvezetők Extrinsic (adalékolt) n-típusú, donor, 5 vegyérték (P, As, Sb) p-típusú, akceptor, 3 vegyérték (B, Al, In, Ga) Adalékolás: szubsztitúciós ötvözés (oldhatósági határ alatt) (normál szintek: n*10 14-10 18 cm -3 ) Adalékszintek a tiltott sávban (elfajult félvezető)
Félvezetők csoportosítása Elemi félvezető (Si, Ge ) Intermetallikus: biner, ternér, kvaternér (A III B V, A II B VI )
TDK-témák Krion vizsgálata Témavezető: dr. Katula Levente Maga az anyag megjelenésében a természetes kövekhez hasonlít. Kétharmad részben ásványi anyag, egyharmad részben akril gyanta. Ezt az anyagot hajlítják, ragasztják, megmunkálják. A krion ragasztását, a ragasztott kötés teherbírását, a ragasztott darabok későbbi megmunkálhatóságát lehetne vizsgálni egy TDK-ban. Törésmechanikai esettanulmányok Témavezető: dr. Orbulov Imre Konkrét, ipari törésmechanikai feladatok (kritkus feszültségintenzitási tényező, fáradásos repedésterjedés, nyomáspróba stb.) feldolgozása analitikus és numerikus módszerekkel, kiemelve a modellalkotás legkritikusabb pontjait.
TDK-témák A képlékeny alakítás hatása a fémek textúrájára Témavezető: dr. Szabó Péter János A fémekben képlékeny alakítás hatására létrejövő textúraváltozások nyomonkövetése visszaszórtelektron-diffrakcióval (EBSD-vel).