Электрофизические свойства диэлектриков и полупроводников при фазовом переходе твердое-жидкое тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. "Электропроводность в области фазового перехода" I-I Основные принципы работы ионных термометров.

1-2 Фазовые переходы (ФП) первого и второго рода

1-3 Феномонология плавления и электропроводность Т

1-4 Z - проводимость

1-5 Использование скачка проводимости в области фазового перехода

Выводы по главе I.

Глава П. "Анализ работы ионного термометра (ИТ)" по электрофизическим процессам, происходящим в материалах (ИТ). П-1 Условия работы ионного термометра

П-2 Требования к наполнителю - характеристики и выбор.

П-3 Разработка схемы замещения (ИТ) с учетом нелинейности электрофизических характеристик материалов.

П-4 Проводимость системы (ИТ) в области фазового превращения.

Выводы по главе П.

Глава Ш. "Методика эксперимента и полученные результаты"

Ш-1 Подготовка образцов

Ш-2 Двухзондный метод измерения электрической проводимости в области фазового перехода

Ш-3 Безэлектродный метод измерения электрической проводимости в области фазового перехода бз

Ш-4 Разработка установки для прецизионного измерения скачков электропроводности в области ФП. ffl-5 Экспериментальные результаты по скачкам электрофизических свойств соединений А^ В^. 70 Выводы по главе Ш.

Глава 1У. "Теория скачков электропроводности при фазовом переходе плавления" 1У-1 Скачки электропроводности при плавлении металлов

1У-2 Теория скачков электропроводности полупроводников и диэлектриков

17-3 Скачки электропроводности в случае смешанного электронионного характера электропроводности

1У-4 Методы определения энергии активации скачка проводимости при плавлении 101 1У-5 Экспериментальное определение параметров теории скачка электропроводности при плавлении

Выводы по главе 1У.

За последнее время весьма остро стоит вопрос об изготовлении и разработке датчиков температуры имеющих очень высокую точность и стабильность под воздействием ионизирующих излучений. В качестве сред для таких датчиков можно использовать среды, в которых при определенной температуре возникает фазовый переход. Фазовый переход сопровождается изменением как электрофизических, так и оптических, магнитных, тепловых и других свойств материала. Поэтому целью данной работы являлось исследование фазовых переходов в материалах различного типа с целью определения целесообразности применения этих материалов и фазовых переходов в них для изготовления датчиков температуры. Стабильность фазового перехода, его независимость от внешних условий, если температура подошла к температуре фазового перехода, определяет широкое применение этих датчиков во многих отраслях науки и техники. Это прежде всего атомные электростанции, где высокий поток ионизирующих излучений затрудняет применение датчиков температуры, основанных на других принципах. Поэтому является весьма актуальным исследование электрофизических характеристик фазовых переходов в различных материалах, связанных с плавлением. Такие исследования позволят:

1. Установить целесообразность применения того или иного материала в качестве активного вещества датчика температуры;

2. Определить внешние и внутренние влияния на работу датчика температуры.

3. Разработать теорию скачков электропроводности при ФП для полупроводников и диэлектриков и на основании ее определить набор материалов, которые по характеристикам ФП могут перекрыть интервал измерения температуры.

Кроме того, необходимо было исследовать фазовые переходы в этих материалах с тем, чтобы сравнить чувствительность измерения температур на фазовых переходах, связанных с изменением электрофизических характеристик и на фазовых переходах, связанных с изменениями других физических свойств системы. Для практического применения нужно было разработать технологию приготовления этих датчиков, подбирать материал электродов, конструктивное оформление датчиков, учитывая их миниатюрность и желание измерять температуру в точке. Актуальной являлась также разработка методов безэлектродного измерения электрофизических характеристик фазовых переходов с исключением явлений, связанных с электродной системой.

Целью работы является исследование электрофизических характеристик фазовых переходов в бинарных соединениях, исследование точности измерения температуры по скачкам электропроводности при фазовых переходах, исследование влияния наполнителя на характеристики ФП, определение датчика как электрической системы с неоднородными электрофизическими характеристиками.

Практическая ценность работы:

Предложена методика безэлектродного измерения скачков электропроводности при плавлении различных материалов.

Системизация всех релевантных явлений при фазовой трансформации в широком смысле этого слова.

Определен оптимальный состав, влияние и выбор наполнителя на ионные термометры.

Результаты работы используются и внедряются на предприятиях ЧССР, и являются проблематикой решающейся в рамках темы Гос .плана научных исследований № I-I-8/I.

Научная новизна:

1. Разработана теория скачков электропроводности при плавлении полупроводников и диэлектриков, которые имеют ионную и электронную компоненту электропроводности.

2. Проведен комплексный теоретический анализ работы датчика температуры в качестве электрической нелинейной системы.

3. Проведен анализ влияния электродов, материала оболочки, активного материала, неоднородноетей на электропроводность.

На защиту выносится:

1. Разработка теоретических вопросов о скачках электропроводности при плавлении диэлектриков и полупроводников, имеющих электронную и ионную компоненты электропроводности.

2. Методика измерений скачков электропроводности электрод- 1 ным и безэлектродным методом.

3. Анализ и объяснение аномального увеличения электрической емкости в области фазового перехода Hgi2.

Апробация работы:

По результатам исследований, входящих в диссертационную работу имеются 2 публикации и одна заявка на изобретение.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, включая 31 рисунков, таблиц и список литературы из 91 наименова

Выводы по главе 1У.

- Разработана теория скачка электропроводности при плавлении полупроводников и диэлектриков на основе анализа температурной зависимости электронной и ионной компоненты электропроводности.

- Показано, что скачок электропроводности для кристаллов со смешанной электронной и ионной электропроводности может быть положительный, отрицательный, равный нулю.

- Показано, что ионную часть скачка электропроводности можно представить в виде двух составляющих; диффузионный, связанный с изменением подвижности ионов при плавлении, и концентрационный, связанный с изменением концентрации носителей заряда.

- Выведены формулы для всех составляющих, включая электронную составляющую скачка.

- Разработана методика определения параметров теории, при которой величина скачка определяется из температурной зависимости Ъ перед плавлением.

- Разработанная методика применена для полупроводниковых материалов типа А1* В^, исследованных в первой главе диссертации, и показала, в основном, хорошее согласие с экспериментом, что позволило систематизировать процесс выбора материалов для ионных термометров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что изменение электропроводности в области фазового перехода твердое вещество - жидкость, несмотря на гистерезис, может быть применено для измерения температуры в специальных условиях, в частности, в качестве датчика измерения конкретной температуры.

2. Была разработана схема замещения ионного термометра, учитывающая доминирующие явления в отдельных температурных областях.

3. Результаты экспериментов позволяют утверждать, что ч наполнитель не оказывает существенного влияния на функцирова-ние системы в пределах до 2Ъ% содержания по массе.

4. Приводится описание нового безэлектродного метода измерения электропроводности при ФП плавления и измерения температуры, который может быть применен для создания поверочных станций и других специальных применений, предназначенI ный главным образом, для высоких температур.

5. Измеренное аномальное увеличение электрической емкости в области фазового перехода, соединений А^ В^ зависящее в значительной степени от частоты измерительного напряжения, было объяснено приэлектродной и междуслойной поляризацией.

6. Был разработан новый теоретический подход к вопросу о скачках электропроводности в области фазового перехода твердое вещество - жидкость, учитывающий электронный и ионный тип электропроводности.

7. Показано, что скачки электропроводности при плавлении полупроводников и диэлектриков определяются изменением концентрации ионов и электронов проводимости и в меньшей степени изменением их подвижности.

8. Разработанная теория изменения электропроводности при фазовом превращении позволяет упростить подбор материалов для ионных термометров с применением энтропийного правила.

9. Разработана методика определения диффузионного и концентрационного вклада в скачки электропроводности при плавлении, а также соотношения между электронной и ионной компонентами электропроводности.

10. Применение разработанной теории к полупроводникам типа А^ В™ показано хорошее согласие с экспериментом, были определены доли электронной и ионной проводимости, что позволило систематизировать процесс выбора материала для ионных термометров.

В заключении автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю работы К.Т.Н. доц. Е.Ф.Кустову, сотрудникам кафедры ЭТМиК МЭИ, кафедры электротехнологии ЭФ СВШТ Братислава и сотрудникам ИЯИ, Ржеж за ряд ценных консультаций, поддержку и внимательное отношение ко мне при работе над диссертацией.

1. JakeS D.: Sprdva EGU 6. 11-05-1-012 62, 1975

2. Strnad M., JakeS D.: SprSva EGU 6. 11-05-1-02262, 1979

3. JakeS D., Strnad M., Kott J.: Phenomenology of ionic thermometers. High Temperatures- High Pressures, 1979 r. 11 pp. Ill - 116

4. JakeS D., Rosenkranz J.: 1оп^уё teplomery pro jadernl reaktory. Nukleon, 1980 r. 4 s. 17-20

5. Strnad M., JakeS D.: Ionic Thermometers and their Applications in Nuclear Thermometry. Acta IMEKO 1979 pp. 63 - 70

6. Ga го J. Anorganick6 ch£mia. Bratislava: Alfa 1974,807s.

7. Смоленский Г.А.Г Боков В.А. Сегнетоэлектрики и анти-сегнентоэлектрики. Л.: Наука 1971 476 с.16/ Желудев П.С. Основы сегнетоэлектричества. М.:: Атомиздат, 1973 471 с.

8. Холоденко Л.П. Термодинамическая теория сегнетоэлектри-ков типа титаната бария. Рига:: Занатне, 1971, 227 с.

9. Лайнс М. Бласс А. Сегнетоэлектрики и родственые им материалы. М. г Мир, 1981,. 736 с.19/ Делимарский Ю.К. Электрохимия ионных расплавов. М.: Металургия 197820/ Далилов В.И., Красницкий С.Ю. ДАЕ СССР 101, 1958, с. 661

10. Уббелоде А.Р. Плавление и кристалическая структура. Iff. Мир, 196-9 420 с.22/ Barin J. Knacke О. Thermochemical Properties of Inorganic Substances, Berlin 1977

11. Doucet Y., Journal Chim. Phys., 578 195924/ Furukawa L., Disc. Farnd. Soc. 32, 53 (1961)

12. Furukawa L., Rep. prog. Phys. 25, 395 (1962)

13. Уббелоде A.P. Расплавленое состояние вещества M.: Металургия 1982 а74 с.

14. Inaba Н., Matsvi Т., Naito К. Journal of Nuclear Mat. 1975, 58 pp. 15-16

15. Hayes W. Superionic Conductors, Contemp. Phys. 1978 vol. 19 N. 5 PP. 469-486

16. У1. 0'Keeffe M. Sublatice Melting in Ionic Crystals.

17. Kirenkov I.I., Pavlov B.P., Dobrovinski I.E.,

18. Oleinik B.N. Yurinova A.I. New Working Standart of the Temperature Unit. Meas. Tech. (USA) 1981 pp. 21-244Д/ Birgukov S.7. Device for Automatic Melting Point

19. Determination for Crystaline Substances. Instrum. and Exp. Tech (USA) 1981 pp. 1088-91

20. Baveja K.D., Ram Krishan. Freezing Points, of Pure Tin and Zinc as Defining Temperature standarts. Ind. J. Pure and Appl. Phys. 1983 vol. 21 N. 5 pp. 289-292

21. Artbaaer J., 5edovi2 J., Adamec V. Izolanty a izol^cie. Bratislava, Alfa 1969, 620 s.

22. Харитонов E.B. Диэлектрические материалы с неоднородной структурой. Ш. : Радио и связь, 1983 126 с.

23. Бочкарев Б.А., Бочкарева В.А. Кермгетные пленки. Л.:: Энергия 1975. 152 с.

24. Думнев Г.Е. Коэффициенты переноса в неоднородных средах. Л.:. ЛИТМО, 1979. 6!4i с.

25. Духин С.С.,, Шилов В.Е. Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах. Киев.; Наукова думка,. 1972. - 207 с.

26. Дульнев Г.Н. Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. . Л.: Энергия, 1974. -264 с.1. J 1С!

27. С62. Poljak F. Dielektrika. Bratislava, Alfa 1984

28. Joffe A.F. Physics of Crystals, New York Mc Graw Hill 1928

29. MacDonald J.R. Theory of space-charge Polarization and Electrode-discharge effects, J.Chem. Phys. 58, 1973, s. 4982-5001

30. MacDonald J.R. Electrical Response of Materials Containing Space Charge with Discharge of the Electrodes, J. Chem. Phys. 54, 1971, s. 202 6-2050

31. MacDonald J.R.: Static Space Charge and Capacitance for Two-Blocking Electrodes, J. Chem. Phys. 30, 1959, pp. 806-816

32. MacDonald J.R.: Capacitance and Conductance Effects in Photoconducting Alkali Halide Crystals, J. Chem. Phys. 23, 1955, pp. 275-295

33. MacDonald J.R.: St8tic Space-Charge Effects in the Diffuse Double Layer, J. Chem. Phys. 22, 1954, pp. 1317-1322

34. L£nyi, Polarization in ionic Crystals with incompletely blocking electrodes., J. Phys. Chem. Solids, 36, 1975, PP. 775-781

35. MacDonald J.R., Jacobs P.W.M. Some Aspects of polarization in ionic crystals with electrode reactions. J. Phys. Chem. Solids, 37, 1976, pp. 1117-1123.

36. Chang, H., Jaffe G. Polarization in Slectrolytis

37. Solutions. Part I Theory., J. Chem. Phys., 20, 1952, s. 1071 1077

38. Lehovec K.: Space-Charge Layer and Distribution of Lattice Defects at the Surface of Ionic Crystals., J. Chem. Phys., 21, 1953, s. 1123-1128

39. Установка для синтеза и исследование высокотемпературных материалов. Научные приборы 1974, Но 5 с. 71-74. Клинчиков С.А.,Кустов Е.Ф.

40. Клинчиков С.А.Измерение электропроводимости расплавов и окислов и окисных соединений. — Тр./ Моск.энерг. ин-т., 1980 вип. 468 с. 3,9-42.1.vestigation of the Diagram on Composition and Properties of High-temperature Melts for Y2°3 x Klinchikov