Введение. Задачи курса «введение в физическое материаловедение»

Разработка материалов с заданными свойствами требует ясного понимания того, от каких факторов зависят эти свойства и как, и в какой мере, ими можно управлять.

Свойства материалов зависят от очень многих факторов и определяются, прежде всего, характером химической связи; фазовым состоянием материалов; типом, концентрацией и характером примесей. Очень сильное влияние на свойства материалов оказывают дефекты атомной структуры, их взаимодействие между собой и примесями.

Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:

- макроскопический или феноменологический;

- микроскопический или атомистический.

В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.

В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.

В общем случае, для получения материалов с заданными свойствами необходимо обеспечить выполнение следующей логической последовательности:

Технология → атомная структура → (энергетический спектр) → физико-химические свойства → технология

Объектом изучения в материаловедении являются очищенные до высокой степени монокристаллы полупроводников, не встречающиеся в природе, то есть обработанные материалы.

К теоретическим основам физического материаловедения относятся:

-периодический закон Менделеева,

-законы термодинамики,

-теория химической связи,

-зонная теория твердых тел,

-положение о роли ближнего порядка в расположении атомов в формировании свойств полупроводников и диэлектриков (сформулировано впервые А.Ф, Иоффе).

Материаловедение возникло в середине 19-го века. Ведущие ученые, положившие начало металловедению – это Аносов (1797-1831 г.г.) и Чернов (1839-1921 г.г.).

Материаловедение полупроводников начало формироваться в 30-е и 40-е г.г. 20-го века под началом академика А.Ф.Иоффе.

В 20-е г.г. в США были открыты сегнетоэлектрические свойства у сегнетовой соли.

В 1944 г. в СССР академик Вул совершил открытие сегнетоэлектрических свойств у титаната бария (BaTi).

1948 – 1949 г.г. в США Бардин, Шокли и Брайтейн – создали первый транзистор.

В начале 40-х г.г. в США был запущен первый атомный реактор.

1950 г. – Тилл и Литл получили первый монокристалл германия приборной чиcтоты.

1958 год в CША и СССР отмечен получением бездислокационного кремния.

1955 – 1960 г.г. – развитие космической техники, которое потребовало создание новых материалов.

1960-е г.г. – СССР – создание первого твердотельного лазерного генератора на арсениде галлия (GaAs) (Басов, Наследов, Рывкин).

1950-е г.г. СССР – открытие халькогенидных стеклообразных полупроводников – ХСП (Коломиец, Горюнова).

1975 – США – впервые были получены пленки аморфного кремния (а-Si) и позднее пленки аморфного гидрогенизированного кремния (а-Si:Н), (Спир, Ле Комбер).

1960-1970 г.г. – создание теории и технологии гетероструктур. (Ж.И. Алферов)

1970-е г.г. – создание СБИС – сверхбольших интегральных микросхем.

1980-е г.г. – создание сверхрешеток (суперрешеток).

1990-е г.г. – открытие квантово-размерных эффектов в твердом теле, что послужило началом создания лазеров на квантовых ямах и квантовых точках.

В настоящее время проводятся интенсивные исследования новых материалов и разрабатываются новые технологии и приборы: композиты, полимеры, аморфные металлы; порошковая металлургия, радиационная технология, высокотемпературная сверхпроводимость; конструкционные материалы; фуллерены, нанотрубки, нанопроволоки; разрабатываются приборы на наноматериалах. На рисунке 1.1. представлено положение материаловедения в общей структуре наук.

Рисунок 1.1. – Положение материаловедения в общей структуре наук

Основными задачами курса «Введение в физическое материаловедение» являются установление зависимости между составом, строением и свойствами материалов, изучение термической, химико-термической обработки и других способов упрочнения, формирование знаний о свойствах основных разновидностей материалов и области их применения.