MALZEMENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ DERS NOTU

MALZEMENİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ DERS NOTU Malzemelerin Elektriksel Özellikleri Hazırlayan Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR 2014

Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır. Bu özellikler çoğunlukla, atomik yapı(elektronik yapı, bandlar), atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ile belirlenir. Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlar arasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. Bunun yanında, ferromanyetik davranış, yayınma ve saydamlık gibi özellikler de atomik yapıya bağlıdır. Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun mesafeli diziliş düzenini değiştirmekle ve de atomik dizilmede yabancı atomları katmakla ve kontrol etmekle önemli ölçüde değiştirilebilmektedir. Metal işleme tekniklerinin, metallerin elektrik iletkenliği üzerine büyük etkisi bulunmaktadır. Atom gruplarının elektronik yapıları incelenerek, elektriksel özellikleri saptanmakta ve buna bağlı olarak elektrik ve elektronik malzemeler seçilebilmektedir. Benzer biçimde, bir malzemenin elektrik alanına ya da manyetik alana tepkisi saptanarak manyetik malzeme seçimi yapılabilmektedir.

Bugün elektronik malzemeler denilince akla ilk gelenler elektronik seramik malzemeler olmaktadır. Bu konuda elektriksel özellikler temel rol oynamaktadır. Elektronik seramikler, ileri teknoloji malzemelerinin en fazla uygulama alanı bulan grubunu oluşturmaktadır. Bu amaçla seramikler kullanılmaktadır. 1985 yılında üretilen ileri seramiklerin % 90 ından fazlasını elektronik seramikler oluşturmaktadır. Elektronik seramikler en çok, entegre devrelerin bir araya getirildiği taban(substrate) malzemesi olarak tercih edilmektedir. Bu amaçla kullanılacak malzemelerde ohm yasası, band teorisi gibi temel konuların çok iyi anlaşılması gerekmektedir. Bu amaçla kullanılacak malzemelerin çok saf olması ve bunların çok iyi bir şekilde homojen karıştırılmaları gerekmektedir. Ayrıca, özellikle çok ince ve ufak parçaların üretimi için gelişmiş şekillendirme yöntemlerine gerek vardır. Bileşimin yanı sıra, kristal yapısının, tane sınırlarının, boşluk miktarının ve yüzey yapısının çok iyi denetlenmesi gerekmektedir. Tabloda belli başlı yapılar ve kullanım alanları gösterilmektedir.

MALZEMELERİN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ Pek çok uygulamada malzemelerin elektriksel davranışı mekanik davranışlarından daha önemlidir. Uzun mesafelere akım ileten metal tel, ısınma sonucu oluşan güç kaybını azaltmak için yüksek bir elektrik iletkenliğe sahip olmalıdır. Seramik yalıtkanlar, iletekenler arasındaki arkı önlemelidir. Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve kullanmak elektrik iletkenliği gibi özelliklerin, nasıl üretildiğinin ve denetlendiğinin anlaşılmasını gerektirir. Ayrıca, elektriksel davranışın, malzeme yapısından, malzemenin işlenişinden ve malzemenin maruz kaldığı çevreden etkilendiği bilinmelidir. Bu nedenle malzemelerin atomik yapı ve eletronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel elektrik yasalarının hatırlanması gerekmektedir. Tabloda bazı element gruplarının elektronik yapıları ve elektriksel özellikleri gösterilmektedir.

Malzemeler içindeki elektrik iletimi, uygulanan bir elektriksel alanın etkisiyle malzeme içindeki yük taşıyıcıların hareketleri ile oluşur. Elektronlar, Elektron boşlukları Anyon (-) ve Katyonlar (+) başlıca yük taşıyıcılardır. Metallerde elektrik iletimi Metalik katılarda atomlar kristal yapıda (YMK, HMK, SDH) dizilir ve birbirlerine en dış değerlik elektronlarının oluşturduğu metalik bağla bağlanır. Katı metallerdeki bağda elektronlar belirli bir atoma bağlı olmayıp birçok atom tarafından paylaşıldığından, metalik bağda değerlik elektronları serbestçe hareket eder. Bazı durumlarda elektronların bir elektron bulutu oluşturduğu, bazı durumlarda ise elektronların kendi başlarına serbest elektronlar olduğu, herhangi bir atoma bağlı olmadığı varsayılır. Geleneksel modelde, malzemede yük taşıyıcı sayısı denetlenerek elektriksel iletkenlik denetlenebilmektedir. Elektronlar (dış değerlik elektronları), iletkenlerde, yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda yük taşıyıcılardır. İyonik bileşiklerde ise, yükü iyon taşır. Hareketlilik, atomik bağa, kafes düzensizliklerine, mikroyapıya ve iyonik bileşiklerde difüzyon hızına bağlıdır.

Oda sıcaklığında artı yüklü iyonları kafes üzerindeki yerlerinde titreştiren kinetik enerjiye sahiptir. Sıcaklık arttıkça iyonların titreşme genlikleri artar ve iyonlarla değerlik elektronları arasında sürekli bir enerji değişimi vardır. Bir elektrik potansiyelinin yokluğunda, değerlik elektronlarının hareketi rastgele ve sınırlıdır, dolayısıyla, herhangi bir yönde net elektron akışı ve elektrik akımı yoktur. Bir elektrik potansiyelinin uygulanması halinde elektronlar, uygulanan alanla orantılı fakat zıt yönde bir sürüklenme hızı kazanır. Malzemelerin elektriksel özellikleri, elektron yapıları ve elektron hareketleri ile ilgilidir. Elektronların; elektriksel alan manyetik alan elektro-manyetik radyasyon sıcaklık etkisinde davranışları elektriksel özellikleri oluşturur. Bu etkileşimde en önemli etken valans elektronlarıdır. Elektronların dış alanlarla etkileşimi sonucu doğan olaylar : 1. Elektriksel İletkenlik 2. Elektriksel Kutuplaşma 3. Manyetiklik 4. Elektro-manyetik radyasyon olarak sıralanabilir.

İletkenlik: Elektriksel alanın oluşturduğu Coloumb kuvvetleri etkisinde elektronların veya yayınan iyonların malzeme içinde uzak mesafeli hareketleri elektriksel iletkenliği sağlar. Bu özelliğe sahip malzemelere iletken malzemeler denir. Elektriksel Kutuplaşma : İletken olmayan bazı malzemelere elektriksel alan uygulandığında elektronlar ve iyonlar yer değiştirir. Bunun sonucu bazı elektriksel kutup çiftleri oluşur. Elektriksel kutuplaşmaya sahip bazı malzemelerin elektriksel alan etkisinde boyutları değişir veya kuvvet uygulandığında elektriksel alan doğar. Piezoelektrik denen bu etkiden yararlanılarak elektromekanik dönüştürücüler geliştirilmiştir. Bu tür özelliğe sahip malzemeler titreşim ölçmede, mikrofonlarda, ses aygıtlarında ve benzer alanlarda kullanılırlar. Manyetiklik: Kendi eksenleri etrafında dönen elektronlar manyetik kutba sahiptirler. Dolmamış valans altı enerji düzeyine sahip atomlarda manyetik kutup çifti vardır. Bazı malzemelerde bu manyetik kutuplar dış manyetik alan etkisinde yönlendirilerek net manyetiklik sağlanabilir. Bu özelliğe sahip manyetik malzemeler sürekli mıknatıs, elektromıknatıs, elektrik motoru, jeneratör gibi birçok aygıtlarda kullanılırlar. Elektro-Manyetik Radyasyon: Elektromanyetik dalgalar eşzamanlı değişken elektriksel ve manyetik alan niteliğinde olduklarından, malzemelerde elektronlarla ve elektriksel kutuplarla etkileşirler. Bu etkileşme sonucu yansıma, emilme, kırılma, renklenme, fotoiletkenlik, lüminesans olayları ve lazer ışınları oluşur. Ayrıca ısıl enerji de elektronların kinetik enerjilerini arttırarak kütle içinde hareket etmelerini dolayısıyla elektriksel yük ve ısı iletimi sağlar. Bu etkileşimler sonucu gözlenen elektriksel özellikler: İletkenlik, Yarıiletkenlik, Yalıtkanlık, Manyetik, Optik, Isıl özellikler

İyonik bağlı malzemelerde taşınma difüzyon ile gerçekleşir. Bu tür iletkenlik genellikle sıvı eriyiklerde görülür. Elektriksel İletkenlik Elektriksel alanın oluşturduğu Coloumb kuvvetleri etkisinde elektronların veya yayınan iyonların malzeme içinde uzak mesafeli hareketleri elektriksel iletkenliği sağlar. Bu özelliğe sahip malzemelere iletken malzemeler denir. Özellikle çok sayıda serbest elektron içeren saf metallerin iletkenlikleri çok yüksektir. İyonik ve kovalent bağ yapısına sahip malzemelerde serbest elektron bulunmadığından normal olarak yalıtkan sayılırlar. Ancak bazılarına yeterli elektriksel alan veya yüksek sıcaklık uygulanırsa yeterli sayıda elektron aktive edilerek serbest hale geçirilir ve iletkenlik sağlanabilir. Bu tür malzemelere yarı iletken malzemeler denir. e gibi taşıyıcılar atomlar veya hataların arasından düzensiz olarak yol alırlar Metalik bağdaki valans elektronlar kolay hareket ederler Yarı iletken ve yalıtkanlarda elektronların hareket edebilmeleri için kovalent bağın kopması gerekir.

Ohm yasası elektriksel iletkenlik Bir bakır telin uçlarına bir pil bağlandığında, R direncindeki telden, uygulanan V potansiyeline bağlı olarak, bir I akımı geçecektir. Elektriksel iletkenlik, ohm yasasından yola çıkılarak saptanabilir. Boyu L(m) ve kesiti A(m 2 ) olan bir iletkende V (volt) gerilimi etkisinde geçen I akımı (amper) gerilimle orantılıdır ve orantı katsayısı iletkenin R direncidir.

Direnç malzeme özelliğine, yani elektrik özdirencine, bağlıdır. İletkenin direnci (R), iletkenin L boyu ile doğru, A kesiti ile ters orantılıdır. Burada; l = iletkenin boyu (m); A = iletkenin kesit alanı (m 2 ) ; ρ = iletkenin özdirenci (ohm.m) σ = 1/ρ = öz iletkenlik (ohm.m) -1 Elektrik iletkenliğinin birimi (ohm-metre ) -1 = (Ω.m) -1 dir. SI birimiyle ohm un tersi siemens tir. Saf altın, gümüş ve bakır en iyi iletken, 10 7 (Ω.m) -1, metallerdir. Buna karşın polietilen, polistiren gibi elektrik yalıtkanları 10-14 (Ω.m) -1 civarında çok düşük bir iletkenlik gösterirler. Silisyum ve germanyum, metaller ve yalıtkanlar arasında bir iletkenlik gösterdiklerinden yarı iletkenler diye adlandırılırlar.

(Bazı kitaplarda ξ yerine E kullanılmaktadır)

Metallerde valans elektronlar kütle içinde rastgele serbest hareket halindedir. Bu hareketler duran dalga türündendir. Normal halde dış etki yoksa herhangi bir yöne giden ortalama yük ile ters yöne giden ortalama yük eşittir, dolayısıyla toplamı sıfırdır. Yön değiştiren elektron dalgası, alan etkisinde tekrar hızlanır ve bu şekilde her engelde sürekli yön değiştirerek yoluna devam eder. Bir elektron dalgasının saptırılmadan alabileceği ortalama yola ortalama serbest yol denir. Ortalama serbest yolu azaltan ısıl titreşimler, yabancı atomlar ve iç yapı kusurlardır. Bunlar direnci arttırıcı iletkenliği azaltıcı yönde etkirler. Eğer E=V/L (V/m) elektriksel alan uygulanırsa eksi kutba doğru hareket etmekte olan elektronlar yavaşlar, artı kutba doğru gitmekte olanlar hızlanır, bunun sonucu net bir akım oluşur. Metallerde Elektron Hareketi Elektriksel alan etkisinde yayılan elektron dalgalarının hızı sürekli artar ve momentum kazanırlar. Ancak dalga bir atoma veya bir engele çarparsa yön değiştirir, hızı düşer ve kinetik enerji azalır. Çarpma sonucu atomun titreşimi artar, aldığı enerjiyi ısı enerjisine dönüştürerek kütle içine yayar, dolayısıyla iletken ısınır ve buna joule kaybı denir.

Metallerde Elektriksel Dirence Etkiyen Etmenler 1. Sıcaklık Elektron dalgalarının serbest hareketi için en ideal ortam, ısıl titreşimlerin bulunmadığı 0 K de kusursuz kristallerdir. Elektron dalgaları böyle bir ortamda elektriksel alan etkisinde, kafes aralarından hiçbir engele rastlamadan sürekli hızlanarak yollarına devam ederler, direnç sıfıra yaklaşır ve büyük ölçüde akım geçer. Ancak sıcaklık yükseldiği zaman atomlar denge konumunda sürekli titreşim yaparlar ve titreşimlerin genliği sıcaklıkla artar. Bu durumda elektron dalgalarına çarpma olasılığı artar, ortalama serbest hareket yolu kısalır, direnç artar. Özgül direncin sıcaklıkla değişimi

2. Yabancı Atomlar Kristal kafes yapıda ana atomların yanında değişik büyüklükteki yabancı atomlar (alaşım elemanları) düzeni bozar, elektron dalgaları ile çarpışma olasılığı artar ve ortalama serbest yol kısalır, dolayısı ile direnç artar. Cu-Ni alaşımlarında özgül direncin bileşimle değişimi 3.Kristal Yapı Hataları Kafes yapıda kusur yoğunluğu artarsa elektron dalgalarının saptırma olasılığı artar, ortalama serbest yol kısalır ve direnç yükselir. Bu kusurlar; boş kafes köşeleri, yer değiştirmiş atomlar, dislokasyonlar ve tane sınırları olabilir. Ayrıca plastik şekil değiştirme dislokasyon yoğunluğunu ve distorsiyonları arttıracağından ortalama serbest yol azalır, dolayısıyla direnç büyür. Özdirencin plastik şekil değiştirme ile değişimi

Süperiletkenlik : Süper iletkenlik, bazı malzemelerin hiç bir direnç göstermeksizin elektrik akımını iletmesine verilen addır. çok küçük direnç mi yoksa sıfır direnç mi? Süper iletkenler Sıfır Dirence sahiptir. Bazı metallerle metaller arası bileşiklerde direnç çok düşük sıcaklıklarda azalmakta ve belirli bir Tc kritik sıcaklığında aniden sıfır olmaktadır. Bu tür malzemelere süper iletken denir. Bu kritik sıcaklık; Hg için 4 K, Pb için 7,2 K, NB 2 Ge için 21 K Bazı iletkenlerde, malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini kaybederler ve direnç sıfıra yakın değerlerde olur. Bu durumda herhangi bir gerilim uygulanmadan ve enerji kaybetmeden bir akım oluşturmak mümkün olabilir. Süperiletkenliğin sıcaklığa ve manyetik alana bağlılığı

Manyetik alan normal iletken malzemelere nüfuz ederler. Süper iletkenler manyetik bir alana maruz kalırlarsa Meissner etkisi gösterirler. Şayet süper iletken malzeme manyetik bir alan içinde ise manyetik akı malzemeye nüfuz edemeyecektir ve manyetik alan süper iletken malzemeyi itecektir

Izole bir atomda elektronlar iyi tanımlanmış enerji seviyelerinde bulunur. Atomlar katı oluşturmak için bir araya geldiğinde, Coulomb kuvvetleri nedeniyle, valans elektronlar birbirleriyle ve çekirdek ile etkileşir, Buna ek olarak, iki özel kuantum mekanik etki meydana gelir: 1. Heisenberg'in belirsizlik ilkesince, elektronlar küçük bir hacme sıkıştırılarak enerjileri yükselir. 2. Pauli ilkesi nedeniyle, aynı enerjiye sahip elektron sayısı sınırlıdır. Bu etkilerin bir sonucu olarak, geniş bir elektron enerjisi bantları oluşur. Bantlar, boşluklar ile ayrılmıştır.

Sodyum elementinin bant yapısı. 3s grubu sodyum için iletim bandıdır.

Enerji Bantları Elektron çekirdekten ne kadar uzakta ise, enerji durumu da o kadar yüksektir ve ana atomdan ayrılmış olan bir elektron atomik yapıdaki herhangi bir elektrondan daha yüksek bir enerji durumuna sahiptir. Herhangi bir yolla elektronlara sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa ana yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Böylece bir elektronun enerji seviyesi değişmiş olur. Her yörünge kendi alt yörüngelerine sahiptir. Kısacası, bir atomda çok sayıda ayrılmış, fakat birbirine yakın yerleşmiş enerji seviyeleri mevcuttur ve bunlar enerji bandı olarak isimlendirilir. Valans banttaki bir elektron çeşitli etkilerle bulunduğu enerji bandından koparılıp serbest hale gelirse, elektronun bu anda bulunduğu banda iletim bandı denir. Valans bandı ile iletim bandı arasındaki yasak band elektronların alabileceği bir enerji seviyesine sahip değildir.

Enerji-band diyagramları (a) Yalıtkan (b) Yarıiletken (c) İletken Şekil a`da görüldüğü gibi yalıtkan madde bir elmas kristalinde, içinde elektronlarında olabileceği enerji seviyeleri bulunmayan yasak bölgenin genişliği Eg = 6 ev kadardır. Bu geniş yasak bant, dolu valans bandını boş iletim bandından ayırır. Böyle bir yapıda elektrona dışarıdan uygulanacak bir etki ile sağlanacak enerji, bu elektronu, dolu valans bandından boş iletim bandına geçirmeye yetmez. Elektron dışarıdan uygulanan bir etki ile gerekli enerjiyi kazanamayacağı için iletim imkansızdır.

0 K veya mutlak sıfırda, yarıiletken maddelerin tüm serbest elektronları valans bandında bulunurlar. Ancak oda sıcaklığında (300 K=25 C) çok sayıda elektronun iletim bandına geçmesine yetecek enerjiyi (yani silisyumda Eg=1,1 ev`luk, germanyumda Eg=0,67 ev`luk yasak bant enerji aralığını atlamaya yetecek enerjiyi) aldıkları görülebilir (Şekil b). Şekil c`de görüldüğü gibi iletkenlerde valans bandı iletim bandı ile iç içedir. İkisi arasında yasak bant yoktur. Diğer bir deyişle, valans banttaki elektronlar çok küçük bir etki ile daha yüksek enerji seviyelerine geçebilirler. Malzemeler valans enerji bandlarının yapısına göre iletkenlik yönünden 3 sınıfa ayrılırlar: a)iletkenler, valans enerji bandlarıkısmen dolu, b)yarıiletkenler, Valans enerji banları tam dolu, enerji aralığı Ea 4 ev, c)yalıtkanlar, valans enerji bandları tam dolu, enerji aralığı Ea 4eV.

Kaynaklar: W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt: K. Genel, 2013 D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M. Erdoğan, W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001.