Malzemelerin Elektriksel ve Manyetik Özellikleri Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl ve elastik özelliklerle tanımlanır. Bu özellikler çoğunlukla, atomik yapı (elektronik yapı, lar), atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ile belirlenir. Atomik yapıda, iletken ve valans lar, elektronlar arasındaki geçişleri belirleyerek, malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. 3 Bölüm Çıktıları Elektriksel iletkenlik nasıldır, direnç nasıl karakterize edilir? İletken, yalıtkan ve yarıiletkenlerdeki fark nedir? Metaller için mükemmellik, sıcaklık ve deformasyon iletimi nasıl etkiler? Yarı iletkenler için safsızlıklar ve sıcaklık iletkenliği nasıl etkiler? 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. Elektrik alana tepki dielektrik özellikler ve değerler yardımıyla saptanmaktadır. Dielektrik malzemelerin diğer özelliklerini kutuplaşma, piezoelektrik ve ferroelektrik özellikler belirlemektedir. 2 4 1
Ohm Kanunu: voltaj (volt = J/C) C = Coulomb Elektrik İletimi V = I R akım (A = C/s) İletkenlik, s özdirencin tersi iletkenliktir 1 direnç (Ohms) Özdirenç, r: -- bir maddenin geometrisine bağlı olmayan ve onun bir özelliği RA ρ maddenin akıma dik yöndeki kesit alanıdır R direncinin voltaj uygulanan uçları arasındaki uzaklık Diğer bir tanımlama J = s J akım yoğunluğu Tanımlama <= Ohm Kanununun diğer ifadesi elektrik alan potansiyeli = V/ J = s (V/ ) akim yüzey alanı Elektron akışı iletkenlik voltaj gradienti I A s = n e m e v d e 5 7 Elekriksel Özellikler Hangisi daha büyük dirence sahiptir? r=1,1 S1=0,2 mm 2 R1 550ohm S 1 S2=0,1 mm 2 R2 1100ohm S 2 Direnç örneğin geometri ve boyutuna bağlıdır. Bu sonuç bize gösteriyor ki kesit ile direnç değeri arasında ters orantı vardır. Boyu ve cinsi değişmeyen bir iletkenin kesiti artarsa direnç değeri azalır (R1), kesit azalırsa direnç değeri artar (R2). 6 İletkenlik: Kıyaslama Oda sıcaklığındaki değerler(ohm-m) -1 = ( - m) -1 METAL iletken Silver 6.8 x 10 7 Copper 6.0 x 10 7 Iron 1.0 x 10 7 YARIİLETKEN Silicon 4 x 10-4 Germanium 2 x 10 0 GaAs 10-6 yarıiletken Selected values from Tables 12.1, 12.3, and 12.4, Callister & Rethwisch 3e. SERAMİK -10 Soda-lime glass 10-10 -11 Concrete 10-9 Aluminum oxide <10-13 POLİMER Polystyrene <10-14 Polyethylene 10-15 -10-17 yalıtkan 8 2
Örnek: İletkenlik problemi Elektron Enerji Band Yapıları V < 1.5 V olmasını sağlayan çubuğun minimum çapı nedir? Cu wire 100 m - I = 2.5 A + V 2 D 4 Çözümden 100 m V R As I D > 1.87 mm < 1.5 V 2.5 A 6.07 x 10 7 (Ohm-m) -1 Adapted from Fig. 12.2, Callister & Rethwisch 3e. 9 11 Elektron Enerji Band Yapıları Eş atomlar birbirlerini etkilemeyecek kadar uzak mesafelerde ise, elektronik enerji düzeylerinin birbirlerinin aynısı olacağını biliyorsunuzdur. Bu atomlar birbirlerine yaklaştırıldıklarında etkileşmeye başlarlar. Yani, atomlardaki elektronların yerleşmeleri için kullanılan Pauli dışarlama ilkesi etkisini göstermeye başlar. Bu ilkeye göre nasıl bir atomda aynı kuantum sayılarına sahip iki elektron bulunamaz ise, katı içindeki elektronlardan da aynı kuantum sayılarına sahip iki elektron bulunamaz. Dolayısıyla, atomlar birbirlerine yeteri kadar yaklaştıklarında anılan ilkeye göre atomik enerji düzeylerinde farklılıklar yani yarılmalar meydana gelecektir. Bu durum 1s ve 2s seviyesi için şekilde gösterilmiştir. Adapted from Fig. 12.3, Callister & Rethwisch 3e. Band Yapı Gösterimi 10 12 3
Enerji Band Yapıları: Yalıtkanlar & Yarıiletkenler Yalıtkanlar: -- geniş bölgesi (> 2 ev) -- birkaç elektron karşı bölgesine geçer Energy empty conduction GAP Yarıiletkenler: -- dar bölgesi (< 2 ev) -- birçok elektron bölgesine geçer Energy? empty conduction GAP Değerlik ı (Valence ) elektronların bulunduğu en yüksek dır (0 K) İletkenlik ı (Conduction ) elektrik alan uygulandığında ile en yüksek enerji seviyeleri arasında hareket ederek enerjilerini artıran elekronların bulunduğu kısmen dolu veya boş enerji ı states valence states valence 13 15 İletim & Elektron Taşınımı Metaller (İletkenler): -- metaller için boş enerji ı dolu ıyla bitişiktir. -- Metallerin valans bantlarının hemen hemen yarısı boş olduğundan ve metal atomlarının her birinden 1 elektron serbest bulunduğundan dolayı elektron yoğunluğu n (bakır için 8,5 x 1028 m-3) çok büyüktür Kısmen dolu Üstüste geçmiş Energy Energy empty GAP empty partly states states 14 16 4
Metaller: Özdirenç üzerine sıcaklık ve safsızlıkların etkisi Safsızlıkların bulunması özdirenci artırır -- tane sınırları -- dislokasyonlar -- safsızlık atomları -- boşluklar Bunlar elektronların saçılmasına neden olur Özdirenç artar: -- sıcaklık -- wt% safsızlık -- %bileşim r= r thermal + r impurity + r deformation 17 19 İletkenliğin tahmin edilmesi 125 MPa akma dayanımına sahip Cu-Ni alaşımının elektriksel iletkenliğini bulunuz. Yield strength (MPa) 180 160 140 125 120 100 80 21 wt% Ni 60 0 10 20 30 40 50 wt% Ni, (Concentration C) Adapted from Fig. 8.16(b), Callister & Rethwisch 3e. Birinci aşama: C Ni = 21 wt% Ni Resistivity, r Adapted from Fig. 12.9, Callister & Rethwisch 3e. 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 wt% Ni, (Concentration C) 8 r 30 x 10 Ohm m 1 6 1 s 3.3 x 10 (Ohm m) r (10-8 Ohm-m) 18 20 5
Yarı İletkenler Yarıiletkenlerin en önemli özelliği, onların bir yasak enerji aralığına sahip olması ve içlerine katılan uygun atomlarla ve miktarlarla elektriksel iletkenliklerinin önemli ölçüde değiştirilebilmesidir. Katkılı Yarı iletkenler n-tipi yarı iletken Silisyum kristalindeki bir Si atomu nun yerine Periyodik Tablodaki V. grup elementlerinden fosfor (P) atomunu koyduğumuzda, fosforun, beş dış kabuk elektronundan dördü kovalant bağda kullanılır ve beşinci elektron çok küçük bir enerjiyle (0,04 ev) fosfora bağlı kalır 21 23 Katkılı Yarı iletkenler n-tipi yarı iletken Silisyum kristali, Si atomlarının birbiriyle kovalant bağ (elektronların ortaklaşa kullanılması ve her Si-Si bağında zıt spinli iki elektron olması) yaparak, her Si atomunun dört komşusu olacak şekilde oluşur. Bu elektron bu kadar enerjiyi ortamdan temin ettiğinde iletim ına geçer. Bu enerjinin, silisyumun yasak enerji aralığı olan 1,1 ev a göre kıyaslandığında ne kadar küçük olduğunu görüyorsunuz. Fosforun bu şekilde beşinci elektronunu vermesi sonucu iletim ında elektron artışı olacak, valans bantta ise hol artışı olmayacaktır. 22 24 6
Bu şekilde fosfor katkılamak suretiyle yarıiletkendeki elektron yoğunluğu hol yoğunluğuna göre daha büyük olmaktadır. Bu tür yarıiletkenlere n-tipi yarıiletken denir. Fosfor gibi ortama elektron veren atomlara da donör denir. Katkılı Yarı İletkenler p-tipi yarıiletken Bu eksik elektron valans ından yani Si-Si kovalant bağından bir elektron alınarak doldurulur ve bunun için gerekli enerji oldukça küçüktür (0,04 ev). Boron atomu bu durumda elektron kabul edici anlamında akseptör adını alır 25 27 Katkılı Yarı İletkenler p-tipi yarıiletken Silisyum kristalindeki bir Si atomunun yerine, Periyodik Tablonun üçüncü grup elementlerinden Boron(B) yerleştiğinde, boronun üç dış elektronu olması sonucu, B-Si bağlarından birinde bir boş durum açıkta kalır. Manyetik Özellikler Orbitalde tek elektron varsa buna çiftleşmemiş elektron denir. Çiftleşmemiş elektrona sahip atom veya iyonların bir manyetik alan tarafından çekildiği, zayıfça mıknatıslık gösterdiği deneysel olarak bulunmuştur. Maddelerde görülen manyetik özellikler ; * Paramanyetizma * Diamanyetizma * Ferromanyetizma * Antiferromanyetizma * Ferrimanyetizma 26 28 7
manyetizma Tipi Etkinlik Atomik Magnetik Davranış Örnek Diamanyetizma Küçük Negatif manyetik momente sahip değildir Örnek Paramanyetizma Küçük Pozitif gelişigüzel manyetik momente sahiptir En az bir çiftleşmemiş elektrona sahip Atomlar, moleküller yada iyonlar, paramanyetiktir. Ferromanyetizma Büyük Pozitif Uyg. alanın fonksiyonu Mikroyapıya bağlı paralel sıralı manyetik momente sahiptir Azot atomu, PARAMANYETİKTİR Antiferromanyetizma Ferrimanyetizma Küçük Pozitif Büyük Pozitif Mikroyapıya bağlı karışık paralel ve antiparalel manyetik momente sahiptir antiparalel manyetik momente sahiptir N 1s 2 2s 2 2p 3 1s 2s 2p Chapter 12-29 31 Soru?? Çiftleşmemiş elektronlara sahip maddelerin gösterdiği manyetik alana doğru çekilme özelliğine paramanyetizma denir. Bunun zıddı özellik diamanyetizma dır. Yani bütün elektronları çiftleşmiş maddelerin gösterdiği manyetik alan tarafından itilmesi özelliğine diamanyetizma denir. Paramanyetizma sadece dışarıdan bir manyetik alan uygulandığı zaman görülen bir özelliktir. Birde Kobalt, Nikel, Demir gibi metallerin dışarıdan bir manyetik alan uygulanmadığı halde kendiliğinden manyetik özellik göstermesi özelliği vardır ki, buna da ferromanyetizma denir. Aşağıdakilerden hangisi paramanyetiktir? Na (11) Ca (20) K + (19) O 2- (8) 30 32 8
Örnek : Paramanyetizma Manyetik Tozlar Genellikle manyetik malzemeler, yüksek sıcaklıkta ergimiş malzemenin dökümü veya tozun sinterlenmesiyle üretilen kütle formunda kullanılır. Manyetik tozun tane boyutu çok ince olur ve belirli bir sınır değere ulaşırsa, tozun ferromanyetizması paramanyetizmaya dönüşecektir. Bu sınırlayan boyut, 5-10 nm aralığındadır. 33 35 Manyetik Özellikler Manyetik malzemeler 1930 lu yıllardan beri kullanılmaktadır. Önceleri, demir metal ve γ- Fe2O3 tozları kaydedicilerde manyetik malzeme olarak kullanılmıştır. Video kaydedicileri gibi yoğun bilgi kaydı gereksinimi nedeniyle bu amaca uygun olarak CrO2 ve Co ile modifiye edilmiş γ-fe2o3 partikülleri geliştirilmiştir -Fe 2 O 3, Baryum ferrit, CrO 2, vd ; manyetik kayıt bantlarında Magnetik kayıt bantları 34 36 9
Ba Zn ferrit, Fe 3 O 4, -Fe 2 O 3,vd ; elektronik kopyalama makinalarında, kullanılan tipik manyetik tozlar olup kullanımları gün geçtikçe artmaktadır. Elektronik kopyalama makinesi 37 10