Диэлектрические свойства алмазов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО Якутский государственный университет им. М. К. Аммосова

Физико-технический институт

Кафедра физики твердого тела

Курсовая работа

на тему: Диэлектрические свойства алмазов

Выполнила студентка:

III курса, гр. Ф-06-2

Туприна Анна Кондратьевна

Руководитель:

к.ф.-м.н., доцент

Бочкарев-Иннокентьев Р.Н.

Якутск 2009



Содержание

Введение

1. Общее сведение об алмазах

1.1 История камня

1.2 Физические свойства

1.3 Применение

1.4 Месторождения

2. Общее сведение о диэлектриках

3. Диэлектрические свойства материалов

4. Электрофизические свойства алмаза

4.1 Электропроводность

5. Диэлектрические свойства алмаза

5.1 Алмазная керамика

5.2 Теплопроводность и диэлектрические свойства алмаза

Заключения

Список использованной литературы

Введение

Алмаз является природным уникумом, сочетающую высокую твердость и изностойкость, большую теплопроводность и оптическую прозрачность, высокий показатель преломления и сильная дисперсия, химическая радиационная изностойкость, а также его можно легировать электрически и оптически активными примесями.

Алмаз- минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, “ царской водки “), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой.

Важными эксплуатационными свойствами алмазов можно считать его электрические свойства. Обладая полупроводниковыми свойствами, он может быть использован в качестве материала для электротехнических систем, для приборов контроля, в качестве датчиков в сильных электрических и магнитных полях, для разработки аппарата высокого давления, который обеспечивает сжатие рабочего объема по сфере. Поэтому широко были исследованы его фотоэлектронные свойства,

Индивидуальные особенности диэлектрических параметров отдельных кристаллов синтетического алмаза определяются количественным содержанием дефектов в объеме кристаллов, их природой, структурой, размерами, формой и отражают локальные условия алмазообразования. Очевидно, этим объясняется зависимость диэлектрических свойств алмазов от условий выращивания. Как правило, все исследованные кристаллы алмаза были получены в закалочном режиме охлаждения (~33°С в 1 с) от температуры синтеза. Следовательно, можно полагать, что состав включений и неоднородное распределение компонентов среды кристаллизации в них зафиксированы при закалке.

В то же время нет систематических данных по диэлектрическим свойствам алмаза. алмаз керамика диэлектрик теплопроводность

В этой работе ставится цель ознакомления с имеющейся литературой по данному вопросу, с тем, чтобы определить направление дальнейших работ по диэлектрической проницаемости, общие сведения алмаза, физические свойства которое позволяет узнать внутреннюю структуру и его характеристические данные.

1. Общие сведения об алмазах

Алмаз- это кубическая, полиморфная модификация углерода. При атмосферном давлении и в комнатной температуре, алмаз метастабилен, но может существовать неограниченно долго, непревращаясь в стабильных в этих условиях графит.

Алмаз состоит примерно на 96-99,8% из углерода, 0,2-0,3% составляют примеси химических элементов, таких как азот, кислород, алюминий, бор, кремний, марганец, медь, железо, никель, титан, цинк и другие. Бесцветные алмазы встречаются редко. Чаще всего они имеют какой-либо оттенок. В природе существуют алмазы , ярко окрашенные в желтый, оранжевый, зеленый, синий, голубой , розовый , коричневый, серый и черный цвета.

Алмаз - это, пожалуй, самый популярный, самый драгоценный камень в мире. Бриллиант -- это алмаз в обработанном виде. Обычно он бесцветный или имеет слабые желтые, бурые, серые, зеленые, иногда розовые оттенки, редко -- черные. Существует около 1000 сортов ювелирных алмазов.

Для обозначения цвета бриллианта существует следующая градация, включающая 12 цветов:

ятер -- голубовато-белый;

ривер -- совершенно прозрачный голубовато-белый;

тон висседьтон -- чисто-белый, менее прозрачный;

виссельтон - белый;

топ кристл -- с легким оттенком желтого цвета;

кристл -- с чуть более заметным оттенком желтого;

верп лайт -- с очень небольшим оттенком коричневого цвета;

топ кейп -- слегка желтоватый;

кейп -- желтоватый;

лайт йеллоу -- светло-желтый;

лайт браун -- светло-коричневый;

йеллоу -- желтый.

Блеск алмаза настолько характерен, что так и называется -- алмазный.

Состав. Минерал, кристаллическая полиморфная модификация самородного углерода, по блеску, красоте и твердости превосходящий все минералы.

Алмаз состоит из чистого углерода (до 99,8%), но обычно содержит небольшие примеси различных химических элементов, входящих в кристаллическую структуру или в состав включений других минералов.

Кристаллы алмаза, благодаря своим уникальным физическим свойствам, используются человеком с незапамятных времен. Бриллиант от века и до нынешнего времени был, и остается эталоном материальной ценности.

1.1 История камня

Необыкновенные свойства алмаза породили массу легенд. Способность приносить удачу -- лишь одно из бесчисленных свойств, приписываемых алмазу. Алмаз всегда считался камнем победителей, он был талисманом Юлия Цезаря, Людовика IV и Наполеона. Впервые алмазы попали в Европу в 5-6 веках до нашей эры. При этом свою популярность как драгоценный камень алмаз получил сравнительно недавно, лишь пятьсот с половиной лет назад, когда люди научились гранить его. Первым подобием бриллианта обладал Карл Смелый, просто обожавший алмазы. Сегодня классическая бриллиантовая огранка имеет 57 граней, и обеспечивает знаменитую "игру" бриллианта.

Заблуждение, что алмаз не разбивается, не раз приводило к утере редких камней. Так, в 1476 г. во время междоусобной войны бургундского герцога Карла Смелого с французским королем Людовиком ХI швейцарские наемники, сражавшиеся на стороне короля, ворвались во время одного из сражений в палатку Карла Смелого. Увидев там множество бриллиантов - ограненных алмазов - они решили проверить их подлинность ударами молота. Видя, что бриллианты превращаются в порошок, швейцарцы решили, что эти камни фальшивые.

Вначале алмазы носили военачальники, короли и императоры. В качестве женского украшения алмазы начали использовать лишь с середины XV в. Моду на ношение бриллиантов - ограненных ювелирных алмазов - ввела фаворитка короля Франции Карла VII Агнесса Сорель. С этого времени алмазы стали получать имена.

Алмаз, подвергнутый ювелирной обработке - огранке, шлифовке,называют бриллиантом.

Алмаз обладает уникальными свойствами, высочайшей твердостью, стойкостью к кислотам и другим агрессивным средам. Использование алмаза как материала, способного работать при измерениях различных физических величин в экстремальных условиях предполагает доскональное знание его свойств в самых различных условиях. Использование алмаза как высокотемпературного диэлектрика требует изучения диэлектрических свойств алмаза в широком интервале частот.

1.2 Физические свойства алмаза

а) По шкале относительная твердость алмаза равна 10, абсолютная в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз - корунда, самая высокая как среди природных, так и среди искусственных материалов.

б) Излом раковистый,

в) Плотность чистого алмаза 3,511 г/см3,

г) Блеск сильный, от алмазного до жирного.

д) Высокий показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную "игру" ограненных ювелирных алмазов, называемых бриллиантами.

е) Полупроводник.

Алмаз может быть бесцветным, водяно-прозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.

Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зеленым, розовым и др. цветами.

Алмаз прилипает к некоторым жировым смесям, на этом основан получивший наибольшее распространение жировой способ извлечения алмазов на обогатительных фабриках. На воздухе алмаз сгорает при 850-1000°С, с образованием углекислого газа; в вакууме при температуре свыше 1500°С переходит в графит.

Особенности образования. Предполагается, что алмаз кристаллизуется одним из первых минералов при остывании мантийного силикатного расплава на глубине 150-200 км при давлении 5000 МПа, а затем выносится к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Алмазы встречаются также в глубинных породах эклогитах и некоторых глубокометаморфизованных гранатовых гнейсах. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах, а также в гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза "Куллинан", найденного в 1905 в Южной Африке 3106 кар (0,621кг).

1.3 Применения

Алмаз применяется в промышленности как абразивный материал, а также в ювелирном деле.

Но, без огранки алмаз выглядит не очень привлекательно. Поверхность добытых из земли кристаллов в большинстве случаев бывает шероховатым и покрыта полупрозрачной трещиновато-серой коркой.

Только отполировав и огранив алмаз в бриллиант, человек увидел, что "это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем, он играет всеми цветами радуги, но сам остается прозрачным, словно капля". Так говорил о бриллианте русский писатель А.И. Куприн. Благородные металлы служили либо украшением, либо для магических целей, например в качестве амулетов (оберегов).

Уникальное свойство алмаза - его наивысшая твердость среди всех известных веществ - делает его незаменимым при обработке любых материалов (металлов, камня, керамики, композитов). Современный технический уровень индустриально развитых стран, по крайней мере, на четверть определяется объемом и структурой потребления алмазов в абразивном, режущем и буровом инструменте. По сути дела, технический алмаз является стратегическим материалом для машиностроения и стройиндустрии, геологоразведки и электроники, медицины и, следовательно, определяет развитие топливно-энергетического и аграрно-промышленного комплексов. Конец ХХ века характеризуется все большим потреблением природных и синтетических алмазов в различных отраслях науки и техники для обработки различных материалов.

Доля природных алмазов, применяемых в технике, в настоящее время не превышает 15%. В этой связи производство синтетических алмазов и инструмента из них является одной из важнейших отраслей, определяющей промышленный потенциал государства.

Еще одно интереснейшее применение алмазов - это алмаз в электронике.

Кроме чрезвычайно высокой твердости алмаз обладает и другими уникальными физическими свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью впятеро превышающей теплопроводность серебра и меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, способность легироваться электрически активными примесями. Все это характеризует алмаз как перспективнейший материал для современной электроники.

Тенденция привлечения в электронику новых полупроводников характеризуется переходом к более прочным (т.е. устойчивым к внешним воздействиям) кристаллам, состоящим из более легких атомов.

Такая тенденция не случайна и объясняется тем, что по мере уменьшения атомного номера растет сила межатомных связей и уменьшается межатомное расстояние. Это ведет к росту ширины запрещенной зоны, теплопроводности, механической прочности, температуры Дебая, т.е. к улучшению физических параметров полупроводника, обуславливающих рабочие характеристики приборов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников, то он рассматривается как материал, на котором будет достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.

Природные кристаллы алмаза сугубо индивидуальны по однородности, по набору легирующих примесей и дефектов и их широкое применение в серийной электронике нам представляется проблематичным. Тем не менее, на основе природного алмаза могут быть созданы и уже создаются уникальные приборы.

Синтетические алмазы могут быть нормированы по любым параметрам и получены как в виде монокристаллов, так и в виде эпитаксиальных пленок на алмазных и иных подложках.

1.4 Месторождения

Россия занимает ведущее место в мире, как по разведанным запасам алмазов, так и по их прогнозным ресурсам. Помимо Росси значительные запасы и прогнозные ресурсы алмазов известны в Ботсване, Анголе, Заире, ЮАР, Австралии и Канаде; крупные прогнозные ресурсы алмазов предполагаются в Намибии и России. Разведанные запасы алмазов в мире (без учета России) составляют более 2,0-2,1 млрд.кар, ресурсы- около 4,0-5,0 млрд.кар



2. Общее сведение о диэлектриках

Диэлектрики, вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин «Диэлектрик» (от греч. diб -- через и англ. electric -- электрический) введён М.Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. В любом веществе, помещённом в электрическом поле, составляющие его электрические заряды (электроны, атомные ядра) испытывают силы со стороны этого поля. В результате часть зарядов направленно перемещается, образуя электрический ток. Остальные же заряды перераспределяются так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов смещаются друг относительно друга. В последнем случае говорят о поляризации вещества. В зависимости от того, какой из этих двух процессов -- электропроводность или поляризация -- преобладает, принято деление веществ на изоляторы диэлектрика и проводники (металлы, электролиты, плазма). Электропроводность диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Их удельное сопротивление с_V порядка 10⁶--10¹⁷ Ом·м, а у металлов с_V ~ 10^-8 -- 10^-6 Ом·м. Существует и промежуточный класс -- полупроводники, свойства которых определяются процессами, как электропроводности, так и поляризации.

Количественное различие в электропроводности твёрдых диэлектриках и металлов классическая физика пыталась объяснить тем, что в металлах есть свободные электроны, а в диэлектриках все электроны связаны, т. е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает, а лишь слегка смещает их. Однако такое объяснение неточно. Как показывает современная квантово-механическая теория, твёрдое тело представляет собой как бы гигантскую «молекулу», где каждый электрон принадлежит всему кристаллу в целом. Это в одинаковой степени справедливо и для диэлектрика, и для металлов. Причиной различного поведения электронов в металле и в диэлектрике является различный характер распределения электронов по уровням энергии.

Энергия электронов в твёрдом теле не может иметь произвольного значения. Области энергий, которыми электрон может обладать (разрешённые зоны), чередуются с интервалами энергий, которые электрон не может принимать (запрещённые зоны). Т.к. с одной стороны, электроны стремятся занять уровни с наименьшей энергией, а с другой стороны, в одном состоянии может находиться только один электрон, то электроны заполняют энергетические уровни от нулевой до некоторой максимальной. В диэлектрике верхний заполненный электронами энергетический уровень совпадает с верхней границей одной из разрешённых зон (рис 1). В металлах же верхний заполненный электронами энергетический уровень лежит внутри разрешённой зоны.

Для того чтобы в твёрдом теле под действием электрического поля возник электрический ток (направленное движение электронов), необходимо, чтобы часть электронов могла увеличивать свою энергию под действием поля, т. е. переходить с нижних энергетических уровней на более высокие. В металле такой переход возможен, т.к. к заполненным уровням непосредственно примыкают свободные. В диэлектриках же ближайшие свободные уровни отделены от заполненных запрещённой зоной, которую электроны под действием обычных не слишком сильных электрических полей преодолеть не могут. В диэлектриках действие электрического поля сводится к перераспределению электронной плотности, которое приводит к поляризации диэлектрика. Распределение электронов по уровням энергии в полупроводниках и диэлектриках сходно. Полупроводник отличается от диэлектрика лишь более узкой запрещённой зоной. Поэтому при низких температурах свойства полупроводников и диэлектрика близки, а при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает и становится заметной. Резкой грани между диэлектриками и полупроводниками провести нельзя. Вещества с шириной запрещённой зоны DE < 2--3 эВ относят к полупроводникам, а с DE > 2--3 эВ -- к диэлектрикам.

О твёрдых диэлектриках строения; обычно содержит небольшое количество примесей различных химических элементов; обладает наибольшей твердостью из всех известных в настоящее время веществ; встречается в природе как минерал коренных и россыпных месторождений или получается синтезом из углеродсодержащих веществ.



3. Диэлектрические свойства материалов в основном определяют двумя методами

1.мостовым методом

2.резонансным методом

1.Мостовой метод определения диэлектрических свойств материалов.

При мостовых измерениях построечными элементами С_э и R_э настраивается гальванометр - индикатор моста (U) на ноль (минимум), что свидетельствует о равенстве емкостей и сопротивлений по обеим ветвям, и записываются показания R_х и С_х. По полученным данным можно рассчитать

tg C_x R_x ; = 4 ( t/S ) С_х ,

где t - толщина образца, S- площадь электрода.

На практике чаще используют мосты с автоматической подстройкой, например автоматический цифровой мост переменного тока Р589.

2.Суть резонансного метода состоит в том, что условием резонанса на заданной частоте при заданной индуктивности является определенная резонансная емкость контура С₀

С₀ = С_рез= С₁+ С_d + C_n ,

где: С₁- показание шкалы компенсационной емкости,

С_п - паразитная емкость проводов и держателя,

С_d - емкость конденсатора в вакууме

При изменении одного из емкостей для достижения резонанса это изменение должно быть скомпенсировано.



4. Электрофизические свойства алмаза

4.1 Электропроводность

Кристаллы алмаза в основном являются хорошими диэлектриками. Проводимость кристаллов алмаза, содержащих определенное количество примесей и дефектов структуры, может изменяться в широких пределах. Для беспримесных кристаллов, как следует из теоретического расчета, удельное сопротивление составляет 10¹²Ом*м. В кристаллах со значительным количеством примесей удельное сопротивление может понизиться до 0,1 Ом*м. Примеси и дефекты создают в запрещенной зоне целый «спектр» локальных энергетических состояний. Уровни некоторых из них приведены в табл.1.Наличие этих примесей оказывает, существенное влияние на электрофизические свойства алмаза.

Таблица 1. Уровни энергии внутри запрещенной зоны алмаза, эВ

Элемент	Тип примеси	ЕА	ЕD	н , Гц	л , м
Азот Алюминий Бериллий Бор Литий	Донор Акцептор _ _ Донор	_ 0,37 0,2: 0,35 0,35 - 0,38	4,05; 1,7 _ _ _ 0,29	6,11228E+33 (2,56565E+33) 5,58406E+32 3,01841E+32 (5,28222E+32) 5,28222E+32 5,73498E+32 (4,3767E+32)	4,90E-26 (1,17E-25) 5,37E-25 9,93E-25 (5,68E-25) 5,68E-25 5,23E-25 (6,85E-25)

При температуре 300°К удельное сопротивление с большинства кристаллов природного алмаза составляет 10¹² -- 10¹³ Ом*м.

Электросопротивление алмазов типов I, IIа находится в интервале 10^12…10¹⁸Ом*м. Зависимость электропроводности таких алмазов от температуры при Т > 500°К выражается формулой =₀e^-Е/кТ.

Электросопротивление полупроводниковых природных алмазов, относящихся к типу II b, составляет 10--10¹⁰ Ом*м.

Наиболее распространены следующие методы исследования электропроводности алмаза:

-измерение темпового тока, когда разность потенциалов приложена к образцу между омическими контактами;

-температурная зависимость электропроводности;

-исследование увеличения тока между омическими контактами при облучении алмаза (фотопроводимость).

Из измерений фотопроводимости, а также зависимости сопротивления от температуры для алмаза типа I b было получено значение глубины залегания азотного донора (1,7 эВ ниже зоны проводимости). Порог фотопроводимости при низких энергиях приблизительно равен 2эВ, а термическая энергия активации-- 1,7эВ.

Ионизационная энергия донорного центра 4,05 эВ связывается с агрегатными азотными центрами (см. табл.1). Знак доминирующих носителей тока в полупроводниковых алмазах определяется с помощью эффекта Холла, а в отдельных случаях -- из измерений термо-ЭДС.

Алмазы типа IIb имеют дырочную проводимость (проводимость с-типа). Удельное сопротивление с полупроводникового алмаза можно выразить соотношением

где n_p -- концентрация дырок; -- их подвижность.

Зависимость п_р от температуры имеет следующий вид:



где N_A и N_D -- концентрация акцепторов и доноров соответственно; g-параметр спинового вырождения для акцептора; m_h -- эффективная масса дырок; Е _А -- энергия активации акцепторов.

Концентрация дырок п_с определяется из выражения

п_с = r/Re,

где R -- коэффициент Холла; е -- заряд электрона; величина r обычно выбирается равной 3/8.

Зависимость подвижности от температуры подчиняется закону =КТ ^S, где К -- некоторый коэффициент пропорциональности; s =-3/2 при температурах, не превышающих 400°К при более высоких температурах s = (-2,8) - (-3).

Энергия активации Е_А = 0,35-0,38 эВ, когда акцептором является бор. Эти значения получены для N_A и N_D, соответственно равных 5 * 10¹⁶ и 5 * 10¹⁵ см. Измерения проводились как на природных полупроводниковых алмазах, так и на синтетических полупроводниковых алмазах. Замечена зависимость энергии активации от концентрации центров бора. Уменьшение энергии активации с повышением их концентрации связано с образованием примесной зоны.

Значение энергии активации для донорного центра лития получено ( см. табл.1) на алмазах, подвергавшихся ионной бомбардировке.

Подвижность электронов в алмазе, определенная с помощью эффекта Холла, равна 1800 см²/В·с, а для дырок -- 1500 см²/Вс.

Алмазы типа I имеют максимум фототока в области = 2,25 * 10-⁵ см; кроме того, в отдельных образцах максимум наблюдается также в области = 2,55 * 10-⁵см.

Максимум фототока алмазов типа Iа соответствует интервалу = (2,7 -- 2,8)*10^-5 см (типичные спектры фотопроводимости приведены на рис.3).

Эффективная масса носителей тока определялась методом циклотронного резонанса при температуре 1,2°К.

Эффективные массы легких дырок т* = (0,70 ± 0,01) m₀ при Н = 1,748 Тл, т* = (1,06 ± 0.04) /т₀ при Н = 2,785 Тл.

Для тяжелых дырок т* = 2,12т₀ . Эффективная масса электрона вблизи края зоны проводимости m* 0,2/m₀ . Во всех приведенных выражениях m₀ - масса свободного электрона.

Дырочная проводимость в алмазах типа I с энергией активации, приближенно равной 0,3 эВ, связывалась с дислокациями, которые и дают акцепторные центры.



5. Диэлектрические свойства алмаза

К сожалению, экспрессный способ магнитного контроля дефектности алмазов пондермоторным методом не всегда пригоден для классификации синтетических алмазов по качеству, так как экспериментально установлено, что часть макровключений в объеме кристаллов не проявляет ферромагнитных свойств. Поэтому с точки зрения контроля общей дефектности алмазов наиболее универсальным представляется метод измерения диэлектрических параметров кристаллов в СВЧ диапазоне - метод малых возмущений. Причем применение резонаторов с типом волны Е₀₁₀ наиболее целесообразно при изучении объектов, содержащих ферромагнитные включения, так как при этом упрощается математический аппарат для обработки экспериментальных данных и повышается точность измерений.

Однако резонансные методы обладают некоторыми методическими недостатками и ограничениями, которые сужают область их применения при исследовании диэлектрических свойств порошковых материалов и монокристаллических тел произвольной формы.

Для устранения одного из недостатков, а именно требования полной засыпки измерительной кюветы резонатора порошковым материалом в количестве не более (4-6)10-⁴ кг алмаза, был разработан метод определения диэлектрических параметров небольших (до 210-⁵кг алмаза) навесок исследуемых порошков.

Основу метода составляют экспериментально полученные зависимости диэлектрической проницаемости смеси _изм воздух - твердая фаза от объема смеси V₀ и изменение объемного содержания вещества в навеске от числа частиц в ней :



V₀ =me^gизм+ С

k +k₀ е-^/N-1+1/N k_max ,

где т, n, с - коэффициенты, определяемые опытным путем; k₀ и k _max соответственно коэффициент заполнения при полной загрузке измерительной кюветы по высоте резонатора и его максимальное значение

k_max = l; - размерный коэффициент; N - число частиц твердой фазы в навеске.

Расчет диэлектрической проницаемости порошковых материалов определенной зернистости осуществлялся по формуле Винера. Контрольные измерения диэлектрических параметров единичных кристаллов и порошков алмаза, кварца и фторопласта, проведенные при комнатной температуре на частоте 3360 МГц в полом цилиндрическом резонаторе с типом Е₀₁₀ показали удовлетворительное согласие полученных данных и приведенных в литературе.

Для объяснения экспериментально полученных результатов по изучению зависимости диэлектрической проницаемости е и тангенса угла потерь tg от условий выращивания и термообработки синтетических алмазов привлекались известные положения, развитые в релаксационной теории поляризуемости гетерогенных систем.

1. Диэлектрическая проницаемость неоднородной среды, к которой следует отнести и большинство кристаллов синтетического алмаза, определяется количеством инородных частиц в объеме кристаллов, но зависит и от абсолютного значения вещества включений.

2. Изменения tg подчиняются закономерности: значение тангенса угла потерь агрегата всегда лежит между наибольшими и наименьшими значениями углов потерь, составляющих агрегат компонентов.

Кроме того, следует учесть, что при изменениях в СВЧ диапазона определяются быстро протекающими процессами в них, зависящими в основном от структуры и состава вещества. Поэтому в бездефектных кристаллах алмаза с совершенной структурной диэлектрическая проницаемость и потери обусловлены только электронной составляющей поляризации и явлениями последействия, так как алмаз - типично ковалентный кристалл.

Присутствие в объеме кристаллов металлических, изолированных от внешней по отношению к алмазу среды включений искажает внутрикристаллическое поле, возбуждаемое в алмазе внешним электромагнитным полем резонатора. Причем величина и степень искаженности поля в локальных участках алмазной матрицы, прилегающих к дефектам, обусловлены и эффектами поляризации, связанными со скоплением заряда на границах включений и других структурных неоднородностях. Поэтому в переменном электрическом поле во включениях происходят процессы перераспределения этих зарядов, вызывающие появление дипольных моментов у электропроводящих частиц и их осиляции, совпадающие с частотой приложенного к алмазу внешнего электрического поля. Величина дипольного момента частицы определяется не только размерами и формой, но и электрофизическими свойствами вещества частицы, в частности, электропроводностью. Поэтому такого типа включения на алмазах в первом приближении можно рассматривать как квазиупругие диполи, релаксационные процессы, в которых (отражая степень совершенства структуры частиц) изменяют однородность внутрикристаллического поля в алмазах.

Следовательно, индивидуальные особенности диэлектрических параметров отдельных кристаллов синтетического алмаза определяются количественным содержанием дефектов в объеме кристаллов, их природой, структурой, размерами, формой и отражают локальные условия алмазообразования. Очевидно, этим объясняется зависимость диэлектрических свойств алмазов от условий выращивания. Как правило, все исследованные кристаллы алмаза были получены в закалочном режиме охлаждения (~33°С в 1 с) от температуры синтеза. Следовательно, можно полагать, что состав включений и неоднородное распределение компонентов среды кристаллизации в них зафиксированы при закалке.

На рис.4 представлены результаты исследования зависимости и tg от условий выращивания. Параметры синтеза: температура Т, давление р и продолжительность циклов выращивания t. Из анализа кривых (см. рис.4) следует, что диэлектрическая проницаемость алмазов в большей степени зависит от температуры синтеза и в меньшей от р и t. На tg существенное влияние оказывает давление и сравнительно слабое -- продолжительность процесса синтеза.

Увеличение с повышением температуры синтеза может быть обусловлено увеличением количества или размеров включений в алмазах и возрастанием дипольного момента электропроводящих частиц в них.

Экспериментальные результаты убедительно указывают на второй вариант, так как увеличение количества и размеров электропроводных частиц в изолирующей среде должно сопровождаться увеличением потерь неоднородной системы, но на опыте этого не наблюдается. Поэтому приращение с повышением Т синтеза, очевидно, обусловлено изменением электрофизических параметров включений, определяющих электрический момент квазиупругих диполей. Такое изменение электрофизических свойств, включений в алмазах с ростом Т, возможно, связано с активизацией диффузионных процессов в объеме включений и перераспределением компонентов в них.

С увеличением давления в реакционном объеме, «интенсивность кристаллизации возрастает» и, следовательно, повышается общая дефектность кристаллов, поскольку интенсивность захвата включений растущим алмазом и скорость роста взаимосвязаны. Поэтому наблюдается увеличение tg с ростом р, а , практически не изменяется. Такая зависимость и tg от р позволила полагать, что наряду с увеличением удельной объемной дефектности кристаллов алмаза с повышением давления в зоне кристаллизации возрастает объемная неоднородность включений, вследствие чего в переменном электрическом, поле постоянной частоты их дипольные моменты уменьшаются.

Таким образом, совокупность экспериментальных данных по изучению зависимости диэлектрических свойств синтетического алмаза от условий его выращивания подтверждает правомерность вывода о том, что для получения высококачественных монокристаллов требуется устойчивое поддержание р-Т параметров синтеза в течение всего цикла выращивания.

С точки зрения практических применений синтетического алмаза особый интерес представляет изучение диэлектрических свойств кристаллов в зависимости от условий термообработки, так как позволяет выявить границы термической устойчивости механик и электрофизических свойств алмаза.

В послеростовый период изменения диэлектрических параметров синтетических алмазов при термообработке, очевидно, обусловлены в основном изменением электрофизических свойств, включений и термостойкостью самих кристаллов алмаза.

Экспериментально установлено, что ступенчатый высокотемпературный отжиг (до 1220°К с выдержкой 300°C) специально отобранных высококачественных диэлектрических кристаллов синтетического и природного алмаза практически не влияет на их диэлектрические характеристики. Для большинства же алмазов, синтезированных в системе металл графит, наблюдается широкий максимум для _Т и минимум для tg при отжиге в интервале температур 820--1220°К (рис.5). «Размытость» экстремумов в зависимости от _Т и tg от температуры отжига обусловлена тем, что процесс гомогенизации состава включений при отжиге в больших партиях порошков алмаза, охватывает широкий температурный интервал из-за индивидуальных особенностей формы, размеров и фазового состава включений в отдельных кристаллах. Следует отметить, что именно в этом температурном интервале отжига синтетических алмазов наблюдаются изменения магнитных свойств на кристаллах.

5.1 Алмазная керамика

Свойства алмаза во многих отношениях уникальны. Он обладает максимальной твердостью из всех известных твердых веществ наивысшей из всех диэлектрических материалов теплопроводностью, достигающей 837,4 Вт/(м -°С) при 127°С; температурой плавления выше 3500°С; чрезвычайно высокой химической стойкостью. Алмаз растворяется только в расплавленной селитре и соде. Диэлектрические свойства алмаза приближаются к свойствам высокотемпературной оксидной керамики. Однако большая редкость и соответственно стоимость естественного алмаза исключают его использование в качестве конструкционного материала. Выход из положения был найден, когда была создана технология получения алмазной керамики, заключающаяся в прессовании мелкодисперсного (5--7 мкм) синтетического алмазного порошка под давлением (60-100 кбар) при температуре 1800°С в течение 5 с. Образовавшийся материал сохраняет многие свойства монокристаллического естественного алмаза и, в частности, его высокую теплопроводность. Алмазную керамику используют в качестве диэлектрического высокотемпературного теплопередающего элемента очень высокой эффективности. Отработана технология механически прочного соединения алмазной керамики с различными металлами, исключающая тепловые потери в месте их контакта. В отличие от практически всех диэлектрических материалов тангенс угла диэлектрических потерь у алмазной керамики с повышением частоты уменьшается. Удельное объемное сопротивление с повышением температуры понижается с 1014 Ом-м (при 20°С) до 1010 Ом-м (при 350°С). Ниже приведены некоторые физические свойства теплопроводной алмазной керамики:

Плотность, кг/м3................. 3300

Теплопроводность при 20 °С, Вт/(м -°С) ...... 480--500

Коэффициент термического расширения X 10е, "С"1 3,2

Удельная теплоемкость, Дж/(кг -°С)........ 628 Ш

Диэлектрическая проницаемость при 10е Гц .... 5--7 || Тангенс угла диэлектрических потерь при 10е Гц. . 10~8 1|

Удельное объемное сопротивление, Ом*м ..... 1014--Юг^у

Предел прочности при изгибе, МН/м* ........ 28- 103 '

Открытая пористость, %............. 3-206

5.2 Теплопроводность и диэлектрические свойства алмаза

Наряду с широко известными уникальными абразивными характеристиками, алмаз обладает и замечательной теплопроводностью, причем не столько по абсолютной величине, сколько по ее температурной зависимости. Достаточно сказать, что теплопроводность монокристалла алмаза при комнатной температуре в пять раз выше, чем у меди. Это позволяет рассматривать алмаз как наиболее перспективный материал для изготовления теплоотводящих элементов малогабаритных полупроводниковых приборов. Поэтому были проведены исследования по влиянию температуры на теплопроводность монокристаллов алмаза. Для измерения отбирались кристаллы кубооктаэдрической формы с размером ребра кубических граней, практически не содержащие макровключений металла-растворителя, а также удлиненные кристаллы кубического габитуса, содержащие отдельные металлические включения пластинчатой формы. Интервал измерения температуры составлял от 290 до 630°К т. е. включал в себя реальный диапазон рабочих температур полупроводниковых приборов. Погрешность измерения теплопроводности 12--15%.

Величина теплопроводности наибольшая у образцов с минимальным количеством включений. Более сильную температурную зависимость теплопроводности для образцов можно объяснить различной их морфологией и, в частности, ориентацией металлических включений. Прямой корреляции между содержанием парамагнитного азота в кристаллах (в изученном диапазоне его концентрации) и их теплопроводностью не обнаружено. Можно заключить, что в алмазах более существенное влияние на теплопроводность, чем парамагнитный азот, оказывают комплексная форма этой примеси, а также включения и структурные примести металлов, например, никеля. Поэтому при отборе кристаллов алмаза, обладающих высокой теплопроводностью, требуется предварительная оценка их дефектности. Очевидно, что задача определения качества кристаллов алмаза является актуальной и при применении алмаза в других областях техники и электроники.

К сожалению, экспрессный способ магнитного контроля дефектности алмазов пондермоторным методом не всегда пригоден для классификации синтетических алмазов по качеству, так как экспериментально установлено, что часть макровключений в объеме кристаллов не проявляет ферромагнитных свойств. Поэтому с точки зрения контроля общей дефектности алмазов наиболее универсальным представляется метод измерения диэлектрических параметров кристаллов в СВЧ диапазоне -- метод малых возмущений. Причем применение резонаторов с типом волны Яою наиболее целесообразно при изучении объектов, содержащих ферромагнитные включения, так как при этом упрощается математический аппарат для обработки экспериментальных данных и повышается точность измерений.

Расчет диэлектрической проницаемости порошковых материалов определенной зернистости осуществлялся по формуле Винера. Контрольные измерения диэлектрических параметров единичных кристаллов и порошков алмаза, кварца и фторопласта, проведенные при комнатной температуре на частоте 3360 МГц в полом цилиндрическом резонаторе с типом Яою показали удовлетворительное согласие полученных данных и приведенных в литературе.

Для объяснения экспериментально полученных результатов по изучению зависимости диэлектрической проницаемости _Т тангенса угла потерь tgд от условий выращивания и термообработки синтетических алмазов привлекались известные положения, развитые в релаксационной теории поляризуемости гетерогенных систем.

1. Диэлектрическая проницаемость неоднородной среды, к которой следует отнести и большинство кристаллов синтетического алмаза, определяется количеством инородных частиц в объеме кристаллов, но зависит и от абсолютного значения вещества включений.

2. Изменения tgд подчиняются закономерности: значение тангенса угла потерь агрегата всегда лежит между наибольшими и наименьшими значениями углов потерь, составляющих агрегат компонентов.

Кроме того, следует учесть, что при измерениях в СВЧ диапазоне диэлектрические параметры материалов определяются быстро протекающими электрическими процессами в них, зависящими в основном от структуры и состава вещества. Поэтому в бездефектных кристаллах алмаза с совершенной структурой диэлектрическая проницаемость и потери обусловлены только электронной составляющей поляризации и явлениями последействия, так как алмаз -- типично ковалентный кристалл.

Следовательно, индивидуальные особенности диэлектрических параметров отдельных кристаллов синтетического алмаза определяются количественным содержанием дефектов в объеме кристаллов, их природой, структурой, размерами, формой и отражают локальные условия алмазообразования. Очевидно, этим объясняется зависимость диэлектрических свойств алмазов от условий выращивания. Как правило, все исследованные кристаллы алмаза были получены в закалочном режиме охлаждения (~33°С в 1с) от температуры синтеза. Следовательно, можно полагать, что состав включений и неоднородное распределение компонентов среды кристаллизации в них зафиксированы при закалке.



Заключение

Завершая курсовую работу хочется сказать, что я рассмотрела основные сведения об алмазах: историю алмаза его физические, электрофизические свойства и теплопроводность которые позволяют узнать его внутреннюю структуру и его характерные данные перед проведением экспериментальной работы. Методы определения и общие характеристики диэлектрических материалов дает возможность выбора определения, каким методом и в каких условиях будет проводиться экспериментальная работа.

Список использованной литературы

1. В.Е.Хаджи, Л.И. Цинобер, Л.Н Штеренлихт и др. Синтез минералов. Том I

2. Электроматериаловедение. М.: Высшая школа, 1987.

3. Аргунов К.П. “Физические свойства алмаза”

Размещено на Allbest.ru

...