Anyagtudomny 2020 Vezetsi jelensgek vezetanyagok Dr Szab Pter

Anyagtudomány – 2020 Vezetési jelenségek, vezetőanyagok Dr. Szabó Péter János szpj@eik. bme. hu

Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék: Vezetők fémek Félvezetők Szigetelők ötvözetek elektrolitok plazma áll. gázok szabad elektron + és - ionok elemi vegyület kovalens kristályok ionos kristályok szabad elektronok, lyukak folyadékok gázok + és - ionok

Vezető anyagok klasszikus csoportosítása (fajlagos vezetőképesség) Siemens/m, 1/Ohm m 10 -8 S/m 10 -8 - 106 S/m fémes vezető félvezető szigetelő

Fajlagos ellenállás irányfüggése izotróp (köbös szerezetű egykristályok, polikristályok) anizotróp (alacsony szimmetriájú kristályok: hex. , tetragonális …) pl: Cd, Mg, Zn, C (grafit):

Vezetési mechanizmusok leírása Klasszikus (Sommerfel-féle, szabad-elektron modell) Feltételezés: elektromok között nincs kölcsönhatás (ideális gáz) Elektron mozgása: Rendezetlen termikus mozgás + sodródás (drift) Kvantummechanikai leírás Elektronhoz rendelt síkhullám mozgása a rácsperiodikus potenciáltérben. Vezető test: potenciálgödör.

Vezetési mechanizmusok leírása : átl. élettartam : átl. szabad úthossz : anizotróp n: elektron mozg. p: lyuk mozg. [cm 2/Vs] Mérése: Hall - effektus C- V mérés

Vezetési mechanizmusok leírása Eredmények: • Differenciális Ohm-törvény • 1 -2 vegyértékű fémekre jó fajlagos ellenállás értékek Problémák: • azonos fém allotróp módosulatai • többvegyértékű fémek (fajl. ell. hibás) • Félvezetők, szigetelők (hőmérsékletfüggés) • (T, megvilágítás, külső E, sugárzás…)

Fémek fajlagos ellenállását befolyásoló tényezők Kristályrács torzulása növekedése • termikus rácsrezgések • termikusan aktivált ponthibák • diszlokációk (alakítás) • felületszerű hibák (szemcseméret) • térfogati hibák (kiválások, új fázis) • rácstorzulás (szilárd oldatos ötvözés) • . . . Matthiesen-szabály (szeparálható fv. )

hőmérsékletfüggése (fémes vezető) kr. hibák maradó ellenállás Szupravezető: maradó ellenállás nulla Lineáris viselkedéstől eltér ha van: ferro-paramágneses átmenet allotróp átalakulás fázis átalakulás

Ötvözés hatása

Ötvözés hatása Nordheim-szabály Mott-szabály

Képlékeny alakítás, hőkezelés hatása Képlékeny alakítás vakanciák, diszlokációk Egyensúly felé tart a rendszer csökken.

Nyomás és rétegvastagság hatása Nyomás (hidrosztatikus) hatása: növekszik Rétegvastagság hatása ha az e- szabad úthossza összemérhetővé válik a rétegvastagsággal k: felület minősége a: alak (huzal, lemez) d: vastagság, átmérő : e- szabad úthossza

Vezetőanyagok Vezetékanyagok: Cu és ötvözetei Al és ötvözetei Fe és ötvözetei Hőelemek aktív anyagai Cu - konstantán Fe – konstantán Ni – Cr. Ni, Pt – Pt. Rh Érintkezőanyagok kis átmeneti ellenállás jó hővezetés jó ívállóság nagy szilárdság kopásállóság pl. Au, Ag, W, Pt, Cu-Ag-Au, kompozitok, pl. Ag-Cd. O Üveg- és kerámiaátvezetők kis hőtágulási együttható pl. Fe – Ni ötvözet 36 -42% Ni Kettősfémek két eltérő hőtágulású anyag összehengerelve Forraszanyagok

Szupravezetés Kamerlingh 1911 (Hg) 28 elem és több mint 1000 vegyület Nb 7, 2 K Nb 3 Sn 18, 1 K Nb 3 Al 17, 5 K V 3 Si 17 K V 3 Ga 16, 8 K Elem nem lehet szupravezető ha: • egy vegyértékű • rendezett mágneses szerkezete van

Szupravezető elemek a periódusos rendszerben

TC, HC, (JC) hatása

Meissner-effektus Mágneses tér erővonalai kiszorulnak Szupravezető: ideális diamágnes (I. fajú)

I. és II. fajú szupravezetők M mágnesezettségének alakulása a külső tér függvényében Hc 1: alsó kritikus térerő Hc 2: felső kritikus térerő Hc 1 alatt: ideális diamágnes Hc 1 -Hc 2: H tér behatol

Ismertebb I. és II. fajú szupravezető elemek és Tc (K) Ti 0, 39 Zr 0, 55 V 5, 03 Nb 9, 5 Ta 4, 48 *** Zn 0, 86 Cd 0, 52 Hg 4, 15 Al 1, 18 Ga 1, 09 In 3, 41 Tl 2, 37 Sn 3, 72 Pb 7, 19

Szupravezető anyagtípusok • Elem • Ötvözet • Vegyület (intermetallikus) • Kerámia (rideg, törékeny, magas Tc)

A 3 B-típusú szupravezető vegyületek Perovskit-szerkezet -volfram pl: Nb 3 Sn

Magas hőmérsékletű szupravezető Tc > 77 K (-196 ºC) folyékony nitrogén/levegő Hg 0. 8 Tl 0. 2 Ba 2 Cu 3 O 8. 33 Hg. Ba 2 Cu 3 O 8 Tl 0. 5 Pb 0. 5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 9 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Ca 1 -x. Srx. Cu. O 2 Gd. Ba 2 Cu 3 O 6 YBa 2 Cu 3 O 6 Nb 3 Ge Nb 3 Si Nb 3 Al 138 K (Rekord tartó) TET 133 -135 K TET 118 -120 K TET 110 K ORTR 110 K (legmagasabb Tc 4 komp. ) 94 K TET 93 K TET 23, 2 K Perovszkit (β-volfram) 19 K Perovszkit (β-volfram) 18 K Perovszkit (β-volfram)

YBa 2 Cu 3 O 6 típusú anyag

Fejlődés, trendek

BCS-elmélet Bardeen-Cooper-Schrieffer BCS-elmélet 3 -test kölcsönhatás Szupravezető állapotban: Cooper-párok (2 e- töltés) (+1/2) - (-1/2) spínű elektron párok a töltéshordozók nincs taszító kölcsönhatás

Szupravezetők alkalmazási példái „Lebegtetés”

Félvezetők - sávelmélet

Elemi félvezetők Intrinsic (elemi) Extrinsic (adalékolt) n-típusú, donor, 5 vegyérték (P, As, Sb) p-típusú, akceptor, 3 vegyérték (B, Al, In, Ga) Adalékolás: szubsztitúciós ötvözés (oldhatósági határ alatt) (normál szintek: n*1014 - 1018 cm-3) Adalékszintek a tiltott sávban (elfajult félvezető)

Adalékolt félvezetők Extrinsic (adalékolt) n-típusú, donor, 5 vegyérték (P, As, Sb) p-típusú, akceptor, 3 vegyérték (B, Al, In, Ga) Adalékolás: szubsztitúciós ötvözés (oldhatósági határ alatt) (normál szintek: n*1014 - 1018 cm-3) Adalékszintek a tiltott sávban (elfajult félvezető)

Félvezetők csoportosítása Elemi félvezető (Si, Ge…) Intermetallikus: biner, ternér, kvaternér… (AIII BV, AII BVI)