Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ФІЗИКА - Золота колекція рефератів - 2018

ПРОВІДНІСТЬ ОРГАНІЧНИХ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Далекоглядні слова В. І. Вернадського: «Простір—час глибоко неоднорідний, і явища симетрії можуть відбуватися тільки в обмежених ділянках».

Як це справедливо для органічних напівпровідників, для яких асиметрія елементарних частинок є джерелом іноді дуже істотної інформації про макропроцеси!

З розвитком органічної хімії збільшується кількість нових синтезованих матеріалів, основною ознакою яких, крім загальної вуглецевої структури (каркаса), у вважається відсутність вільних електронів. Саме тому нові органічні матеріали, маючи величезний електричний опір, зробили справжню революцію в ізоляційній техніці: з'явилася нова ізоляція дротів і кабелів, стала можливою мікромініатюризація радіоелектронних деталей, з’явилися принципово нові шляхи розвитку радіотехніки.

Однак уявлення про полімери як про засоби досконалої ізоляції почали виникати вже наприкінці 30-х рр. XX ст. У деяких (на той час ще нечисленних) органічних сполуках були виявлені властивості своєрідної електропровідності. Першим таким матеріалом виявився антрацеп. З’ясувалося, що під впливом світла в нього з’являється електропровідність, яка різко зростає при збільшенні інтенсивності освітлення.

Величезна заслуга академіка А. Ф. Йоффе полягає втому, що він оцінив значення виявленого явища, розгорнувши відразу після Великої Вітчизняної війни широкі дослідження напівпровідникових властивостей органічних сполук. Однак найбагатші можливості органічних напівпровідників почали використовуватися тільки з середини 60-х рр. XX ст.

Які загальні особливості цих матеріалів? Насамперед величезні межі значень електричної провідності. Наприклад, деякі складні органічні сполуки на основі тетраціанхінодиметану мають провідність, близьку до провідності металів. Енергія активації, тобто енергія, достатня для появи руху зарядоносіїв, дуже мала. Починаючи з деяких значень напруги, що характеризуються напруженістю електричного поля 103-105 Вт/см,з’являється залежність струму від напруги, близька до закону Ома. Крім залежності електричної провідності деяких органічних полімерів від освітленості (фотопровідності), була виявлена залежність провідності від вологості, тиску, впливу проникаючої радіації й інших параметрів.

Зарядоносіями, зокрема фотоструму, можуть бути електрони й дірки. Досліди, проведені у вакуумі при ретельному впакуванні або ущільненні шару речовини, показали, що знак носіїв заряду може змінюватися з позитивного (дірка) на негативний (власне електрон). Це означає, що дірковий струм провідності обумовлений наявністю абсорбованого кисню — сильного акцептора електронів, що змінює співвідношення електронів і дірок на користь останніх. Вплив кисню на характер електропровідності має важливе значення при розгляді явищ електронної провідності в біооб’єктах, тому що з цим, очевидно, пов’язаний механізм трансформації й передачі енергії.

Іншу особливість органічних напівпровідників, а саме наявність у них магнітних властивостей, підкреслюють А. А. Дулов і А. А. Славкін.

Підсумовуючи сказане, можна зробити висновок про те, що органічні напівпровідники істотно відрізняються від основної групи органічних сполук. Насамперед це наявність у них великої кількості ненасичених (кратних) зв’язків С=С, що утворюють сполучену систему, тобто систему з регулярним чергуванням зв’язків С=С.

Каркас сполученої системи утворений ланцюжком атомів Карбону, з’єднаних простими двоелектроними зв'язками. В утворенні подвійного зв’язку С=С беруть участь два електрони від двох атомів. Сполучена система характеризується тим, що електрони взаємодіють у всій молекулі, створюючи єдину електронну систему. У подібних системах електрони стають не зв'язаними з окремими атомами або зв’язаними досить слабко. Унаслідок цього вони здатні переміщатися в усій молекулі, створюючи наскрізну електричну провідність. Зі зростанням кількості слабко пов’язаних з атомами електронів провідність

збільшується. Досліди й квантомеханічні розрахунки підтвердили це. Отже, чим більше сполучених зв’язків, тим вища провідність. Енергія зв’язку, що втримує окремі електрони в молекулі, знижується до 0,25 еВ, а іноді й нижче. Ось чому електрони легко стають переміщуваними, але не у всіх речовинах з подвійними сполученими зв’язками існує подібне переміщення зарядоносіїв. Наприклад, одні полімери мають електропровідність, що, до речі, змінюватиметься, якщо передати такому провіднику невелику енергію будь-якого виду (електричного поля, світла, теплову й т. ін.), а інші полімери, незважаючи на наявність сполучених зв’язків, провідністю не характеризуються. Вид провідності буває різним. Це може бути звичайна електронна провідність або провідність електрон-дірка, подібно до того як у неорганічних напівпровідників.

Пригадаймо принцип будови неорганічних напівпровідників, що складаються з молекул з домішкою атомів різної валентності, завдяки яким створюється донорна провідність (атоми домішки віддають електрони сусіднім атомам) або акцепторна провідність (атоми домішки виривають електрони з сусідніх атомів). Сказане стосується також органічних речовин. Тут у самій речовині, у її структурі чергуються молекули, здатні віддавати електрони (донори), і молекули, що привласнюють електрони (акцептори).

Провідними властивостями характеризуються також полімери, що зближає їх з неорганічними напівпровідниками — германієм і кремнієм. Зближає їх ряд закономірностей, а саме, близькі значення питомого опору. І для тих, і для інших характерна єдина форма кривої зміни провідності під впливом тепла, світла й т. п. Є й виняток. Наприклад, деякі полімери через слабкий зв’язок електронів з каркасом мають провідність, близьку до провідності металів.

Органічні напівпровідники дедалі більше починають застосовуватися в різних галузях техніки. Ось чому не менша кількість досліджень присвячена розробці технологій їхнього одержання. Поки розробка теорії будови настільки складних речовин, що характеризуються широким діапазоном енергій зв’язку (від частинок електрон- вольта до енергій, що дорівнюють енергіям йонізації, тобто з провідністю, властивою електролітам-розчинам), зустрічає величезні труднощі. Вона вимагає принципово нових методів підходу до вивчення атомів і молекул, «упакованих» у структуру, властиву твердому тілу в рідкій фазі.

Розробка технології одержання органічних напівпровідників іде шляхом використання спрямованого синтезу й хімічних перетворень у ланцюгах макромолекул. Успіхи застосування обох метолів безсумнівні. Отримано багато нових, різних за властивостями полімерних речовин, що характеризуються провідністю, яка змінюється в широких межах, і мають температурну залежність, характерну для звичайних напівпровідників. Розробка технології і її практична реалізація одночасно виявили нові, тільки цим речовинам властиві особливості. Нові публікації дають

підставу вважати, що подальші дослідження в галуз фізичної хімії й електроніки полімерних органічних матеріалів з напівпровідниковими властивостями сприятимуть ще більшому застосуванню нових матеріалів в електротехніці, електроніці, хімічній промисловості.

Тепер подивимося, як знання про електропровідні матеріали й носії електричних зарядів погоджуються із загальним вченням про будову речовини.

Отже, вивчення неорганічних і органічних напівпровідників показало, що в них виникають такі види зарядоносіїв:

а) атоми, які, втративши свій електрон із зовнішньої оболонки, стають позитивно зарядженими частинкам! й беруть участь у перенесенні позитивних зарядів (позитивні йони);

б) звільнені при цій зміні електрони, які стають носіями негативних зарядів;

в) йонізовані атоми—акцептори, тобто атоми, які захопили в сусіднього атома електрон; вони теж є негативні зарядженими частинками й беруть участь у перенесені негативних зарядів (негативні йони);

г) дірки, що утворилися при захопленні в атома валентних електронів; вони починають притягати електроні від сусіднього атома й стають своєрідними носіями позитивної електрики.

Значно більше видів руху зарядоносіїв в органічних напівпровідників. Тут їхнє застосування являє собою сполучення складних явищ, одне з яких обумовлене «блукаючими» в молекулі електронами. Оскільки молекули різні то й зв’язки їх з електронами й атомами найрізноманітніші

Істотне розходження між металами, будь-якими напівпровідниками й будь-якими ізоляторами полягає t різній фізичній природі залежності електропровідності від температури. У металів зі зростанням температури електропровідність знижується, в інших речовин вона збільшується.

У металах зарядоносіями є усуспільнені електрони, як вкрай слабко пов’язані з ядром атома. Вони мають хвильові властивості. Рух електрона у металі можна уявити собі як плоску хвилю, що поширюється в тому ж напрямку, що й потік електронів. Метал, маючи кристалічну структуру, утворює періодичні гратки. Плоска хвиля має властивість проходити через ідеальний кристал не розсіюючись, тому електрони або їхній потік можуть проходити через кристал без втрати імпульсу, який вони отримують у випадку підключення металу до джерела електроенергії. Ідеальна періодичність кристалічних граток металу, а отже, й опір, що з’являється на шляху потоку електронів, можуть порушуватися в результаті двох причин. При температурі -273 °С або 0 °С атоми починають коливатися щодо їх положення рівноваги. Коливання збільшується з підвищенням температури, просування потоку електронів починає зустрічати наростаючий (зі збільшенням температури) опір. Іншою причиною збільшення електричного опору є наявність сторонніх атомів, домішок. Одержати абсолютно чистий метал без домішок украй складно.

Атоми домішок спотворюють кристалічні гратки, що утрудняє переміщення електронів. Таке спрощене пояснення можна проілюструвати аналогією. Площа залюднена. Люди стоять у певному порядку, переминаючись із ноги на ногу, тобто незначно переміщаючись навколо рівноважного, первісного положення, частина з них — спортсмени-бігуни. Останні повинні перетнути площу.

Сувора орієнтація людей, незначні їхні переміщення дозволяють бігунам, нескладно лавіруючи, перетнути площу. Але ось переміщення людей збільшується, перетинання площі бігунами ускладнюється, їхній пробіг через площу зустрічає опір, на подолання якого витрачається більше сил і часу.

У неметалах явища інші. При температурі, що дорівнює абсолютному нулю, у них немає усуспільнених електронів. Енергія зв’язку електронів з ядром атома значно вища. Щоправда, і серед неметалів є речовини, у яких енергія зв'язку в ряді випадків невелика, але все-таки більша, ніж у металах. При нагріванні в цих речовин атоми теж починають коливатися.

Коливання можуть викликати розрив зв'язків між електроном і ядром, але вже при більших енергіях коливань. Розрив зв’язку електрон-ядро призведе до утворення електронів, що переміщаються вільно, і з’явиться провідність, що збільшується зі зростанням температури.









загрузка...