Каталог :: Естествознание

Реферат: Реферат по материаловедению

Московская Государственная Академия Приборостроения и Информатики
                                     РЕФЕРАТ                                     
                                   По Предмету                                   
«Материаловедение»
                                                                      Вариант 4н
                                                                  Преподаватель:
Лущейкин Г. А.
                                   Москва 2003                                   
     
      1) Что такое жидкокристаллическое вещество (ЖК)? Объясните разницу
между нематической, смектической и холестерической структурой
жидкокристаллических веществ. Приведите примеры применения ЖК. Из чего
изготавливаются прозрачные электроды в ЖК-дисплеях?
Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором
оно проявляет одновременно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо
оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в
жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в
трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или
кристаллическом, жидком и газообразном.   Оказывается,   некоторые
органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных
состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние —
жидкокристаллическое.  Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов
некоторых веществ. При их плавлении образуется жидкокристаллическая фаза,
отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от
температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при
нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же
жидкий кристалл  отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на
них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и
принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных
всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с
жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это —
упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это
упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно
существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от
обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих
жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного
порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя
частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой
кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям,
обладают свойством текучести.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим их с обычными
кристаллами, является «наличие порядка» пространственной ориентации молекул.
Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все
длинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются
на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
     Самые “кристаллические” среди
жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна
двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были
параллельны. Более того, они “понимают” команду “равняйся” и размещаются в
стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на
нематических, что поясняет рис. а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно
многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная
память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго
любоваться “произведением”. Однако эта особенность смекатических кристаллов для
воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не
слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к
примеру, в индикаторах давления.
     Упорядоченность нематических
сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно
длинных осей, поэтому упорядоченность становится “односторонней”, а реакция на
внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смекатические
плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность
нематиков поясняет рис. б.
     Термин “холестерические жидкие
кристаллы” не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым
используемым кристаллом этого класса является холестерин. Молекулы холестерина
и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул
холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их
вершины отталкиваются. Холестерин - доступный и достаточно дешевый материал,
сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические
структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые,
дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.
В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены,
физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет
свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов
образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и
ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых
сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих
слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого
кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор,
который столь активно встраивается в современную электронную технику.
Изучение жидких кристаллов помогает решать проблемы в различных областях
науки и техники.
Например, большинство ученых признают  эволюционную идею о развитии жизни на
Земле из неживой материи.  На  этапе биологической эволюции роль жидких
кристаллов почти не вызывает сомнений. Дело в том, что процессы фотосинтеза,
приведшие к образованию  кислородной атмосферы, идут в зелёных растениях с
прямым участием клеточных мембран, строение которых соответствует
смектическому жидкому кристаллу.
Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптике, радиоэлектронике, химии,
биологии.
Например, такие свойства жидких кристаллов, как ориентация их молекул в
электрическом поле, используются при разработке различных оптических
фильтров. Прозрачность этих светофильтров может изменяться в широких
диапазонах, являясь функцией разности потенциалов, подведенной к жидким
кристаллам.
Жидкие кристаллы способны долгое время хранить записанную на них информацию.
Информация, представленная в двоичном коде, электрическим сигналом
записывается на жидкокристаллическую матрицу, в виде участков с изменённым
направлением  молекул, т.е. прозрачностью матрицы. Считывание производится
оптическим лазером. Прозрачно окошко или ячейка – записан нуль; непрозрачно –
единица.
Наиболее широкую известность получили жидкие кристаллы, которые изменяют свой
цвет в зависимости от температуры. С их помощью измеряют температуру, в
частности человеческого тела, проверяют микроэлектронные схемы – определяют
надёжность её элементов. С помощью жидких кристаллов можно измерять
температуру не только непосредственно, но и на расстоянии. Это часто
необходимо для регистрации мощности излучения ИК лазеров и СВЧ-антенн.
Уже давно применяется метод регистрации вредных веществ с помощью жидких
кристаллов. Для этой цели созданы холестерики, которые вступают в химическую
реакцию с парами вредных веществ, что приводит к изменению шага спирали и
соответственно цвета плёнки индикатора. Такой индикатор по чувствительности
не уступает многим детекторам, построенным по иным принципам.
Использование жидких кристаллов в системах отображения информации в
современной электронике обусловлено, прежде всего, их чрезвычайно малым
потреблением энергии.
Для изготовления  ЖК - дисплеев  используют нематические кристаллы. ЖК-
дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две стеклянные
пластины, между которыми, собственно, и находится тонкий жидкокристаллический
слой. Передняя стеклянная пластина прозрачна; электродами служат прозрачные
электропроводящие пленки (например, двуокись олова). Задний электрод
изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная,
проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля,
золота). На стеклах имеются микробороздки, которые направляют молекулы ЖК,
сообщая им специальную ориентацию. Соприкасаясь с бороздками, молекулы
жидкого кристалла ориентируются в заданном направлении. Прикладывая
низковольтные электрические поля к разным частям ЖК-слоя, можно изменять
ориентацию молекул, получая видимые глазом фигуры, образованные, например,
прозрачными и непрозрачными участками. Стеклянные пластины расположены между
поляроидами, и именно благодаря изменению поляризации распространяющегося
света появляется изображение на экране. В знаково-буквенных дисплеях
токопроводящее покрытие как раз и имеет форму нужного знака. В графических
дисплеях прозрачные токопроводящие электроды имеют вид квадратной сетки, одни
прутья которой находятся на одном стекле, а другие - на другом, и тот
пиксель, который оказывается на пересечении активных электродов, становится
черным, т.е. непрозрачным.
     2) Опишите работу твердотельного лазера (на основе монокристалла рубидия).
Какие добавки входят в кристалл и зачем?
По принципу действия Твердотельные лазеры (ТЛ) являются аналогами
парамагнитных лазеров, но в отличие от последних не требуют криогенных
температур, внешнего подмагничивания и когерентности накачки. ТЛ, точно так
же, как и полупроводниковые, которые тоже являются ТЛ, но по традиции
выделены в отдельный класс лазеров), имеют максимальную среди всех лазеров
концентрацию активной среды, что и определяет основные особенности их
поведения эксплуатации. Активная среда состоят из кристаллической матрицы
(диэлектрический кристалл или стекла) и актив- . ных центров, помещенных в
виде примеси в матрицу. В отличие от мазеров ТЛ являются мощными
генераторами. Поэтому к матрице предъявляются требования иметь высокую
теплопроводность и хорошую прозрачность для излучении накачки и сигнала, а
также быть оптически и фотохимически стойкой к интенсивным световым потокам
этих излучений и в импульсном, и в непрерывном режимах. Кроме того, матрица
должна давать такие значения вероятностей безызлучательных релаксационных
переходов для уровней вводимых в матрицу примесных центров, которые
способствуют получению инверсии населенностей уровней сигнального перехода. В
настоящее время известно много десятков кристаллов и стекол, на которых
получено лазерное изучение.
     
Схематически конструкция твердотельного лазера показана на вышенарисованном
рисунке, где 1- активный кристалл, 2 – лампа накачки с блоком питания, 3,4-
зеркала открытого резонатора, 5-устройство управления лазерным излучением.
Видно, что и лампа накачки, и активный кристалл, вследствии большого нагрева,
нуждаются в принудительном охлаждении, которое в данном случае осуществляется
проточной водой, циркулирующей внутри эллиптического целиндра с отражающими
стенками, причем и кристалл, и лампа расположены в фокусах эллипса – сечения
целиндра, показанного справа на рисунке. При этом все излучение накачки из
лампы, отражаясь от стенок целиндра попадает на кристалл, где поглащается,
чем и достигает максимальный КПД накачки. Создание таких отражателей, а также
окружение активной средой излучателем, с целью максимального поглощения его
излучения средой, является характерной особенностью, вообще всех
многоуровневых лазерных систем с оптической накачкой.
Принципиальной основой работы лазеров является эффект вынужденного
(индуцированного) излучения. Лазер как генератор светового излучения должен
содержать активную среду, улавливающий свет, и резонатор, осуществляющий
положительную обратную связь между светом и усиливающей средой. Роль активной
среды играет кристалл, содержащий в своем объеме не только йоны рубидия, но
рабочие йоны переходных металлов: хрома, неодима, титана, эрбия, гольмия,
ванадия и т.д.
Рубидий - радиоактивный элемент, он медленно испускает поток электронов,
превращаясь в стронций. Темно-красным этот мягкий, легкоплавкий (плавится при
39°С) металл назван не за собственный цвет. Весьма сходный по свойствам с
калием, он имеет серебристый цвет с металлическим блеском. Свое название он
получил по красным линиям в спектре, по которым был обнаружен в 1861 г.
немецким химиком Р. Бунзеном совместно с немецким физиком Г. Кирхгофом.
Соединения рубидия - постоянные спутники соединений натрия и калия. В одних
случаях их относительно много до 0,1%, в других - значительно меньше.
Рубидий - металл, который можно назвать химической недотрогой. От
соприкосновения с воздухом он самопроизвольно воспламеняется и сгорает ярким
розовато-фиолетовым пламенем. С водой взрывает, так же бурно реагирует при
соприкосновении с фтором, хлором, бромом, йодом, серой.
Наиболее замечательным свойством рубидия является его своеобразная
чувствительность к свету. Под влиянием лучей света рубидий становится
источником
электрического тока. С прекращением светового облучения исчезает и ток.
Явление возникновения электрического тока под влиянием света называется
фотоэффектом, а электрический ток, возникающий при фотоэффекте, -
фотоэлектричеством. фотоэлектрические свойства рубидия дают возможность
использовать его при изготовлении фотоэлементов - электрических приборов, в
которых световая энергия непосредственно превращается в электрическую.
Фотоэлементы широко применяются в звуковом кино, телевидении, автоматизации
сложных производств, в управлении работой на расстоянии агрегатов и машин, в
частности, в атомной технике, а именно в лазерах.
Лазеры на кристаллах излучают, как правило, в видимой или ближней
инфракрасной области спектра оптического диапазона электромагнитных волн.
Однако с помощью методов нелинейной оптики это излучение  можно эффективно
преобразовать в излучение коротко волновой части видимого диапазона и
ближнего ультрафиолетового, что существенно расширяет области применения
лазеров на кристаллах.
В твердотельных лазерах активная среда представляет собой прозрачную матрицу
(монокристаллическую или аморфную), в которую в определенной концентрации
(обычно в пределах 0,05—5%) внедрены примесные ионы —   активаторы (хром,
неодим, эрбий и др.). Твердая активированная матрица представляет собой
материальный носитель активных ионов, которому можно придать определенную
форму, размеры, сформировать полированные поверхности, ограничивающие
активную среду, создать условия для генерации узконаправленного когерентного
лазерного луча.
Наличие прозрачной матрицы является принципиальной особенностью твердотельных
лазеров, отличающей их, например, от газовых лазеров, где активная среда
представляет собой разреженный газ активных частиц, непосредственно
участвующих в формировании инверсии населенностей и лазерной генерации,
ограниченный стенками и окнами газоразрядной трубки, или от полупроводниковых
лазеров, где электроны и дырки, рекомбинация которых приводит к вынужденному
излучению и лазерной генерации, принадлежат непосредственно самому
полупроводниковому кристаллу. В твердотельных лазерах прозрачная матрица
непосредственного участия в лазерной генерации не принимает; это делают
специально введенные в нее примесные активные ноны с определенной схемой
энергетических уровней.
Прозрачная матрица ограничивает возможный спектральный диапазон твердотельных
лазеров областью прозрачности диэлектриков. Ультрафиолетовая (УФ) граница
области прозрачности связана с поглощением света электронами, входящими в
состав атомов диэлектрика, при их переходах на вышерасположенные состояния.
Положение УФ границы пропускания сильно подвержено влиянию загрязняющих
примесей и дефектов.
В инфракрасной (ИК) области ограничение области прозрачности  связано со
свойствами кристаллической решетки. Колебания кристаллической решетки
(оптические фононы) очень сильно взаимодействуют со световыми колебаниями
соответствующей частоты и определяют частоты ИК-поглощения. В кристаллах
рубидия частоты оптических фононов ниже и граница ИК поглощения сдвинута в
сторону длинных волн (для кристалла Rb она составляет 40 мкм). Однако
создание твердотельных лазеров в далекой ИК-области затрудняется сильными
безызлучательными переходами между энергетическими  Уровнями примесных ионов
и ограничивается диапазоном длин волн 3—4 мкм.
Примесные ионы-активаторы лазерных кристаллов должны обладать схемой
энергетических уровней, пригодной для получения лазерной генерации.
Наилучшими оказываются ионы металлов переходных групп элементов, имеющие
незаполненные электронные оболочки: 3d  (ионы группы железа)., 4f (ионы
группы редких земель).
Дело в том, что в ионных кристаллах являющихся основным  классом прозрачных
диэлектриков, пригодных для создания  лазеров, ионы, образующие кристалл
имеют устойчивые заполненные электронные конфигурации типа электронных
конфигураций благородных газов.
Таким образом, ионы, образующие структуру диэлектрических ионных кристаллов,
входят: в ник в таких состояниях, которые обладают наиболее устойчивыми
.замкнутыми электронными .оболочками типа благородных газов (Не, Ne, Аг, Кг).
Энергия взаимодействия электронов в замкнутых оболочках максимальна, так что
переходы даже в ближайшие возбужденные состояния лежат в ультрафиолетовом
диапазоне. Поэтому ионы Rb и другие не имеют линий (полос) поглощения в ИК- и
видимой областях спектра; они образуют прозрачные бесцветные диэлектрические
кристаллы.
Один из известным ионом-активатором является ион трехвалентного хрома (Сг).
На его внешней электронной оболочке находятся три электрона. Нижнее
энергетическое электронное состояние системы из этих трех электронов имеет
максимальный спиновый момент S=3/2 и максимально возможный, с учетом принципа
Паули, орбитальный момент L=3. В кристаллическом поле электронные состояния
иона Сг расщепляются. Изменение величины кристаллического поля меняет
положение энергетических уровней и соответственно окраску кристаллов.
Другой важной группой ионов-активаторов лазерных кристаллов являются ионы
«редких земель». Это ионы церия Се  празеодима Рг, неодима Nd, прометия Рт,
самария Sm, европия Еu, гадолиния Gd, тербия Тb, диспрозия Dy, гольмия Но,
эрбия Ег, туллия Тr, иттербия Yb. Редкие земли обладают сходными химическими
свойствами, их отличает различное число электронов на оболочке 4f. Оптические
и лазерные свойства трехва-лентных редкоземельных ионов (являющихся наиболее
устойчивыми в соединениях) определяются переходами внутри электронной
оболочки 4f. Оболочка 4f редкоземельных ионов является внутренней: она
окружена внешними электронами, принадлежащими состояниям 5s и 5р. Внешние
оболочки 5s и 5р экранируют оболочку 4f от возмущающего действия
кристаллического поля. Поэтому для редкоземельных ионов расположение
энергетических уровней практически не зависит от вида кристалла, а также
сохраняется для различных стекол и водных растворов, являясь характеристикой
иона. Кристаллическое поле конкретной кристаллической решетки приводит к
расщеплению полос переходов на отдельные компоненты число и детальное
расположение которых меняются от кристалла к кристаллу, а также к уширению
линяй переходов за счет взаимодействия с фононами кристаллической решетки
Наиболее распространенным активатором твердотельных лазеров является
трехвалентный неодим. Схема уровней неодима благоприятна для генерации
ближнего ИК-излучения на длинах волн 1,06 и 1,32 мкм. Переходы на возбужденые
уровни неодима под действием белого света приводят к интенсивной лиловой
окраске кристаллов и стекол.
Помимо неодима получили распространение лазеры, активированные ионами Еr, Тu
и Но, позволяющие осуществлять лазерную генерацию в ИК-диапазоне от 1,5 до 3
мкм.
     3) Рассчитайте удельное объёмное сопротивление материала, если при измерении
его проводимости при постоянном напряжении 500В ток проводимости составил 1,5
nА. (Образец материала представляет собой квадрат 60Х60 мм толщиной 0,2 мм.
Диаметр электродов 25 мм и они были расположены соосно. Поверхностной утечкой
пренебрегите)
U=500 B
I=1,5*10-19 A
d= 25*10-3 м
R= = 333*1019Ом