Monikomponenttijärjestelmän vaihekaavio. Vaiheen siirtymät. Tilakaavio. Kolmipisteen vaihekaaviot

Yksikomponenttinen heterogeeninen järjestelmä on yksi aine, joka on eri aggregaatio- tai polymorfisissa modifikaatioissa. Gibbsin vaihesäännön mukaisesti, kun K = 1, C = 3  F. Ottaen huomioon, että fysikaalisen merkityksen C 0 mukaan on selvää, että F  3, ts. samanaikaisesti olemassa olevien vaiheiden lukumäärä yksikomponenttisessa heterogeenisessä järjestelmässä voi olla enintään kolme. Polymorfismin puuttuessa nämä ovat nestemäisiä, kiinteitä ja höyryisiä faaseja. Kaksivaiheiset tasapainot, jotka ovat mahdollisia sellaisessa järjestelmässä, ovat "neste - höyry", "kiinteä - höyry" ja "kiinteä - neste". Jokaiselle näistä tasapainoista on ominaista tietty suhde parametrien P ja T välillä, jotka on määritetty Clapeyron-Clausius-yhtälöillä vastaaville prosesseille: haihtuminen, sublimaatio ja sulaminen.

Nämä suhteet voidaan määrittää myös empiirisesti fysikaalis-kemiallisten analyysimenetelmien avulla. Ne on kuvattu graafisesti paine-lämpötila koordinaattiakseleissa käyrien P = f (T) muodossa.

Kutsutaan graafista esitystä vaihetasapainotiloista eri P- ja T-arvoilla tilakaavio tai vaihekaavio... Tarkastellaanpa esimerkkinä veden ja rikin vaihekaavioita.

4.5.1. Veden vaihekaavio

Veden tilaa on tutkittu laajalla lämpötila- ja painealueella. Tiedetään, että korkeissa paineissa jää voi olla erilaisissa kiteisissä muunnelmissa fysikaalisista olosuhteista (P ja T) riippuen. Tämä ilmiö, jota kutsutaan polymorfismiksi, on luontainen monille muille aineille. Tarkastelemme kaaviota veden tilasta matalilla paineilla (jopa 2000 atm).

Kaaviossa on kolme vaihekenttää ( riisi. 4.1):

AOB nestekenttä,

VOS (käyrän alla)  tyydyttymättömän höyryn kenttä,

AOC on kiinteän faasin kenttä.

Riisi. 4.1. Veden vaihekaavio

Missä tahansa kentän kohdassa järjestelmä on yksivaiheinen ja kaksivaiheinen (K = 1; Ф = 1; С = 2), ts. Tietyissä rajoissa voit muuttaa lämpötilaa ja painetta muuttamatta vaiheiden lukumäärää ja niiden luonnetta. Esimerkiksi piste 1 vastaa nestemäistä vettä, jonka parametrit ovat t 1 ja P 1.

Jos systeemissä on kaksi tasapainovaihetta, niin K = 1; Ф = 2; C = 1, so. järjestelmä on monovariantti. Tämä tarkoittaa, että yhtä parametria voidaan muuttaa mielivaltaisesti tietyissä rajoissa, kun taas toisen on muututtava ensimmäisestä riippuen. Tämä riippuvuus ilmaistaan ​​käyrällä Р = f (Т): ОВ höyrystymiskäyrä (tai kondensaatio); OSsublimaatiokäyrä (tai sublimaatio); AO:n sulamiskäyrä (tai jähmettymiskäyrä). Esimerkiksi piste 2 luonnehtii tasapainojärjestelmää, jossa vesi ja kylläinen vesihöyry ovat tasapainossa lämpötilassa t 2 ja paineessa Р 2. Jos Р 2 = 1 atm, niin t 2 kutsutaan normaaliksi kiehumispisteeksi.

OM-veden haihtumiskäyrä katkeaa kriittisessä pisteessä (B), kun t = 374C ja P = 218 atm. Tämän pisteen yläpuolella nestemäinen ja höyryinen vesi ovat ominaisuuksiltaan erottamattomia. Tämän perusti D.I. Mendelejev vuonna 1860

AR-jään sulamiskäyrällä paineissa 2047 atm asti on vasen kaltevuus, joka vastaa ehtoa V f.p.< 0 (мольный объем льда >moolitilavuus vettä). Tällainen jää on vettä kevyempää, se kelluu veden päällä, joten elävät organismit säilyvät luonnollisissa säiliöissä, jotka eivät jäädy pohjaan. Korkeammissa paineissa jää muuttuu tiheämmiksi muunnelmiksi, jolloin AO:n sulamiskäyrä kallistuu oikealle. Jäästä tunnetaan seitsemän kiteistä muunnelmaa, joista kuudella on nestemäistä vettä korkeampi tiheys. Viimeinen niistä ilmestyy paineessa 21680 atm. Yhden jäämuodon muuttuminen toiseksi on enantiotrooppinen siirtymä (katso jäljempänä polymorfismista).

Pistekäyrä ОD (jatkoa ОВ:lle) kuvaa metastabiilia tasapainoa: alijäähdytetty vesi ↔ kyllästetty höyry.

Metastable kutsutaan tasapainoja, joissa on kaikki ulkoiset vaihetasapainon merkit, mutta järjestelmän isobarinen potentiaali ei ole saavuttanut absoluuttista minimiarvoa ja voi laskea edelleen. Epäpuhtauksien päälle kiteytyvä vesi muuttuu jääksi. Piste Kolmoispiste. Sen koordinaatit vedelle ilman ilman: P = 4,579 mm Hg. Art., t = 0,01C. Ilman läsnä ollessa 1 atm:ssä kolme faasia ovat tasapainossa 0 °C:ssa. Tässä tapauksessa kokonaispaine on 1 atm, mutta vesihöyryn osapaine on 4,579 mm Hg. Taide. Jäätymispisteen lasku 0,01º:lla johtuu kahdesta syystä: ilman liukoisuudesta veteen (katso kappale "Liuosten jäätymispisteen alentaminen") ja kokonaispaineen vaikutuksesta nesteiden jäätymispisteeseen ( järjestelmän kokonaispaine alentaa sitä). Tämä on ainoa kohta, jossa kaikki kolme faasia ovat tasapainossa: vesi, jää ja höyry. Tässä vaiheessa järjestelmä on invariantti: C = 0.

VAIHEMUUNNON JÄRJESTELMÄT

VAIHETILAN PERUSKÄSITTEET

Kentän kehitysprosessissa kaasun ja öljyn paine ja määrällinen suhde muuttuvat jatkuvasti muodostumissa. Tähän liittyy jatkuvat muutokset kaasu- ja nestefaasin koostumuksessa niiden keskinäisen siirtymän kanssa.

Erityisen intensiiviset tällaisten muutosten prosessit tapahtuvat öljyn liikkuessa porausreikää pitkin. Nopean paineen laskun vuoksi öljystä vapautuu merkittävä määrä kaasua, ja kaivonpään lähellä virtaus muuttuu toisinaan öljypisaroiden hienojakoiseksi suspensioksi kaasumaisessa väliaineessa.

Öljyn edelleen liikkumiseen kuluttajalle liittyy myös jatkuvia faasimuutoksia, esimerkiksi öljystä, joka ei enää sisällä kaasua, he pyrkivät erottamaan ja sieppaamaan haihimmat nestemäiset jakeet, jotta öljytuotteiden hävikki haihtumisesta varastoinnin aikana vähenee. tankeissa.

Luonnolliset hiilivetyjärjestelmät koostuvat suuresta määrästä komponentteja, ja nämä eivät ole vain parafiinihiilivetyjä, vaan myös muihin ryhmiin kuuluvia hiilivetyjä. Hiilivetyjen seoksen faasitila riippuu sen koostumuksesta sekä yksittäisten komponenttien ominaisuuksista.

Tyypillinen monikomponenttisen seoksen vaihekaavio (kuva 21) paine-lämpötilakoordinaateissa on silmukkamaisessa muodossa, ts. eroaa puhtaan aineen vastaavasta faasidiagrammista, joka on kuvattu yhtenä monotonisesti kasvavana käyränä, joka on kovera lämpötila-akseliin nähden, jossa on yksi pää (kriittinen) piste. Ennen kuin siirrymme tämän kaavion ominaisuuksien käsittelyyn, määritelkäämme joitakin tähän kaavioon liittyviä tärkeitä fyysisiä käsitteitä.

"Kriittinen kohta" (kohta TO kuvassa 21) vastaa paineen ja lämpötilan arvoja, joissa kunkin vaiheen ominaisuudet muuttuvat identtisiksi.

"Kriittinen lämpötila" - kriittistä pistettä vastaava lämpötila.

"Kriittinen paine" - kriittistä pistettä vastaava paine.

"Intensiiviset ominaisuudet" ovat ominaisuuksia, jotka eivät riipu kyseessä olevan aineen määrästä.

"Laajat ominaisuudet" ovat ominaisuuksia, jotka ovat suoraan verrannollisia kyseessä olevan aineen määrään.

"Käyrä A kiehumispiste "- käyrä, joka kulkee pisteiden läpi, jotka vastaavat paineita ja lämpötiloja, joissa ensimmäinen kaasukupla muodostuu aineen siirtyessä nestemäisestä tilasta kaksifaasisen tilan alueelle.

"Kastepistekäyrä b»- painetta ja lämpötilaa vastaavien pisteiden läpi kulkeva käyrä, jossa ensimmäinen nestepisara muodostuu aineen siirtyessä höyrytilasta kaksifaasitilaan.

"Kaksivaiheinen alue" - kiehumispisteen ja kastepisteen käyrien rajoittama alue, jonka sisällä kaasu ja neste ovat tasapainossa.

"Kricondenterm" ( M) - korkein lämpötila, jossa neste ja höyry voivat esiintyä tasapainossa.

"Kricondenbar" (N) - korkein paine, jossa neste ja höyry voivat esiintyä tasapainossa.

"Retrogradinen alue" (täytetty alue kuvassa 21) - mikä tahansa alue, jossa kondensaatiota tai höyrystymistä tapahtuu tavanomaisten vaihemuutosten vastakkaiseen suuntaan.

"Retrogradinen kondensaatio" (rajoitettu KDM-käyrällä) tarkoittaa, että neste tiivistyy tai kun paine laskee vakiolämpötilassa (viiva ABD), tai lämpötilan noustessa vakiopaineessa (viiva F GA

"Retrogradinen haihdutus" (rajoitettu NHK-käyrällä) tarkoittaa, että höyryä syntyy, kun lämpötila laskee vakiopaineessa (viiva AGF) tai kasvavalla paineella vakiolämpötilassa (viiva DBA).

"Vakiotilavuuden viiva" (laatuviivat) - viivat, jotka kulkevat saman tilavuuden nestepitoisuuden pisteiden läpi kaksivaiheisella alueella.

Tarkastelemalla kuviota. 21 joitakin tärkeitä huomioita voidaan tehdä. Kiehumispistekäyrä ja kastepistekäyrä konvergoivat kriittisessä pisteessä. Kiehumispistekäyrä vastaa 100 % nestepitoisuutta järjestelmässä ja kastepistekäyrä vastaa 100 % kaasupitoisuutta. Varjostetut alueet vastaavat retrogradisten ilmiöiden aluetta. Pisteiden K läpi kulkevien käyrien rajoittama alue BMD, vastaa isotermisen retrogradisen kondensaation aluetta.

Faasikaavio (kuva 21.) kaikkine ominaisuuksineen on luontainen kaikille monikomponenttisille seoksille, mutta sen silmukan leveys ja kriittisen pisteen sijainti ja siten retrogradiset alueet riippuvat seoksen koostumuksesta.

Öljykentän näkökulmasta monikomponenttijärjestelmät jaetaan karkeasti öljyyn ja kaasuun. Lisäksi monikomponenttijärjestelmät jaetaan alaryhmiin sen mukaan, missä tilassa hiilivetyseos on muodostumassa ja sen jälkeen, kun se on uutettu pinnalle.

Varastohiilivetyseoksen faasitilan ja niiden faasikäyttäytymisen ominaisuudet kenttäkehityksen aikana määräytyvät säiliön paineiden ja lämpötilojen sekä seoksen koostumuksen mukaan.

Jos seoksen säiliön lämpötila T pl on suurempi kuin krikondentermi M(piste F) ja kenttäkehityksessä paine laskee (linja FT 4), niin tämä seos on koko ajan yksifaasisessa kaasumaisessa tilassa. Tällaiset seokset muodostavat kaasukenttiä.

Jos säiliön lämpötila on kriittisen ja krikondentermin välillä, tällaisia ​​seoksia kutsutaan kaasukondensaatiksi. Tässä tapauksessa riippuen alkuperäisen säiliön ja kondensaation alkamispaineen välisestä suhteesta (piste V) kolmen tyyppisten kaasun lauhdekerrostumien olemassaolo on mahdollista: säiliön paine voi olla korkeampi (yksivaiheinen tyydyttymätön), yhtä suuri kuin (yksivaiheinen kyllästetty) tai pienempi (kaksivaiheinen) kondensaation alkamisen paine.

Jos säiliön lämpötila on kriittisen seoksen lämpötilan alapuolella, ts. sijaitsee kriittisen pisteen vasemmalla puolella, niin tällaiset seokset ovat tyypillisiä öljykentille. Säiliön lämpötilan ja paineen alkuarvoista riippuen (näitä arvoja vastaavan pisteen sijainti suhteessa kiehumispistekäyrään) erotetaan öljykentät alikyllästetyillä, kyllästetyillä öljyillä ja kentät kaasukorkilla.

Kun säiliön lämpötila on krikondentermin yläpuolella, öljy sisältää suuren määrän kaasumaisia ​​ja matalalla kiehuvia hiilivetyjä ja kutistuu enemmän. Tällaisia ​​öljyjä kutsutaan kevyiksi öljyiksi. Ne erottuvat korkeasta kaasuöljysuhteesta ja tiheydestä, joka lähestyy kaasukondensaatin tiheyttä.

Öljy. Hiilivetyjen seoksia, jotka ovat nestemäisiä säiliöolosuhteissa, kutsutaan öljyiksi. Pinnan kutistumisen määrällä Öljyt voivat olla matala- ja korkeakutistuvia.

Vähän kutistuvan öljyn vaihekaavio on esitetty kuvassa. 22. Tästä kaaviosta ilmenee kaksi keskeistä piirrettä. Kriittinen piste sijaitsee cricondenbaran oikealla puolella, ja seoksen tilavuudeltaan yhtä suuret viivat ovat lähellä kastepistekäyrää. Lisäksi ilmakehän paineessa ja säiliön lämpötilassa seos on kaksifaasitilassa. Korjausolosuhteissa seoksesta saadaan huomattava määrä nestettä, vaikka sen tilavuuspitoisuus seoksessa on hyvin pieni. Tämä ilmiö johtuu kaasufaasin merkittävästä laajenemisesta alhaisissa paineissa. Tämän faasikaavion tyypillinen piirre on suhteellisen suuren määrän raskaita komponentteja läsnäolo seoksessa.

"Alkuperäisistä säiliöolosuhteista riippuen öljyt jaetaan kyllästyneisiin ja alityydyttyneisiin. Jos alkuperäiset säiliön olosuhteet vastaavat pistettä A kiehumispisteiden käyrällä (kuva 22), silloin öljy on täysin kyllästetty kaasulla.

Kuten kaaviosta voidaan nähdä, kun paine laskee äärettömän pienellä arvolla, kaasua vapautuu kyllästetystä öljystä. Jos alkuolosuhteet vastaavat pistettä A /, joka sijaitsee kiehumispisteiden käyrän yläpuolella, niin öljy on alikyllästynyt kaasulla. Jotta kaasua alkaisi kehittyä tästä alityydytetystä öljystä, painetta on alennettava huomattavasti (pisteeseen A).

Korkean kutistumisen omaava öljy sisältää enemmän kevyitä hiilivetyjä kuin vähäkutistuva öljy. Tällaisten öljyjen kriittinen lämpötila on lähempänä säiliön lämpötilaa, ja saman tilavuusnestepitoisuuden viivat seoksessa ryhmitellään vähemmän lähelle kastepistekäyrää.

Tyypillinen vaihekaavio korkean kutistumisen öljylle on esitetty kuvassa. 23. Tässä tapauksessa sekä muodostukseen että pinnalle saadaan paineen alenemisen seurauksena huomattavasti pienempiä määriä nestettä. Tämä öljy voi olla joko kyllästetty (piste A) tai alikyllästynyt (piste A") kaasua.

”Eri hiilivetyluokat voidaan luonnehtia faasikaavioiden lisäksi koostumuksella, tuotetun nesteen ominaispainolla ja kaasukertoimella.

Pienen kutistumisen omaavien öljyjen kaasukertoimet ovat ~ 180 m 3 / m 3, ominaispaino 0,80 g/cm3 ja enemmän. Erittäin kutistuvien öljyjen kaasusuhde on 180-1400 m 3 / m 3, ominaispaino 0,74-0,80 g/cm3.... Useimpien säiliöjärjestelmien luokittelu voidaan suorittaa vasta säiliöseosnäytteiden yksityiskohtaisen tutkimuksen jälkeen.

Harkitse P− T− X kaavioita binäärijärjestelmille. Intensiivistä opintotyötä P− T− X faasikaaviot osoittivat, että korkeiden paineiden (kymmeniä ja satoja tuhansia ilmakehyksiä) käyttö useissa tapauksissa johtaa faasikaavion tyypin muutokseen, faasi- ja polymorfisten muutosten lämpötilojen jyrkkään muutoksiin, ulkonäköön. uusia faaseja, jotka puuttuvat tietystä järjestelmästä ilmakehän paineessa. Joten esimerkiksi kaavio, jossa on rajoittamaton liukoisuus kiinteässä olomuodossa korkeissa lämpötiloissa ja kiinteän liuoksen α hajoaminen kahdeksi kiinteäksi liuokseksi α1 + α2 matalissa lämpötiloissa, voi vähitellen muuttua kaavioksi eutektiikalla kasvavalla paineella (ks. 4.18, a). Kuvassa 4.18, b esittää Ga – P -järjestelmän faasikaavion, jossa puolijohdeyhdiste GaP muodostuu. Paineesta riippuen tämä yhdiste voi sulaa yhtäpitävästi tai epäyhtenäisesti. Kaksoiskaavion ulkoasu muuttuu vastaavasti. T− X eri isobarisissa osissa kolminkertainen P− T− X kaavioita.

Käytännössä tilava P− T− X kaavioita piirretään hyvin harvoin. Yleensä vaihemuunnoksia kolmiulotteisesti P− T− X ana kaavioita

Riisi. 4.18. a- P− T− X kaavio; b- P− T− X tilakaavio

Ga – P -järjestelmät, joissa on yhteneväinen ja epäyhtenäinen sulava GaP-yhdiste

paineesta riippuen.

lyse käyttämällä projektioaan koneessa P− T, T− X ja P− X, sekä erilaisia ​​poikkileikkauksia lämpötilan tai paineen vakioarvoilla (katso kuva 4.18, a).

Huomaa, että kun analysoidaan järjestelmän vaihemuunnoksia, on erotettava toisistaan P− T− X vaihekaaviot, joissa dissosiaatiopaine P dis9 vähän ja P vaihekaaviossa on ulkoinen paine ja jossa dissosiaatiopaine on korkea ja P- se P dis. Järjestelmissä, joiden komponenttien dissosiaatiopaine on alhainen ja joissa seoksen maksimisulamispiste on alimman kiehumispisteen alapuolella (järjestelmässä ei ole haihtuvia komponentteja), kaasufaasin rooli faasimuutoksissa voidaan jättää huomiotta. Jos jonkin komponentin dissosiaatiopaine on korkea (järjestelmä sisältää erittäin haihtuvia komponentteja), tulee kaasufaasin koostumus huomioida sekä likviduksen ylä- että alapuolella olevissa lämpötiloissa.

Katsotaanpa tarkemmin vaihekaavioita. P dis - T− X korkealla

dissosiaatiopaine (vaihekaaviot haihtuvilla komponenteilla). On huomattava, että huomio niihin on lisääntynyt haihtuvia komponentteja sisältävien yhdisteiden lisääntyneen roolin yhteydessä puolijohdeelektroniikassa. Näitä ovat esimerkiksi IIIIBV-yhdisteet, jotka sisältävät haihtuvia komponentteja fosforia ja arseenia, IIIBVI-yhdisteet, jotka sisältävät elohopeaa, AIVBVI-yhdisteet, jotka sisältävät rikkiä jne.

Kaikilla puolijohdeyhdisteillä on enemmän tai vähemmän laajennettu homogeenisuusalue, eli ne pystyvät liukenemaan itsestään

9 P- epätasapaino tietyissä olosuhteissa kaikkien tasapainossa olevien faasien dissosiaatiopaine. Jos järjestelmässä on yksi erittäin haihtuva komponentti P dis on järjestelmän erittäin haihtuvan komponentin tasapaino-dissosiaatiopaine.

mikä tahansa komponentti, joka ylittää stoikiometrisen koostumuksen, tai kolmas komponentti.

Mahdolliset poikkeamat stoikiometrisesta koostumuksesta vaikuttavat sähköisiin ominaisuuksiin (katso luku 3). Siksi toistettavissa olevien kiteiden tuottamiseksi, jotka sisältävät haihtuvaa komponenttia, jolla on halutut ominaisuudet, on myös tarpeen saada tietyn koostumuksen omaavia toistettavia yhdisteitä.

Yhdisteen yhden komponentin haihtuvuus johtaa kuitenkin poikkeamaan stökiömetrisestä koostumuksesta johtuen tyhjien - anionisten tai kationisten - muodostumisesta riippuen minkä komponentin korkeammasta dissosiaatiopaineesta ja vastaavasti toisen komponentin ylimäärästä. . Kuten Ch. 3, useiden yhdisteiden vapaat työpaikat voivat luoda vastaanottaja- tai luovuttajatasoja, mikä vaikuttaa fysikaalisiin ominaisuuksiin.

A- ja B-asemissa olevien tyhjien paikkojen muodostumisenergia ei ole lähes koskaan sama, joten myös anionisten ja kationisten tyhjien paikkojen pitoisuus on erilainen ja yhdisteen homogeenisuusalue osoittautuu epäsymmetriseksi stoikiometrisen koostumuksen suhteen. Näin ollen lähes kaikkien yhdisteiden maksimisulamispiste ei vastaa stoikiometrisen koostumuksen metalliseosta.

Haihtuvuudesta johtuva muutos yhdisteen koostumuksessa voidaan estää, jos se kasvatetaan sulasta tai liuoksesta haihtuvan komponentin ulkoisessa paineessa, joka on yhtä suuri kuin dissosiaatiopaine kasvulämpötilassa. Tämä ehto valitaan käyttämällä P dis - T– X kaavioita.

Haihtuvan komponentin dissosiaatiopaine metalliseoksissa riippuu voimakkaasti sen koostumuksesta, pääsääntöisesti se pienenee tämän komponentin pitoisuuden pienentyessä, kuten esimerkiksi In – As -järjestelmässä (arseenin dissosiaatiopaine laskee lähes neljä suuruusluokkaa, ja arseenipitoisuus laski välillä 100-20 %. Tämän seurauksena yhdisteessä olevan haihtuvan komponentin dissosiaatiopaine on paljon pienempi kuin puhtaan komponentin dissosiaatiopaine samassa lämpötilassa.

Tätä seikkaa käytetään kahden lämpötilan kaaviossa tämän yhdisteen saamiseksi. Yhdessä uunissa luodaan kaksi lämpötilavyöhykettä.

10 Siitä huolimatta yhdisteille, erityisesti AIII BV:lle, joilla on kapea homogeenisuusalue, ja useimpien yhdisteiden, erityisesti AIV BVI, joiden homogeenisuusalueen keskimääräinen leveys on, yhteydessä käytetään kongruenttisulavien yhdisteiden käsitettä, koska todellisen sulamisen poikkeamat yhdisteen piste stoikiometrisen koostumuksen yhdisteen sulamispisteestä ovat merkityksettömiä. ...

Riisi. 4.19. P dis - T-osio P dis - T− X Pb – S -järjestelmän tilakaaviot. 1 -

kolmivaiheinen linja; 2 - PS 2 puhdasta rikkiä yli PbS + S2; 3 - PS 2 yli PbS + Pb.

Yhdellä on lämpötila T 1, joka on yhtä suuri kuin yhdisteen kiteytyslämpötila. Säiliö sulateineen asetetaan tähän. Toiselle vyöhykkeelle sijoitetaan yhdisteen puhdas haihtuva komponentti As. Lämpötila T 2 toisella vyöhykkeellä pidetään samana lämpötilan kanssa, jossa haihtuvan komponentin dissosiaatiopaine puhtaassa muodossaan on yhtä suuri kuin tämän komponentin dissosiaatiopaine yhdisteessä lämpötilassa T 1. Tämän seurauksena ensimmäisessä vyöhykkeessä yhdisteen yläpuolella olevan haihtuvan komponentin höyrynpaine on yhtä suuri kuin sen osittainen dissosiaatiopaine yhdisteessä, mikä estää tämän komponentin haihtumisen sulatuksesta ja varmistaa yhdisteen kiteytymisen. annettu koostumus.

Kuvassa 4.19 annetaan P− T Pb – S -vaihekaavion projektio.

Kiinteä viiva osoittaa kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen faasin kolmivaiheisen tasapainon viivan, mikä rajoittaa kiinteän yhdisteen stabiilisuusaluetta; katkoviiva - isokonsentraatioviivat homogeenisuusalueella. Isokonsentraatioviivat osoittavat koostumuksia, joilla on yhtä suuri poikkeama stoikiometriasta (identtiset koostumukset) kohti ylimääräistä lyijyä (johtavuus) n-tyyppiä) tai kohti ylimääräistä rikkiä (johtavuus p-tyyppi), tasapaino annetuilla rikkihöyryn lämpötilan ja paineen arvoilla. Linja n= p vastaa lämpötilan ja paineen arvoja PS 2, jossa kiinteällä faasilla on tiukasti stoikiometrinen koostumus. Se ylittää kolmifaasilinjan lämpötilassa, joka on stoikiometrisen yhdisteen sulamispiste. tai kohti ylimääräistä rikkiä (johtavuus p-tyyppi).

Kuten kuvasta näkyy. 4.19, stoikiometrisen koostumuksen yhdisteen sulamispiste on alhaisempi kuin maksimisulamispiste, joka seoksella, jossa on ylimäärä lyijyä, on verrattuna kaavan koostumukseen. Kidekoostumuksen jyrkkä riippuvuus haihtuvan komponentin osittaisesta höyrynpaineesta nähdään. Korkeissa lämpötiloissa kaikki eri koostumuksia vastaavat käyrät lähestyvät viivaa n= p... Lämpötilan laskiessa eri koostumuksia vastaavien tasapainopaineiden välinen ero kasvaa. Tämä selittää vaikeuden saada tietyn koostumuksen mukainen seos suoraan kiteytyksen aikana korkeissa lämpötiloissa. Koska eri koostumusten osapainekäyrät ovat lähellä, pienet satunnaiset poikkeamat haihtuvan komponentin höyrynpaineessa voivat johtaa huomattavaan muutokseen kiinteän faasin koostumuksessa.

Jos kiteelle kasvatuksen jälkeen altistetaan pitkäkestoinen hehkutus alemmissa lämpötiloissa ja sellaisessa paineessa, että eri koostumusten isokonsentraatioviivat eroavat jyrkästi, kiteen koostumus voidaan saattaa määrättyyn arvoon. Tätä käytetään usein käytännössä.

Johdanto

1. Vaihekaavioiden tyypit

2. Mikroelektroniikan kannalta tärkeät järjestelmät

3. Kiinteän aineen liukoisuus

4. Vaiheensiirrot

Kirjallisuus

Johdanto

Tilan vaihekaaviot ovat olennainen osa materiaalien ominaisuuksista keskustelua, kun kyse on eri materiaalien vuorovaikutuksesta. Tilan vaihekaaviot ovat erityisen tärkeitä mikroelektroniikassa, koska lyijyjen ja passivointikerrosten valmistuksessa on tarpeen käyttää suurta joukkoa erilaisia ​​materiaaleja. Integroitujen piirien valmistuksessa pii on läheisessä kosketuksessa eri metallien kanssa, kiinnitämme erityistä huomiota niihin vaihekaavioihin, joissa pii esiintyy yhtenä komponenttina.

Tässä esseessä tarkastellaan, millaisia ​​faasikaaviot ovat, faasisiirtymän käsitettä, kiintoaineliukoisuutta, mikroelektroniikan tärkeimpiä ainejärjestelmiä.

1. Vaihekaavioiden tyypit

Yksivaiheiset tilakaaviot ovat kaavioita, joissa paineesta, tilavuudesta ja lämpötilasta riippuen kuvataan vain yhden materiaalin vaihetila. Yleensä ei ole tapana piirtää kolmiulotteista kuvaajaa kaksiulotteiselle tasolle - ne edustavat sen projektiota lämpötila-painetasolle. Esimerkki yksivaiheisesta tilakaaviosta on kuvassa. yksi.

Riisi. 1. Yksivaiheinen tilakaavio

Kaaviossa on selkeästi rajattu alueet, joilla materiaali voi olla vain yhdessä faasitilassa - kiinteänä, nesteenä tai kaasuna. Rajattuja viivoja pitkin aineella voi olla kaksi faasitilaa (kaksi faasia), jotka ovat yhteydessä toisiinsa. Mikä tahansa yhdistelmistä tapahtuu: kiinteä - neste, kiinteä - höyry, neste - höyry. Kaavion viivojen leikkauspisteessä, niin sanotussa kolmoispisteessä, kaikki kolme vaihetta voivat olla olemassa samanaikaisesti. Lisäksi tämä on mahdollista yhdessä lämpötilassa, joten kolmoispiste toimii hyvänä lähtökohtana lämpötiloille. Yleensä veden kolmoispiste toimii referenssipisteenä (esim. tarkkuusmittauksissa termoelementeillä, joissa referenssiliitos koskettaa jää-vesi-höyryjärjestelmää).

Kaksoisvaihekaavio (binäärijärjestelmän tilakaavio) edustaa kahdesta komponentista koostuvan järjestelmän tilaa. Tällaisissa kaavioissa ordinaatta on lämpötila, ja abskissa on seoksen komponenttien prosenttiosuus (yleensä joko prosenttiosuus kokonaismassasta (wt%) tai prosenttiosuus atomien kokonaismäärästä (at%)). Paine asetetaan yleensä arvoon 1 atm. Kun tarkastellaan nestemäisiä ja kiinteitä faaseja, tilavuuden mittaus jätetään huomiotta. Kuvassa 2. Näyttää tyypillisen kaksivaiheisen tilakaavion komponenteille A ja B paino- tai atomiprosentteina.

Riisi. 2. Kaksivaiheinen tilakaavio

Kirjain  tarkoittaa aineen A faasia liuenneen aineen B kanssa,  tarkoittaa aineen B faasia, jossa on liuennutta ainetta A, ja  +  tarkoittaa näiden faasien seosta. Kirjain (sanasta neste - neste) tarkoittaa nestefaasia ja L +  ja L +  tarkoittavat nestefaasia plus faasia tai vastaavasti. Vaiheet jakavat viivat, eli viivat, joilla aineen eri faasit voivat esiintyä, on nimetty seuraavasti: solidus - viiva, jolla faasit  tai esiintyvät samanaikaisesti vaiheiden L +  ja L +  kanssa, vastaavasti; solvus on viiva, jolla vaiheet  ja  +  tai  ja  + esiintyvät rinnakkain, ja likvidus on viiva, jolla vaihe L esiintyy samanaikaisesti vaiheen L +  tai L +  kanssa.

Kahden likvidusviivan leikkauspiste on usein alhaisin sulamispiste kaikille mahdollisille aineiden A ja B yhdistelmille, ja sitä kutsutaan eutektiseksi pisteeksi. Seosta, jossa on komponenttien suhde eutektisessa pisteessä, kutsutaan eutektiseksi seokseksi (tai yksinkertaisesti eutektiseksi seokseksi).

Tarkastellaan, kuinka seoksen siirtyminen nestemäisestä tilasta (sula) kiinteään aineeseen tapahtuu ja kuinka faasidiagrammi auttaa ennustamaan kaikkien tietyssä lämpötilassa esiintyvien faasien tasapainokoostumuksen. Käännytään kuvaan. 3.

Riisi. 3. Kaksivaiheinen tilakaavio, joka esittää jähmettymisprosesseja

Oletetaan, että alun perin seoksen koostumus oli C M lämpötilassa T 1, lämpötilassa T 1 - T 2 on nestefaasi ja lämpötilassa T 2 on samanaikaisesti L ja  faasit. Läsnä olevan L-faasin koostumus on C M, faasin koostumus on C  1. Kun lämpötila laskee edelleen arvoon T 3, nesteen koostumus muuttuu likviduskäyrää pitkin ja -faasin koostumus - soliduskäyrää pitkin, kunnes se leikkaa isotermin (vaakaviiva) T 3:n kanssa. Nyt L-faasin koostumus on C L ja faasin koostumus on C  2. On huomioitava, että koostumuksessa C  2 ei saa olla ainoastaan ​​ainetta, joka on siirtynyt faasiin  lämpötilassa T 3, vaan myös kaiken aineella, joka on siirtynyt -faasiin korkeammassa lämpötilassa, täytyy olla koostumukseltaan C  2. Tämä koostumusten kohdistaminen tulisi tapahtua komponentin A kiinteän olomuodon diffuusiolla olemassa olevaan faasiin , jotta lämpötila T3 saavuttaessa koko faasissa  olevalla aineella on koostumus C2. Lämpötilan lasku vie meidät eutektiseen pisteeseen. Siinä faasit  ja ovat olemassa samanaikaisesti nestefaasin kanssa. Alemmissa lämpötiloissa vain  ja vaiheet ovat olemassa. Muodostuu koostumuksen C E faasien  ja  seos aggregaattien  kanssa, joiden alkukoostumus on C  3. Sitten, kun tätä seosta pidetään pitkään eutektiikan alapuolella olevassa lämpötilassa, voit saada kiinteän aineen. Tuloksena oleva kiinteä aine koostuu kahdesta faasista. Kunkin faasin koostumus voidaan määrittää isotermin ja vastaavan solvus-viivan leikkauspisteessä.

Olemme juuri osoittaneet, kuinka kunkin läsnä olevan vaiheen koostumus määritetään. Tarkastellaan nyt ongelmaa aineen määrän määrittämisessä kussakin vaiheessa. Sekaannusten välttämiseksi kuva Fig. 4. Jälleen kerran näytetään yksinkertainen kaksivaiheinen kaavio. Oletetaan, että lämpötilassa T 1 sulatteen koostumus on C M (tarkoittaa komponenttia B), sitten T 2:ssa faasin L koostumus on C L ja faasin  koostumus on C s. Olkoon M L aineen massa kiinteässä tilassa ja M S - aineen massa kiinteässä tilassa. Kokonaismassan säilymisen ehto johtaa seuraavaan yhtälöön

(M L + M S) C M = M L C L + M S C S.

Riisi. 4. Tasosääntö

Se kuvastaa sitä tosiasiaa, että aineen kokonaismassa lämpötilassa T 1 kerrottuna prosentilla B on aineen B kokonaismassa. Se on yhtä suuri kuin nesteessä olevan aineen B massojen summa. ja kiinteät faasit lämpötilassa T2. Ratkaisemalla tämän yhtälön saamme

. (1)

Tätä ilmaisua kutsutaan "tasosäännöksi". Tätä sääntöä käyttämällä, kun tiedetään sulatteen alkuperäinen koostumus ja sen kokonaismassa, on mahdollista määrittää molempien faasien massat ja aineen B määrä missä tahansa faasissa kaksivaihekaavion mille tahansa jaksolle. Samalla tavalla voit laskea ja

Kuvassa 5. Toinen esimerkki sulan kiinteytymisestä on esitetty. Lämpötilan lasku T1:stä T2:ksi johtaa L- ja -faasien sekoittumiseen koostumuksen C M ja C kanssa, vastaavasti. Edelleen jäähtyessä koostumus L muuttuu nestettä pitkin ja koostumus  muuttuu solidusta pitkin, kuten aiemmin on kuvattu. Kun lämpötila T3 saavutetaan, koostumuksesta  tulee yhtä suuri kuin C M, ja kuten tasosäännöstä seuraa, lämpötilassa, joka on alle T3, nestefaasia ei voi olla olemassa. Alle T 4 lämpötiloissa faasit  ja  esiintyvät faasien  ja aggregaatteina. Esimerkiksi lämpötilassa T 5 -faasin aggregaattien koostumus määräytyy isotermin T 5 ja solvusin  leikkauspisteen mukaan. Koostumus  määritetään samalla tavalla - isotermin ja solvusin  leikkauspisteellä.

Riisi. 5. Kaksivaiheinen diagrammi ja kovetusprosessi missä tahansa vaiheessa läsnä olevan aineen A määrä

Kaksivaiheisen diagrammin osat, joita tähän asti kutsutaan nimellä  ja , ovat kiinteän liukoisuuden alueita: alueella A ja B ovat liuenneet. Suurin määrä A:ta, joka voi liueta B:hen tietyssä lämpötilassa riippuu lämpötila. Eutektisessa tai korkeammassa lämpötilassa voi tapahtua nopea A:n ja B:n fuusio. Jos tuloksena oleva seos jäähdytetään äkillisesti, niin A-atomit voivat jäädä hilaan B. Mutta jos kiinteän aineen liukoisuus huoneenlämpötilassa on paljon alhaisempi (tämä viittaa siihen, että tässä lämpötilassa tarkasteltava lähestymistapa ei ole kovin sopiva), silloin lejeeringissä voi syntyä voimakkaimmat jännitykset, jotka vaikuttavat merkittävästi sen ominaisuuksiin (merkittävien jännitysten läsnäollessa ilmaantuu ylikylläisiä kiinteitä liuoksia ja järjestelmä on ei ole tasapainotilassa, ja kaavio antaa tietoa vain tasapainotiloista ). Joskus tällainen vaikutus on toivottava, esimerkiksi kovetettaessa terästä karkaisemalla martensiitin saamiseksi. Mutta mikroelektroniikassa sen tulos on tuhoisa. Siksi seostus, eli lisäaineiden lisääminen piihin ennen diffuusiota, suoritetaan korotetuissa lämpötiloissa siten, että estetään liiallisesta seostuksesta johtuvat pintavauriot. Jos lisäaineen määrä substraatissa osoittautuu korkeammaksi kuin kiinteän aineen liukoisuusraja missä tahansa lämpötilassa, ilmaantuu toinen vaihe ja siihen liittyvä muodonmuutos.

2. Mikroelektroniikan kannalta tärkeiden aineiden järjestelmät

On olemassa useita materiaaleja, jotka liukenevat täysin toisiinsa. Esimerkkinä on kahden mikroelektroniikan kannalta tärkeän aineen, kuten piin ja germaniumin, järjestelmä. Pii-germanium-järjestelmä on esitetty kuvassa. 6.

Riisi. 6. Järjestelmän pii - germanium

Kaaviossa ei ole eutektista pistettä. Tällaista kaaviota kutsutaan isomorfiseksi. Jotta kaksi elementtiä olisi isomorfinen, niiden on noudatettava Hume-Rotheryn sääntöjä, ts. ero atomisäteiden arvoissa on korkeintaan 15%, sama todennäköisyys, sama kidehila ja lisäksi suunnilleen sama elektronegatiivisuus (atomin elektronegatiivisuus on sen luontainen perhe, joka houkuttelee tai sieppaa ylimäärää elektronit kovalenttisilla sidoksilla). Cu-Ni-, Au-Pt- ja Ag-Pd-järjestelmät ovat myös isomorfisia.

Pb-Sn-järjestelmä on hyvä esimerkki yksinkertaisesta binäärijärjestelmästä, jolla on merkittävä, vaikkakin rajallinen, kiinteä liukoisuus. Tämän järjestelmän tilojen vaihekaavio on esitetty kuvassa. 7. Soliduksen ja solvuksen leikkauspistettä kutsutaan rajaliukoisuudeksi, sekä tinan lyijyssä että lyijyssä tinaan rajaliukoisuuden arvo on suuri. Tämä järjestelmä on tärkeä mikroelektroniikan kannalta tina-lyijyjuotteiden laajan käytön vuoksi. Heidän tämän järjestelmän kaksivaiheinen kaavio osoittaa, kuinka seoksen koostumuksen muutos muuttaa sen sulamispistettä. Kun mikropiirin valmistuksessa on suoritettava useita peräkkäisiä juotoksia, niin jokaisessa myöhemmässä juotuksessa käytetään juotetta, jolla on alhaisempi sulamispiste. Tämä tehdään niin, että aiemmin tehdyt annokset eivät virtaa.

Riisi. 7. Lyijy-tinajärjestelmän tilojen vaihekaavio

Mikropiirien valmistuksessa myös Au - Si -järjestelmän ominaisuudet ovat tärkeitä, koska tämän järjestelmän eutektinen lämpötila on erittäin alhainen verrattuna puhtaan kullan tai puhtaan piin sulamislämpötiloihin (kuva 9). Kullan liukoisuus piiin ja piin kultaan ovat liian pieniä heijastuakseen tavanomaiseen tilojen faasidiagrammiin. Matalasta eutektisesta lämpötilasta johtuen osoittautuu edulliseksi asentaa mikropiirikiteitä kultapohjaisille alustoille, pidikkeille tai levyille, joissa on kultaiset kosketuslevyt, käyttämällä Au - Si eutektista reaktiota päähitsaus- (tai juotos-) mekanismina. Piikiteiden juottamiseen käytetään myös kultaa, joka sisältää muutaman prosentin germaniumia.

Kemiallisia yhdisteitä muodostavilla alkuaineiden yhdistelmillä on monimutkaisempia faasikaavioita. Ne voidaan jakaa kahteen (tai useampaan) yksinkertaisempaan kaavioon, joista jokainen viittaa tiettyyn kytkentäpariin tai yhdisteeseen ja elementtiin. Esimerkiksi AuAl 2 muodostuu yhdistämällä 33 % (atomiprosenttia) kultaa alumiiniin alle 1060°:n lämpötiloissa (kuva 2.10). Tämän rivin vasemmalla puolella AuAl 2 ja puhdas alumiinifaasi ovat rinnakkain. Yhdisteitä, kuten AuAl 2, kutsutaan intermetallisiksi ja ne muodostuvat näiden kahden alkuaineen sopivassa stoikiometrisessä suhteessa. Metallienvälisille yhdisteille on tunnusomaista korkea sulamispiste, monimutkainen kiderakenne ja lisäksi niille on tunnusomaista kovuus ja hauraus.

Tilan Au - Al -vaihekaavio voidaan jakaa kahteen tai useampaan kaavioon, esimerkiksi Al - AuAl 2 -kaavioon ja AuAl 2 - Au -kaavioon.

Riisi. 8. Järjestelmä alumiini - pii

Kuvassa Au - Al -järjestelmän kaavio. 2.10 on äärimmäisen tärkeä mikroelektroniikassa, koska yleensä kultalangat liitetään piin päällä olevaan alumiinimetallointikerrokseen. Tässä on lueteltu useita tärkeitä metallien välisiä yhdisteitä: AuAl 2, Au 2 Al, Au 5 Al 2 ja Au 4 Al. Kaikki ne voivat olla läsnä Au - Al -sidosten johtimissa.

Riisi. 9. Järjestelmäkulta - pii

Riisi. 10. Järjestelmä kulta - alumiini

3. Kiinteän aineen liukoisuus

Useimpien seostusaineiden rajaliukoisuus piihin on erittäin alhainen, eikä se itse asiassa ole suurin liukoisuus. Kuvassa Kuva 11 esittää tyypillisen soliduskäyrän epäpuhtaudelle ilman piitä. Huomaa, että liukoisuus nousee lämpötilan myötä tiettyyn arvoon ja laskee sitten nollaan piin sulamispisteessä. Tällaista käyrää kutsutaan retrogradiseksi liukoisuuskäyräksi. Tämän kaavion jalostettu versio piin sulamispisteen läheisyydessä on esitetty kuvassa. 12.

Riisi. 11 Piin retrogradinen liukoisuus

Riisi. 12 Tyypillinen piin faasikaavio

Jos piisulan koostumus on yhtä suuri kuin C M prosentteina liuenneen aineen massasta, niin pii jähmettyy liuenneen aineen pitoisuudella kC M, missä k on erotuskerroin (k = C S / C L). Kun kiinteän aineen pitoisuus saavuttaa C M -arvon jäätymisen aikana, nesteliuoksen pitoisuus on C M / k, koska nesteen ja kiinteiden rastereiden pitoisuuksien suhteen tulee olla yhtä suuri kuin k. Solidusviivan kaltevuus on siis

,

ja likviduksen kaltevuus on

.

Likviduksen ja soliduksen kaltevuuden suhde osoittautuu yhtä suureksi kuin segregaatiokerroin

. (2)

4. Vaiheensiirrot

Siirtyy vaihetilasta toiseen, kun järjestelmän parametreja muutetaan.

Ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymät (haihtuminen, kondensaatio, sulaminen, kiteytyminen, siirtymät kiteisestä modifikaatiosta toiseen).

Aineiden kiteinen tila luokitellaan seitsemän järjestelmän mukaan (trikliininen, monokliininen, rombinen, tetragonaalinen, trigonaalinen tai rombinen ..., kuusikulmainen, kuutio), kun taas atomien sijoittumiselle näissä järjestelmissä on tunnusomaista 14 tyyppistä hilaa (Bravais-hila). ). Atomien pakkausaste näissä hilassa on erilainen:

Yksinkertainen kuutio f = 0,52

Rungon keskitetty kuutio f = 0,68

Kasvokeskeinen kuutio f = 0,74

Kuusikulmainen sulkutiiviste f = 0,74

Näistä tiedoista seuraa erittäin tärkeä johtopäätös: polymorfisten muutosten aikana (muutos kidehilan tyypissä) tapahtuu muutosta materiaalien tilavuudessa ja siten myös fysikaalis-kemiallisissa ominaisuuksissa.

Ensimmäisen asteen siirtymissä kaksi vaihetta esiintyy rinnakkain siirtymäpisteessä.

A  B 

a) siirto suoritetaan tietyssä lämpötilassa T kaista

b) siirtymän aikana energian ensimmäiset derivaatat muuttuvat äkillisesti: entalpia, entropia, tilavuus (siis tiheys)

Toisen tyyppiset vaihesiirrot

Toisen tyyppisissä siirtymissä vapaan energian, entalpian, entropian, tilavuuden ja tiheyden ensimmäiset derivaatat muuttuvat monotonisesti.

Bariumtitanaatti - kuutiorakenne -> tetragonaalinen tyypillinen pietsosähköinen.

MnO on antiferromagneetti 117 K:ssa menee paramagneettiseen vaiheeseen.

1. Eripresiten vuonna 1933 ehdottaman vaihemuunnosten luokituksen mukaan muunnokset on jaettu I- ja II-tyyppisiin muunnoksiin (siirtymiin).

Ensimmäisen tyyppisille siirtymille on ominaista se, että termodynaamisen potentiaalin ensimmäiset derivaatat  lämpötilan ja paineen suhteen muuttuvat äkillisesti

tässä S - entropia, V - tilavuus

Koska termodynaaminen potentiaali faasisiirtymän aikana muuttuu jatkuvasti, määräytyy lausekkeen avulla

silloin myös energian U täytyy muuttua äkillisesti. Koska

sitten muutoksen lämpö

on yhtä suuri kuin lämpötilan ja faasien entropian eron tulo eli äkillinen lämmön muutos tai absorptio.

Termodynaamisen potentiaalin jatkuva muutos on tärkeää. Funktiot (T) ja (T) eivät muuta piirteitä faasisiirtymäkohdan lähellä, kun taas vaihesiirtymäkohdan molemmilla puolilla on termodynaamisen potentiaalin minimit.

Tämä ominaisuus selittää vaiheiden ylikuumenemisen tai ylijäähtymisen mahdollisuuden, jos järjestelmässä tapahtuu vaihemuutoksia.

Määritetään suhde termodynaamisten funktioiden hyppyjen ja välillä. Lämpötilan suhteen erottamisen jälkeen saadaan suhde Funktio (P, T) = (P, T), kun otetaan huomioon lausekkeet S:lle, V:lle ja q:lle.

Tämä on kuuluisa Cliperon-Clausisin kaava. Sen avulla voit määrittää paineiden muutoksen faasien tasapainossa lämpötilan muutoksella tai siirtymälämpötilan muutoksella kahden faasin välillä paineen muutoksella. Äkillinen tilavuuden muutos johtaa siihen, että rakenteen ja faasijärjestelmän välillä ei ole varmaa yhteyttä, jotka muuttuvat ensimmäisen asteen vaihemuutoksen aikana, jotka tämän yhteydessä muuttuvat äkillisesti.

Tyypillisiä ensimmäisen tyyppisille faasisiirtymille ovat siirtymät aineen aggregaatiotilojen välillä, allotrooppiset muunnokset, monet faasimuutokset monikomponenttimateriaalissa.

Perusero toisen kertaluvun faasisiirtymien ja ensimmäisen kertaluvun faasisiirtymien välillä on seuraava: toisen kertaluvun faasisiirtymille on tunnusomaista sekä termodynaamisen potentiaalin muutoksen jatkuvuus että termodynaamisen potentiaalin derivaatan muutoksen jatkuvuus.

Kemiallinen tasapaino

Termodynaaminen funktio on tilafunktio, joka määrittää termodynaamisten potentiaalien muutoksen, kun systeemin hiukkasten määrä muuttuu. Toisin sanoen on olemassa funktio, joka määrittää komponentin spontaanin siirtymisen suunnan ja rajan yhdestä vaiheesta toiseen asianmukaisissa muunnoksissa ja olosuhteissa (T, P, V, S, n i).

Termodynaamiset potentiaalit liittyvät toisiinsa seuraavilla suhteilla

Aineen määrä grammoina; - aineen määrä mooliina;

M on vastaavan aineen molekyylipaino.

Kiinteiden liuosten teorialle, jolla kaikki mikroelektroniset laitteet toimivat, Gibbsin kehittämä kemiallisten potentiaalien menetelmä on erittäin tärkeä. Kemiallinen tasapaino voidaan määrittää kemiallisten potentiaalien avulla.

Kemiallista potentiaalia kuvaa energia per 1 atomi

Kemiallinen potentiaali; G on Gibbsin energia;

N o - Avogadron luku, N А - L = mol -1

eli (P, T) = (P, T)

Molemmat käyrät kuvaavat monotonista laskua lämpötilan myötä, mikä määrittää faasien entropian arvon

Tilan vaihekaaviot ovat olennainen osa keskustelua materiaalin ominaisuuksista, kun kyse on eri materiaalien vuorovaikutuksista.

Yksivaiheiset tilakaaviot kuvaavat vain yhden materiaalin vaihetilan.

Kaksoisvaihekaavio (binäärijärjestelmän tilakaavio) edustaa kahdesta komponentista koostuvan järjestelmän tilaa.

Kemiallisia yhdisteitä muodostavilla alkuaineiden yhdistelmillä on monimutkaisempia faasikaavioita.

Kirjallisuus

1. Ormont BF Johdatus puolijohteiden fysikaaliseen kemiaan ja kidekemiaan. - M .: Korkeakoulu, 1973.

2. Fysikaalinen metallurgia / Toimittanut R. Kahn, voi. 2. Vaihemuunnokset. Metallografia. - M .: Mir, 1968.

3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Puolijohde- ja dielektristen materiaalien tekniikka", - M .: Korkeakoulu, 1990r.

4. "Puolijohteita ja puolijohdelaitteita käsittelevä työpaja", toim. Shalimova K.V. - M .: Korkeakoulu, 1968r.

Seuraavaksi peräkkäin analysoimme faasitasapainokaaviota, jossa komponenttien liukoisuus on rajoitettu kiinteässä tilassa ja eutektinen muunnos... Eutektisissa järjestelmissä jommankumman komponentin ensimmäisten määrien lisääminen toiseen aiheuttaa lejeeringin lämpötilan laskun, jolloin likviduskäyrä kulkee eutektiseksi pisteeksi kutsutun lämpötilaminimin läpi. Nesteen liukoisuus on missä tahansa suhteessa, ja liukoisuus kiinteässä tilassa on rajoitettu.

Eutektisen transformaation seurauksena muodostuu erittäin pieniä kiteitä, joita optisessa mikroskoopissa ei voida erottaa. Tästä syystä muunnoksen tuloksena muodostuvat eri faasikomponentit yhdistetään yhdeksi rakennekomponentiksi.

Kuvassa on esimerkki vaihekaaviosta, jossa on eutektinen muunnos. α- ja β-faasit ovat kiinteitä liuoksia. Ilmaus "rajoitetut kiinteät liuokset" soveltuu näihin liuoksiin, koska kunkin liuoksen stabiilisuusalue ulottuu vain kaavion osaan. Näitä faaseja voidaan kutsua myös primäärisiksi kiinteiksi ratkaisuiksi, koska niitä vastaavat alueet alkavat kaavion reunoista (sen sisällä), eivätkä rajoitu molemmilta puolilta jonnekin kaavion keskiosaan. Faaseilla voi olla sama kiderakenne, mutta tämä ei ole välttämätöntä; jokaisella vaiheella on sen komponentin rakenne, jonka kanssa se rajoittuu. Kiinteiden ratkaisujen rakenteelle ei ole asetettu rajoituksia, ne voivat olla sekä korvaavia että interstitiaalisia ratkaisuja.

Kuvassa on kolme kaksivaiheista aluetta: L + α, L + β ja α + β. Ilmeisesti alueet L + α ja L + β ovat kaikissa merkityksissä yhtäpitäviä alueen kanssa L + α-kaaviot, joissa komponenttien liukoisuus on rajoittamaton, joista keskustelimme tämän artikkelin ensimmäisessä osassa. Näiden alueiden voidaan katsoa koostuvan konodeista, jotka yhdistävät kussakin annetussa lämpötilassa nestemäisen ja kiinteän faasin koostumukset, joita edustavat solidus- ja liquidus-viivat. Samoin α + β -alueen katsotaan koostuvan konodeista, jotka yhdistävät kussakin lämpötilassa a-faasin koostumuksen a-liukoisuuskäyrällä vastaavan β-faasin koostumuksen kanssa p-liukoisuuskäyrällä.

Kolme kaksivaiheista aluetta on yhdistetty toisiinsa konodilla ( a - e - b ), joka on yhteinen niille kaikille ja yhdistää kolmen konjugaattifaasin koostumukset, jotka esiintyvät rinnakkain eutektisessa lämpötilassa, eli α (piste a ), nesteet (kohta e) ja β (kohta b ). Tätä viivaa kutsutaan myös eutektiseksi viivaksi tai eutektiseksi vaaka- tai isotermiseksi reaktioksi. Piste e , joka edustaa ainoaa nestettä, joka voi esiintyä samanaikaisesti molempien kiinteiden faasien kanssa, kutsutaan eutektiseksi pisteeksi, eli seoksen pistekoostumukseksi, jolla on alhaisin sulamispiste.

Eutektista muutosta, joka tapahtuu kiinteässä liuoksessa, kutsutaan eutektoidiseksi muunnokseksi.

Artikkelin kolmannessa osassa jatkamme vaihetasapainokaavioiden tarkastelua.