2022-2023学年高二物理竞赛课件：半导体熔体性质

半导体熔 体 性 质 半导体熔 体 性 质 一、粘度 粘度是关系到玻璃制造和加工的一种重要性质 在硅酸盐工业中，熔体的粘度还关系到材料的烧结温度和烧结速率；瓷釉的熔化；耐火材料的使用 熔制玻璃时，粘度小，熔体中气泡容易逸出； 玻璃制品的加工范围和加工方法的选择也和熔体粘度及其随温度变化的速率密切相关等 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 粘度定义：面积为S的两平行液体，在流动时，一层液体将受到另一层液体的牵制，即一层对另一层有作用力F（内磨擦力） F大小与S及垂直流动方向的速度梯度dv/dx成正比： 比例系数：粘度（或内内磨擦力） 粘度是指单位接触面积，单位速度梯度下两层液体间的内磨擦力 粘度单位：泊（或g/cm·s） 粘度倒数：=1/（流动度） 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 硅酸盐熔体粘度差别很大，从十分之几泊到1016泊 不同的粘度范围要用不同的方法测定： 107～108泊高粘度用拉丝法：由玻璃丝受力作用后的伸长速度确定 102～103泊粘度用转筒法：用细铂丝悬挂的转筒浸在液体中转动，转动时受熔体粘度的阻力作用而扭成一定的角度，根据扭转角的大小确定粘度 101.5～1.3x106泊粘度用落球法：通过测定铂球在熔体中下降速度求得粘度 很低粘度用振荡阻滞法：利用铂摆在熔体中振荡时，振幅受阻逐渐衰减的原理测定 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 1. 产生粘度的理论 (1)     绝对速度理论 液体粘滞流动受到阻碍与内部结构有关 熔体中每个质点移动受到周围质点控制，每个质点均落在一定大小势垒U之间，要使这些质点移动，只有获得足以克服周围质点对其的吸引能量时，它的移动才有效。这样的活化质点愈多，流动性愈大 按照波尔兹曼能量分布，活化质点数目与exp(U/KT)成正比，即流动度： 故有： U～质点移动活化能；0~与熔体组成有关的常数；K~波尔兹曼常数；T~绝对温度 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 （2）自由体积理论 液体移动需打开一些蕴藏在液体内部的空隙以允许液体分子的运动。即液体中分布着不规则的、大小不等的“空洞”，这些空洞为液体分子运动及流动提供了空间 空隙（空洞）是由系统中自由体积（Vf）再分布所形成 自由体积：温度T时液体分子体积V减去T0时液体分子的有效硬核体积（紧密堆积的最小体积）V0 T0时，液体分子不运动，温度升高，体积膨胀至V，由此形成自由体积Vf，Vf越大，液体越易移动，粘度越小 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 根据自由体积理论获得的粘度表达式： B-常数，K-约等于1 的常数。粘度与温度关系可由自由体积与温度关系表示 若液体体积V、V0、Vf所对应的温度分别为T、T0、Tf，则有Vf=V-V0=( T-T0)，代入上式可得粘度与温度的VFT（Vogel-Fulcher-Tammann）关系式： 式中，A、B为与熔体组成有关的常数。T0为温度常数 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 按VFT式获得的-T曲线与许多玻璃在Tg温度以上的粘度数据相符合，故其在实际生产中使用较广。 如果在玻璃转变点Tg附近，Vf降为某一微小数值，就可获得WLF（Williams-Labdel-Fdrry）方程： fg-玻璃转变时自由体积，大多数材料取0.025；b-常数可取~1；-熔体与玻璃体的热膨胀系数之差。T0时，Vf =0，此时fg =0，上式就变成VFT公式 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 （3）过剩熵理论 液体由许多结构单元（如离子、原子或质点等）构成，液体的流动就是这些结构单元的再排列过程 结构单元由于热运动，其能量有起伏，如果它们具有足够克服势垒的活化能就会再排列 这些结构单元大小是温度的函数，由组态熵决定。当这种熵减少时，结构单元增大，结构熵等于零时，它的尺寸变得无限大，此时液体不能再排列，即不流动 粘度与结构熵的关系为： C-常数，D-近似常数，与分子重排能量势垒有关，Sc -结构熵 材料科学基础-----熔融态与玻璃态 2012年9月 2. 粘度与温度关系 从式 可得： 当ln与1/T