Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme

Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme
Elektronik Malzeme ve Devre Elemanlarının Prensibi Kaynak: Principles of Elecetronic Materials and Devices, Safa O Kasap, McGraw-Hill Prof. Dr. Hasan Efeoğlu, Ağustos 2006 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Temel Malzeme Bilimi BÖLÜM 1 - KISIM II KRİSTAL YAPI
Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)
Kristal Türleri Kristal yapıda bir katı atomların birbirlerine düzenli bir sıralanış ile bağlandığı periyodik bir dizilimdir. Örneğimiz şekil 1.30 daki bakır. Kristal yapının en önemli özelliği yapısının periyodik olmasıdır. Periyodik yapı uzun mesafeli bir dizilimdir. Bir kristalde bir noktadaki bağın geometrisi eşit aralıklar ile pek çok kez tekrarlanarak kristal yapı oluşturulur. Periyodiklikten dolayı her bir atomun pozisyonu çok iyi bilinir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Tüm kristaller latis ve taban terimleri ile tanımlanır.
Hemen hemen tüm metaller, pek çok seramik ve yarıiletkenler ve pek çok polimer kristalize olmuş katılardır. Tüm kristaller latis ve taban terimleri ile tanımlanır. Latis uzayda atomların bulunması gereken noktaların geometrik nokta dizileri olarak sonsuz tekrarıdır. Birbirine benzer atom grubu veya molekül taban birim (basis) herbir latis noktasına yerleştirilmesi ile gerçek kristal yapıyı elde ederiz. Kristal yapı minimum bir dizilişinin üç boyutta periyodik tekrarı ile oluşur. Tekrarlayan yapının tanımlanması kristalin özelliklerini ortaya koyma açısından önemlidir. Bu tekrarlanan yapı Birim Hücre dir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

FCC Yapı Bakırın birim hücresi köşelerde ve herbir yüzeyin merkezinde birer Cu atomu olmak üzere yüzey merkezli kübik yapıdadır. Face Centered Cubic – FCC Cu atomları komşu hücreler ile ortak olduğundan, köşelerdeki atomların 1/8 i yüzeydeki atomların ½ i birim hücreye aittir. (Şekil 1.30 a bak) Bunun manası her birim hücre 4 atom ihtiva eder. Kübik birim hücrenin boyutu örgü parametresidir ve a ile gösterilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Cu için a=0.362 nm fakat Cu’ın yarıçapı nm FCC yapısı sıkı paketlenmiş yapıdır. FCC yapısında atomların doldurma oranına ait doluluk oranı %74 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

BCC Yapı Demirle karşılaştırıldığında, Fe cisim merkezli yapıdadır. Birim hücrenin doluluk oranı %68 ile daha düşüktür. Şekil 1.31 Body Centered Cubic - BCC Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

HCP Yapı Bir diğer yapıda Şekil 1.32a daki hegzagonal yapıdaki dizilimdir. Hexagonal Closed-Packed (HCP) yapı. Bu yapıda doluluk oranı da %74 dür. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Elmas Yapı - Zinc Blend Kovalent bağa sahip silisyum ve germanyum gibi kristaller elmas kübik yapıdadır. Her bir köşede ve yüzey merkezinde atom olmasına rağmen FCC yapısı görünse de hücre içinde dört atom daha vadır. Şekil 1.33 Birim hücre başına sekiz atom mevcuttur. a C F i g . 1 3 : T h e d m o n u t c l s b G r y S ( - ) v Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Yapıda Ga ve As ardışık tekrarlamalı yerleşmiştir.
Silisyumda olduğu gibi GaAs kristalinde her bir atom dört yönde bağ yapar. Şekil 1.34 de de görüldüğü üzere birim hücre elmas tipi kübik yapıdadır. Yapıda Ga ve As ardışık tekrarlamalı yerleşmiştir. Bu yapı ZnS dolayı Zinc Blend-Çinko Blend yapısı olarak bilinir. Bilinen bileşik yarıiletkenlerinin çoğunluğu bu yapıda kristalleşir. GaAs bu bileşikler içinde en çok bilinendir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal Oluşumunda Boyutun Etkisi Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

NaCl Yapısı Na+ iyonu Cl- iyonunun yarısı boyuttadır. Cl iyonuna en yakın altı iyon bulunur. İyonik katılarda katyonlar (Na+) ve anyonlar (Cl-) her doğrultuda birbirleri ile etkileşir, çekim kuvveti ortaya çıkar. Kristal yapı karşıt yüklerin bir araya nasıl geleceği ve benzer iyonların birbirlerinden nasıl uzakta olacağı bir simetrinin ortaya çıkması ile oluşur. Bu iyonların relatif yüklerine bağlıdır. İyonik kristal için örneğimiz NaCl, Şekil 1.36 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

CsCl Yapısı Anyon ve katyon aynı boyuta sahip olduğunda ortaya çıkan yapıdır. Bu yapı gerçek BCC yapısı değildir çünkü değişik BCC yapıda örgü noktaları farklıdır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Table 1.3 Properties of some important crystal structures Crystal Structure a and R ( is the radius of the atom). Coordination Number (CN) Number of atoms per unit cell Atomic Packing Factor Examples Simple cubic = 2 6 1 0.52 None BCC = 4 /3 8 2 0.68 Many metals: - Fe, Cr, Mo, W FCC /2 12 4 0.74 Many metals Ag, Au, Cu, Pt HCP c = 1.633a Many metals: Co, Mg, Ti, Zn Diamond = 8 0.34 Covalent solids: Diamond, Ge, Si, Sn. Zinc bl ende Many covalent and ionic solids. Many compund semiconductors. ZnS, GaAs, GaSb, InAs, InSb NaCl 4 cations 4 anions 0.67 (NaCl) Ionic solids such as NaCl, AgCl, LiF MgO, CaO Ionic packing factor depends on relative sizes of ion s. CsCl 1 cation 1 anion Ionic solids such as CsCl, CsBr, CsI From Principles of Electronic Materials and Devices, Second Edition , S.O. Kasap (© McGraw- Hill, 2002) Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örnek 1.10 FCC yapısında Bakır
Bakır için kristal örgü FCC ise Birim hücresinde kaç atom vardır. Cu atomunun yarıçapı R ise, örgü parametresinin a=R22 olduğunu gösteriniz. Atomik paketleme faktörünü hesaplayınız. Birim hacim başına atom yoğunluğunu hesaplayınız. Cu için atomik kütle gmol-1 ve Cu ın çapı 0.128nm dir. Çözüm Birim hücrede dört atom vardır. Köşelerdeki herbir Cu atomu 8 hücre ile paylaşılır. Yüzey merkezindeki herbir Cu komşu hücre ile ½ paylaşılır. Hücreye toplam atom sayısı=8 köşe x 1/8 + 6 yüz x ½ = 4 atom Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Şekil 1.38 deki çizimi göz önüne alalım. Herbir kenar a olmak üzer örgü sabitidir. Köşegen uzunluğu (a2+a2) veya a2 atomların yarı çapı cinsinden köşegen uzunluğu R+2R+R=4R dir 4R= a2 den a=0.3620nm bulunur. APF=Birim hücrede atomların sayısıxatomun hacmi/Birim hücrenin hacmi Genel olarak birim hücrede x atom var ise atomik yoğunluk Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal Yönelimleri ve Düzlemler
Her bir kristal için kristal yapı-kristal örgü mevcuttur. Genel olarak temel kristal yapı kenar uzunlukları a, b, c açılar , ,  ile verilir ve bunlar örgü parametreleridir. Örnek olarak Cu ve Fe in birim hücresinde a=b=c =  =  = 90 Çinko hegzagonal yapıda olup a=bc =  =90 ve  = 120 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

KRİSTAL İÇİNDE DOĞRULTU Bir kristal içinde tüm paralel vektörler aynı indise sahiptir. Birim hücrenin konduğu koordinat sistemin orijininden başlayıp örgüyü oluşturan yüzeylerden birini kesen P noktasının koordinatları xo, yo,zo bu vektörü tanımlamada kullanılır. İşlemi genleştirme açısından örgü parametreleri olan a, b, c tanımlaması daha kullanışı olur. Şekil 1.39b Aynı şekilde xo, yo,zo ½ a, b, ½ c P noktası x1, y1,z1 ½ , 1, ½ Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bu sayıları çarpma veya bölme ile en küçük tamsayı grubu elde edildiğinde, elde edilen u,v, z sayı grubu doğrultu ifade etmede kullanılır ve köşeli parantez içinde gösterilir. [uvz] tamsayılardan herhangi biri negatifse üzerinde çizgi ile bu ifade edilir. Şekil 1.39b deki P noktasının ½ , 1, ½ koordinatları 2 çarpanı ile en küçük tamsayı grubu elde edilir, buda, 2 x (½ , 1, ½)  121  [121] Bazı önemli doğrultular Şekil 1.39c de gösterilmiştir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bir kristal hücresinde belirli doğrultular birbirleri ile özdeştir.
Fark sadece keyfi olarak yaptığımız x, y, z notasyondan dolayı fark ortaya çıkar. Örneğin [100] ve [010] birbirlerinden farklıdır. Ancak kübik kristalin kenarları doğrultusunda elastik modül, dielektrik sabiti gibi parametreler aynı ise bu yönelimler özdeştir Kübün kenarları boyunca bu parametreler özdeşse [100], [010], [001].... topluluğu <100> dir. Köşegen doğrultularına ait [111], [111], [111] .... topluluğu <111> ile gösterilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal örgüde bir düzlemin tanımlamaya da ihtiyacımız vardır.
MİLLER İNDİSİ Kristal örgüde bir düzlemin tanımlamaya da ihtiyacımız vardır. Şekil 1.40 da tanımlanması öngörülen bir düzlem var. Bu maksatla bu yüzeye ait Düzlemin Miller İndisi ni kullanacağız. Bunun için düzleme ait xo, yo,zo kesim noktaları x,y,z üzerinde tanımlanacak Düzlem orijinden geçiyor ise düzlem paralel olarak kaydırılır. Yani orijin kaydırılır. Tüm düzlemler örgü parametresi kadar ötelendiğinde kristal örgüde ait olduğu noktaya ulaşmalıdır. Yani aynı Miller İndisi ne sahip noktaya ulaşır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

h, k, l ile ifade edeceğimiz indisler Miller İndisidir. özetle
xo, yo,zo noktaları örgü parametreleri a, b, c cinsinden x1, y1,z1 elde edilir ve tersleri alınır. h, k, l ile ifade edeceğimiz indisler Miller İndisidir. özetle kesim noktaları xo, yo,zo, ½ a, b ve  c kesim noktaları xo, yo,zo, a, b ve c cinsinden ½ , 1 ve  Tersi alındığında 1/x1, 1/y1 ve 1/z1 1/ ½ , 1/1, 1/  in sonucu 2,1,0 elde edilir. [hkl] ile verilen doğrultu aynı (hkl) ile tanımlanan düzlemlere her zaman diktir Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Düzlemsel Atom Yoğunluğu Bazı uygulamalar için yüzeysel atom yoğunluğunu veriel (hkl) düzlemi için bilmemiz gerekir. Örneğin yüzey atom yoğunluğu bir düzlem üzerinde yüksek ise o yüzeyin oksitlenmesi diğer yüzeylere göre daha fazladır. Yüzeysel atom yoğunluğu bir alan başına atom sayısıdır. Yani verilen kristal düzlemi üzerinde yüzeysel atom yoğunluğudur. FCC yapısında atom yoğunluğu en fazla olan düzlem (111) ve yoğunluğu en az olan düzlem (110) dir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örnek 1.11 Miller İndisleri ve Düzlemde Yoğunluk
Şekil 1.41a daki düzlemi FCC yapısında göz önüne alalım. Düzlem orijinden geçtiğinden latis içinde paralel kaydıralım. Diğer ifade ile orijini O’ ne kaydırmış olalım a uzunluğu referans alındığında düzlemimiz x,y,z eksenlerini sırasıyla ,-1, ½ de keser Bunların tersi alındığında Miller İndisleri 0,-1,2 elde edilir. Verilen bir düzlem için n(h,k,l) ni hesabı için hkl düzleminin alanı ve bu alan başına atom sayısını belirlememiz gerekiyor. Cu FCC için a=0.3620nm dir (100) nin alanı a2 dir ve Şekil 1.41b deki şekliyle bir merkezde köşelerde ¼ atom vardır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

A alanındaki Atom Sayısı = 4 köşe x (1/4 Atom) + Yüzey merkezinde bir atom. = 2 Atom Şimdide (110) düzlemi için nhkl yi hesaplayalım Şekil 1.41c göz önüne alındığında Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Allatropi ve Karbonun Üç Fazı
Bazı maddeler birden fazla kristal yapıya sahiptir. En iyi bilinen örneğimiz Fe dir. Bu karakteristik Polymorphism veya Allatropy olarak adlandırılmıştır. 912 oC de Fe BCC yapıdadır, -Fe olarak adlandırılır. oC de FCC yapıdadır, -Fe olarak adlandırılır. 1400 oC üzerinde Fe tekrar BCC yapıdadır ve -Fe yapısı olarak adlandırılır. Birden fazla kristal yapıya sahip olan demir polymorfic yapı olarak adlandırılır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Demirin tüm fazları metaliktir.
Bir fazdan diğer faza geçiş belirli bir sıcaklık olan 912 oC dedir. Bu sıcaklık demir için geçiş sıcaklığıdır. Pek çok malzeme değişik fazlara sahiptir ve bunlar farklı özellikler sergiler. Bir fazdan diğer faza geçiş sadece gerekli sıcaklığa çıkmak oluşmayabilir. Bazı malzemeler için basınç da gerekir. Örneğin grafitin elmasa dönüşümü. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Karbonun üç kristal fazı vardır Elmas
Grafit Buckyball (C60) Bu kristallerin yapısı 1.42 de verilmiştir. Grafit karbon formudur ve oda sıcaklığında kararlıdır. Elmas yüksek basınçlarda kararlı formdur. Yüksek basınç altında bir kere oluştumu atmosfer basıncında ve 900 oC altında sıcaklıkta kararlılığını muhafaza eder. Özellikler Grafit iletken – Elmas iyi bir yalıtkan Grafit tabakalara kolayca ayrılır-Elmas bilinen en sert malzemelerden biridir. Karbon katı yağlayıcı olarak kullanılır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Karbon 60 – Buckybull C60 molekülü olarak adlandırılır.
Bu molekül 12 pentagon , 20 hegzagon un bir küre oluşturmak üzere bütünleşmesi ile oluşur. Bu yapı laboratuarda kısmi He basıncı altında karbon arkı esnasında oluşur. Kısmende olsa patlamalı yanma sistemlerinde de oluşur. C60 FCC yapıdadır, Yarıiletken özelliktedir, Alkalilerle yaptığı bileşikler süper iletkenlik özellik gösterir. (K2C60 – 18 K altında Süper iletkendir), mekanik olarak yumuşak malzemedir. Karbonun bir başka formuda nano tüplerdir. Bilimsel çalışmalara yoğun konu olan bu malzeme tüp karbonun konfigürasyonuna bağlı olarak yarıiletken-iletken veya yalıtkan özellikte olabilmektedir. 21. yüzyılda malzeme biliminin temel konularından biri olacak. (“nano tube”- “carbon nano tube” anahtar kelimeleri ile İnternet araştırması) Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal Kusurları ve Önemi
Kusursuz kristal oluşturmak üzere atomları bir araya getirmekle, bu yapı için sistemin potansiyel enerjisini minimuma indiririz. Bir kristal sıvıdan veya buhar fazında büyürse ne olur? Mükemmel kristal elde edilebilir mi? Sıcaklık yükseltildiğinde ne oluyor? Yabancı atomlar yapıya dahil olduğunda neler oluyor? soruları ve cevapları bizi kristallerde kusur oluşumuna götürür. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Gerçekte mükemmel kristal yoktur. Bunun için verilen bir kristal içinde oluşan kusur-yapısal bozukluk tiplerini anlamamız gerekir. Genel olarak mekanik elektriksel özellikler bu kusurlar tarafından kontrol edilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Noktasal Kusurlar: Boşluklar ve Kirlilik Atomları
Mutlak sıcaklığın üzerinde tüm kristal yapılar kristal örgü için bir örgü noktasında atom olmayan boşluğa sahiptir. Bu boşluklar termal dengenin gereğidir. Termodinamik kusur olarak da adlandırılır. Boşluklar kristal yapı içinde periyodikliği bozar. Mutlak sıfırın üzerinde tüm atomlar termal enerjiye sahiptir ve bulundukları örgü noktasından Boltzmann dağılımı ile bir anlık yüksek enerjiyle örgü noktasını terk edebilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örgü noktasını terk eden atom geride boşluk bırakır. Bu boşluk kristalin içine doğru hareket edebilir. Şekil 1.43 de görüldüğü üzere boşluk oluşumu sıralı bir olaydır. Ev boşluk oluşturmak için gerekli ortalama enerji olsun Kristal içindeki Tüm atomların sadece Ev enerjiye sahip olanların exp(-Ev/kT) kesri boşluk oluşturabilir. Birim hacim başın atom sayısı N ise, boşluk yoğunluğu Bu ifadeye gör mutlak sıcaklığın üzerinde boşluk yoğunluğunun denge değeri vardır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Boşluk oluşumu ile periyodikliği bozulan yapıda, boşluğun civarındaki atomların yerleşiminde de düzensizlikler oluşacaktır. Şekil 1.44a Boşluklar kristal yapıda nokta kusurlardan sadece biridir. Nokta kusurlar genel olarak bulundukları noktadan itibaren birkaç atom mesafesine kadar kristal örgüde düzensizliğe sebep olur. Diğer Nokta kusurlar: (1) Eğer yabancı atom örgü atomunun yerini alırsa örgü noktası kusuru (subtitutional atom) Silisyumda As, Şekil 1.44b ve c (2) Eğer yabancı atom örgü atomları arasına yerleşirse arayer kusuru (interstitial atom) BBC Fe de C Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Genelde kristal yapıya dahil atomlar farklı valans ve farklı boyutta olabilir. Farklı boyut ile yabancı atom yerleştiği nokta civarında strese sebep olur. (3) Diğer bir kusur türü de Schottky kusuru. Bu kusurda NaCl türü bileşiklerde, Şekil 1.45a de görüldüğü üzere Katyon-Anyon çiftinin olmaması ile ortaya çıkar. Bu kusur alkali bileşiklerin elektrik ve optik özelliklerini belirler. (4) İyonik kristallerde yapıya ait bir atomun örgü noktasını terk ederek ara yer atomu haline gelmesi ile Arayer atomu ve boşluğun oluşturduğu çift Frenkel Kusuru oluşur. AgCl de Ag nin arayer atomu olması. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örnek 1.12 Alüminyumda Boşluk Yoğunluğu
Oda sıcaklığında, ergime sıcaklığına yakın bir noktada Al da oluşan boşluk yoğunluğunu hesaplayınız. Al da boşluk oluşumu için gerekli enerji 0.75 eV. Çözüm 300 K de 660 oC de Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örnek 1.13 Yarıiletkenlerde Boşluk Yoğunluğu
Devre elemanı fabrikasyonunda Si genellikle oC sıcaklıklarda yabancı atom difüzyonu ile katkılanır. Si da boşluk oluşum enerjisi 3.6 eV oC de Si için boşluk oranı nedir. Bu sıcaklıkta Si un yoğunluğu 2.33 gcm-3 ve Mat g mol-1 dir. (Yoğunluğun sıcaklıkla değişimini ihmal edin.) Çözüm Birim Hacim Başına Si atom sayısı 1100 oC de boşluk konsantrasyonu 1410 oC ergime sıcaklığı civarında bu değer 8.5x1011 cm-3 ve nv/N=1.7x10-11 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Çizgisel Kusurlar: Kenar ve Vida Dislokasyonu
Kenar Kusuru: Bir kristal atomların oluşturduğu düzlem kristal içinde sonlanırsa, sonlanan düzlemin kenarı boyunca çizgisel kusur oluşur. Sonlanan düzlemin birincil, ikinci komşuları sonlanan çizgiden itibaren stres altında yer değiştirerek kenar dislokasyonu oluşturur. Kenar boyunca atomlar arası bağda gerilme oluşur. Şekil 1.46b Bundan dolayı çizgisel dislokasyon boyunca bağların gerilme kuvveti ile gerilme alanı (strain field) oluşur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Dislokasyonlar denge kusurları değildir. Sistem denge durumundan uzak
OLUŞUMU Çizgi dislokasyonunu oluşturmak için nm uzunluk başına 100 eV gibi enerji gerekir. Nokta kusur için bir kaç eV enerji gerektiği düşünülürse nokta kusur oluşumu çizgisel kusur oluşumundan daha fazla olasıdır. Dislokasyonlar denge kusurları değildir. Sistem denge durumundan uzak sahip olacağı minimum enerjiden daha yüksek potansiyelde olur. Çizgisel kusurlar genel olarak kristali stres altında deforma olması sonucu veya kristal büyütülüyorken kristalleşme esnasında oluşur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Vida Dislokasyonu (Screw Dislocation) Vida dislokasyonu esas olarak düzlemin bir kısmının diğer düzleme göre bir atomik tabaka kadar kaymış olmasıdır. Şekil 1.47a Bu kayma vida dislokasyonunun her iki tarafında da olabilir. Vida dislokasyonun bulunduğu noktada dairesel ok vida dislokasyonunu sembolize eder ve ok yönü oluşum yönünü ifade eder. Dislokasyon çizgisinden uzaklaştıkça kayma miktarı artarak kristal kenarında bir atomik mesafe olur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kenar ve Vida dislokasyonları genel olarak termal ve mekanik stres sonucu oluşur. Bir çizgi dislokasyonu sadece kenar veya vida dilokasyonu olmayabilir. Şekil 1.48 de görüldüğü üzere her iki türün karışımı da olasıdır. Vida dislokasyonları genel olarak kristal büyüme esnasında sonucu ortaya çıkar ve kristal yüzeyde atomların kümeleşmesi ile sonuçlanır. Bu dislokasyon yeni kristalleşmede öncelikli noktaların oluşmasına sebep olur. Şekil 1.49 Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bir metalde-yarıiletkende geçici ve kalıcı bozulmalar (plastic or permanent deformation) dislokasyonların varlığına ve bunların yapı içinde ilerlemesine bağlıdır. Daha sonraki bölümlerde görüleceği üzere malzemelerin direnci dislokasyonla artar. Örneğin bir pn ekleminde sızıntı akımının önemli oranda artmasına sebep olur. Bu kusurların varlığı yarıiletken devre elemanlarında istenmeyen elektronik gürültünün oluşmasına da sebep olur. Yarıiletkenlerde dislokasyon oluşumu gelişen teknoloji ile hemen hemen kontrol altına alınabilmektedir. Bir chipin metal bağlantısında mm2 başına dislokasyon var iken silisyum kristali mm2 başına 1 dislokasyonla büyütülebilmektedir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Left: A polycrystalline diamond film on the (100) surface of a single crystal silicon wafer. The film thickness is 6 microns and the SEM magnification is 6000. Right: A 6-micron-thick CVD diamond film grown on a single crystal silicon wafer. SEM magnification is 8000. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

İnternet araştırma ödevi Dislokasyon yoğunluğu ve boyutu ile bir IC devre elemanında, eleman yoğunluğu ve boyutu arasında nasıl bir ilişki vardır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Düzlemsel Kusurlar: Grain Boundry
Pek çok malzeme rasgele doğrultularda yönelmiş çok sayıda küçük krisatllerden oluşur, bu tür kristaller polykristal olarak adlandırılır. Kusursuz tek kristali sıvıdan (ergiğikten) büyütme bilimsel bilginin yanında deneyim gerektirir. Bir sıvı ergime noktasının hemen altına soğuduğunda her noktada katılaşma olmaz. fakat belirli noktalarda, çekirdekleşme noktalarında atomun oluşturduğu gruplar ile bölgesel kristalleşmeler oluşur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Her bir kristal parçacığı grain olarak adlandırılır.
Çekirdeğe yakın atomlar çekirdek üzerinde kristale dahil olarak küçük boyutlu kristal oluşmasına yardımcı olur. Her bir kristal parçacığı grain olarak adlandırılır. Rasgele oluşumla her bir kristalcik serbest kristolagrafik yönelime sahiptir. Grainler arasında kristal yönelimi aniden değişir, bundan dolayı geçiş noktalarında, gerginlik, doymamış ve kopuk bağ ve yanlış yerleşmiş atom. bulunur, şekil 1.51 Sonuç olarak grainler arasında atomların enerjisi kristal içine göre daha yüksektir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Grainler arasında atomlar kolayca düffüze olur, çünkü; A- boşluklarda dolayı daha az sayıda bağın çözülmesi gerekir B- Bağlar sters altındadır ve kolyca çözülürler. Pek çok polykristalde difüze olan yabancı atomlar arayüzlerde birikir. ara yüzde atomların PE i yüksek oluşu grain sınırları denge dışı kusurdur. Bundan dolayı sistem bu kusurların boyutunu azaaltarak sistemin PE minimize etmeye çalışır. Oda sıcaklığında grain boyunca difüzyon çok az iken daha yüksek sıcaklıklarda atomik difüzyon grainlerin büyümesine ve ara yüzey toplamının azalmasına sebep olur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Malzeme bilimi üzerinde çalışan makine mühendisleri çeşitli ısıl işlem basamakları ile grain boyutunu kontrol ederek istedikleri mekanik özellikte malzemeler üretebilmektedirler. Elektrik mühendisleri için polyslikon veya polykristal yarıiletken tabanlı devre tasarımında grain arayüzleri önem taşır. Amorf özelliği yüksek olan yarıiletkenlerde iletkenlik amorfluk mertebesi ile ilgilidir. Diğer ifade ile kristal boyutu malzemenin mekanik özelliğine ilaveten iletkenliği belirleyen bir faktör olur Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal Yüzeyi ve Yüzey Özellikleri
Kristal yapı tanımlanırken periyodik yapının kristalde kesintisiz devam ettiği ifade edilmişti. Gerçekte ise kristaller gerçek bir yüzeye sahiptir ve atom dizilişi bu yüzeyde sonlanır. Yüzeyde bulunan son grup atom kristalin derinliklerinde olduğu şekli ile bağlarını tamamlayamaktadır. Kovalent bağ ile yapıyı oluşturan Si un yüzeyi Şekil 1.52 dedir. Yüzeyde tek elektronu ile bağ yapmamış Si bu bu bağı şekildeki oluşumların biri ile tamamlama eğilimindedir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Yüzeyde hidrojen molekülünün tutunması adsorblanma olarak ifade edilir. Kristal yüzeyine tutunan yabancı atomlar H atomunda olduğu şekli ile tek valans elektronunu yüzeydeki silisyum ile kovalent bağ yapmada kullanırsa chemisorption (kimyasal adsorblanma) olmuştur. (Birincil Bağ) Yüzeyde H2O kovalent bağ yapamaz ancak ikincil bağ ile yüzeye tutunursa su molekülü adsorplanmış olur. İkincil bağ ile yabancı atomlar veya moleküller yüzeye tutunursa bu physisorption (fiziksel adsorblanma) olara ifade edilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Yeterince yüksek sıcaklıklarda adsorplanan yabancı atomlar kristal içine difüze olarak, kristalin tümüne ait kir atomu olur. Pek çok malzeme yüzeyinde doğal olarak bir oksit tabakasına sahiptir. Doğal oksit yüzeyde oksijenin kimyasal bağ yapması (kimyasal adsorplanma) ile başlar. Örneği Al yüzeyi her zaman ince bir oksit tabakasına sahiptir. Mikro elektronikte Si un yüzey durumu genelde yüzeyin kimyasal aşındırılması sonrası yüksek sıcaklıkta oksitlenerek SiO2 koruyucu tabaka ile kontrol edilir. Burada SiO2 yeni atomların adsorblanmaması için engelleyici durumundadır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal Yüzey Durumları Kristal yüzeyinde şekil 1.53 de görüldüğü üzere pek çok oluşum söz konusudur. Kristal yüzey yapısı genel olarak yüzey oluşum moduna bağlıdır. Bunda termal ve mekanik işlemler ile daha önce malzemenin tabi olduğu işlemlerle ortaya konur. Kristal yüzeyini modellemede teras-l kenar-köşe yaklaşımı sıkça kullanılır. Bu Kossel Model olarak da adlandırılır. Bu model şekil 1.53 de bir yüzeyde olabilecek değişik oluşumlar ile görselleştirilmiştir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Stokiyometrik: Stokiyometrik Olmayan-Kusurlu Yapılar
Stokiyometrik bileşikler kimyasal formüllerinde atom sayıları tam sayı ile ifade bileşiklerdir. CaF2 molekülü Bir adet Kalsiyum atomuna karşın tam olarak iki adet Flor atomu vardır. Benzer olarak ZnO eğer her bir O atomuna karşın bir adet Zn atomu varsa kristalimiz Şekil 1.54a daki gibi stokiyometrikdir. Eşit sayıda O2- ve Zn2+ olduğundan yapı nötürdür. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

ZnO da stokiyometri dışı Zn fazlalığı ile stokiyometrik olmayan formuda mümkün. ZnO hazırlama sürecinde ortamda yeterince O yok ise bu yapı oluşur. Zn2+ nın yarı çapı 0.074nm ve 0.14nm yarıçaplı O2- den 1.7 kez daha küçük yarıçapa sahiptir. Bu boyutlar ile Zn2+ in arayer atomu olma sansı daha olasıdır. Ara yer Zn atomları hala iyonizedir kaybettikleri elektron Oksijen atomları tarafından kabul edilemez, çünkü hepsi iyonizedir (O2-). Bundan dolayı yapı içinde serbest elektronlar oluşur. Buna karşın tüm yapı için Zn ve O sayılarının eşitliğinden nötrallik şartı muhafaza edilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Tek Kristal Büyütme Czochralski Büyütme
Ayrık ve bütünleşik (Tümleşik IC devre) fabrikasyonu için çok düşük kusurla ve kontrollü katkı atomu ile yarıiletken kristale ihtiyaç duymaktadır. Yüksek kaliteli saf kristal büyütmek üzere pek çok laboratuar tekniği mevcuttur. Ortak prensip olarak buhar fazından veya sıvıdan kullanılan malzemenin kristalleştirilmesi ile edilir. Bir IC fabrikasyonu başlangıcında tek kristal dilimine ihtiyaç duyulur, bu günümüz teknolojisinde 20cm çapında 0.7mm kalınlığında Si dilimidir. Yeni gelişen teknolojiler ile fabrikasyon verimini artırmak üzere 30cm çaplı kristaller kullanıma girmiştir ve yakın gelecekte bu çapın 45cm olması beklenmekte. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Büyük boyutlu tek Si kristali genellikle Czochralski tekniği ile büyütülmektedir. Şekil 1.55a ds görüldüğü üzere bir pota içinde ergiğik hale getirilen saf Si’a başlangıç çekirdek kristal ergiye dokundurulur ve belirli hız ve dönme ile çekilir. Bu parametrelere bağlı olarak istenilen çapta ve uzunlukta kristal kütlesi elde edilir. İletkenliği ve kristal tipini kontrol etmek üzere ergiğik içine kirlilik atomu dahil edilir. Başlangıçta kullanılan çekirdek kristalin ergiyige dokunma yüzeyinin yönelimi büyütülecek kristalin de yönelimini belirler. VLSI için kullanılan yönelim [100] Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

(a) Schematic illustration of the growth of a single-crystal Si ingot by the Czochralski technique. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

A silicon ingot is a single crystal of Si
A silicon ingot is a single crystal of Si. Within the bulk of the crystal, the atoms are arranged on a well-defined periodical lattice. The crystal structure is that of diamond. |Courtesy of MEMC, Electronic Materials Inc. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Right: 200 mm and 300 mm Si |Courtesy of MEMC, Electronic Materials Inc. Left: Silicon crystal ingots grown by the Czochralski crystal drawers in the background |Courtesy of MEMC, Electronic Materials Inc. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristal büyütme sonrası silindirik geometride istenilen çapa kadar işlenen Si uygun kalınlıklarda dilimlenerek Alumina veya SiC tabanlı aşındırıcılar ile yüzey pürüzlülüğü giderilir. Kimyasal aşındırmayla temiz bir yüzey elde edilir. Yüzey parlatma işlemine tabi tutulur. IC fabrikasyonunda kullanmak üzere yüzeyi parlatılan Si dilimlerin üzerine buhar fazından ince bir Si filmi büyütülür. CZ tekniği aynı zamanda Ge, GaAs ve InP kristalleri de büyütülmektedir. CZ tekniğinin tek olumsuz yanı kuartzda oksijen ve karbon ısıtıcıdan karbonun Si içine 1017 cm-3 ler mertebesinde dahil olmasıdır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Camlar ve Amorf Yarıiletkenler
Camlar ve Amorf Katılar Kristal yapının karakteristik özelliği simetrisi ve yapının periyodikliğidir. Her bir atomun komşularının sayısı ve yönelimleri (yerleşim koordinatları) tanımlıdır. Bu durumda uzun mesafeli uzun mesafeli bir dizilim söz konusudur. Şekil 1.56 da görüldüğü üzere bir atom referans alındımı diğer atomların pozisyonları sistematik olarak tanımlanabilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Tüm katılar kristal yapıda değildir.
Oluşumlarından dolayı pek çok malzeme kristal olmayan amorf formdadır. Örneğin SiO2 Şekil 1.56b de görüldüğü üzere amorf yapıdadır. Bu yapıdaki SiO2 Vitreous Silika veya Camsı Silika olarak adlandırılır. Bu malzemenin fiber optik başta olmak üzere geniş bir mühendislik uygulaması söz konusu. Camsı silika aslında dondurulmuş sıvı olarak da düşünülebilir. Diğer ifade ile Süper Soğutulmuş Sıvı: Camsı Malzeme Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Dik bir pencere camının akarak aşağı gelmesini bekleme süresi
Pek çok amorf katı kristalizisyonun olmadığı sıcaklığa, ergime sıcaklığından süratlice soğutulması ile elde edilir. Bu tür katılar cam dır. Sıvı fazda atomlar sıkça bağlarını kırmaya ve yeniden bağ yapmaya yetecek kinetik enerjiye sahiptir. Yapılan bağlar ise kırılma öncesi burulabilir veya bükülebilir. Bükülme geometrisi her bir atom için aynı olmak zorunda değildir. Bu nedenle uzun mesafeli periyodik dizilim ortadan kalkar. Aniden soğutularak katılaştırılan madde aslında sıvının bir anlık durumunun dondurulmuş halidir. Bu halde atomların hareketi yine söz konusudur ancak enerji düşük olduğu için atomların hareketi için çok uzun zaman gerekir. Dik bir pencere camının akarak aşağı gelmesini bekleme süresi Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Fakat yapı uzun mesafeli dizilime sahip değildir.
Cam formunun oluşması için sıcaklığın ergime sıcaklığının altına süratlice düşürülmesi ile gerçeklenir. Ve Sıvı fazın donmuş hali elde edilir. Ancak her bir atomun koordinasyon sayısı yine vardır. Çünkü atom kimyasal bağ yapma zorunluluğuna uymak zorundadır. Fakat yapı uzun mesafeli dizilime sahip değildir. Kısa mesafeli dizilim söz konusudur. Yapı atomların sürekli rasgele dizilimi ile oluşur. “Continuous Random Netvork- CRN” Sonuç olarak uzun mesafeli periyodik dizilimin olmaması, Doğal olarak kristal kusurlarının olmadığı bu malzemeler belirli mühendislik uygulamalarında avantaj sağlar. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bir soğumaya bağlı olarak camımsı malzeme veya kristal yapıda katılaşması bazı faktörlere bağlıdır: Bunlar Atomlar veya moleküller arasındaki bağın tabiatı sıvının viskozluğu soğuma hızı ergime sıcaklığına göre son sıcaklık Örneğin SiO2, B2O3, GeO2 ve P2O5 bağları iyonik ve kovalent bağ karışımına sahiptir. Sıvı viskozluğu yüksektir. Bu malzemelerin camımsı formu normal soğuma ile kolayca elde edilir. fakat Bakırı, kristalizasyonu atlayarak katılaştırma imkansızlık derecesinde zordur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Buna karşın pek çok metal-metal (Cu66Zr33) ve metal-metalloid alaşımları (Fe80B20, Pd80Si20) oCs-1 ultra hızla soğutulduklarında cam formunu alırlar. Pratikte bu tür katılaştırma Şekil 1.57 de verilen teknikle yapılabilmektedir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

It is possible to rapidly quench a molten metallic alloy, thereby bypassing crystallization, and forming a glassy metal commonly called a metallic glass. The process is called melt spinning. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Pek çok uygulamada kullanılan katı amorf formdadır. Pencere camı (SiO2)0.8(Na2O)0.2 IC fabrikasyonunda yalıtkan tabaka SiO2 Düşük kayıplı transformatör nüvesi Fe0.8B0.2 Fotokopi makinelerinde drum kaplaması fotoiletken As2Se3 ... Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Kristaline ve Amorf Silisyum
Silisyum atomları kristal formunda tüm valans elektronları tekrarlamalı bürüm hücresi tek kristal formuna sahip olabilir. Böyle bir tek kristal yapı Czochralsky yöntemi yapılabilmektedir. Aynı zamanda amorf yapıda kristal da büyütülebilmektedir. Buna örnek olarak a-Si ile ifade edilen amorf silikondur. Şekil 1.58 En basit yöntem Si buharının katı yüzey üzerine Şekil 1.59 da verilen elektron demeti ile buharlaştırma yapılarak yığılması ile oluşturma olarak verilebilir. e-beam deposition Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bu elektriksel özellik tek kristale göre de farklı olacaktır.
Amorf durumda kristal örgünün tamamlanmadan simetri kırılarak ve tekrarlaması olmayan bir yapı ortaya çıkması Si atomlarından bazılarının bağlarının noksan olmasına sebep olur. Dangling Bond Sonuç olarak a-Si boşluk, tamamlanmamış bağ, boşta kalan bağlara sahiptir. Bu elektriksel özellik tek kristale göre de farklı olacaktır. Elektriksel özellikleri etkilemesi ve malzemenin kararlılığının sağlanması açısından doymamış bağlara H tutturularak Hidrojelendirilmiş amorf silisyum devre elemanlarının fabrikasyonunda kullanılmaktadır. Şekil 1.60 Hydrogenated amorphous Si a-Si:H Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Bu tür yapılar PECVD ile yapılar. Şekil 1.60
Güneş panel gibi pek çok elektronik devre %10 H ihtiva eden a-Si:H üzerine yapılır. Bu tür yapılar PECVD ile yapılar. Şekil 1.60 Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition Burada a-Si oluşumu altlık sıcaklığına bağlıdır. Buhar fazındaki Si altlık üzerinde yığılırken. Eğer altlık sıcaklığı Si atomlarının yüzeyde hareketini sağlayacak kadarsa amorf kristal oluşur. Tipik 250 oC altlık sıcaklığı a-Si oluşumu için yeterlidir. a-Si’un avantajı büyük alanlara kaplama yapılabilmesi, uygulaması ise foto hücereler, panel film tranzistör (TFT) fotokopi makinelerinde drum yüzey kaplaması verilebilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Table 1.5 Crystalline and amorphous silicon Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Katı Çözeltiler ve İki Fazlı Katılar
Malzemenin bir fazı aynı kompozisyona aynı yapıya aynı özelliklere sahip olan kısmı ile tanımlanır. 0 oC de su ve buz temas halinde olabilir ve iki farklı faz aynı anda mevcuttur. Alkol ve su molekül seviyesinde karışarak tek fazlı sıvı oluştururken, su ve yağ birbirleri içinde çözünmediğinden karışımları iki ayrı fazı ihtiva eder. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

pek çok katı iki farklı katının karışımı ile oluşur. Ni atomları Cu a katıldığında, Ni atomları Cu atomlarının yerini alarak Şekil 1.61a daki gibi katı çözelti oluşturur. Cu:Ni alaşımı %100 Cu dan %100 Ni e değişse dahi FCC örgüsünü muhafaza eder. Bir katı çözeltide Çoğunluk atom çözücü azınlık olan ise çözünen olarak kabul edilir. Çözücü-Çözünen yüzde olarak eşitse sistemimiz isomorphous katı çözeltidir. Çözünen atomların pozisyonu genelde rasgele olmasına rağmen %50 Cu-Zn karışımında (Prinç) He bir Zn atomu sekiz Cu atomu tarafından sarılmıştır (terside geçerli). C ihtiva eden demir (FCC -Fe) arayer karbon atomları ile arayer atomlu katı çözeltidir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Faz Diyagramları: Cu-Ni ve diğer Isomorpous Alaşımlar
Cu-Ni alaşımı isomorphousdur. Saf bakır ve nikelden farklı olarak Ni-Cu alaşımı ergitildiğinde ergime sıcaklığı tam olarak tanımlanamaz. Belirli bir sıcaklık aralığında sıvı ve katı aynı anda heterojen bir karışım olarak mevcuttur. Kimyasal bir sistemde sıcaklığın fonksiyonu olarak fazlar ortaya çıkar buda faz diyagramları ile verilir. 1083 oC deki ergimiş bakırı soğumaya bırakalım. Ergime sıcaklığı üzerinde sadece bir faz vardır. SIVI – FAZ Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Şekil 1.63 a daki gibi sıcaklık azalsın
Lo ergime sıcaklığında bakır kristalleri çekirdekleşmesi oluşur. Katılaşma süresince sıcaklık sabittir Sıvı ve katı fazın aynı anda bulunması sürecinde sistemin sıcaklığı sabit kalır. Bakırın katılaşma sürecinde bu sıcaklık 1083 oC Katılaşma süresinde enejilerini veren Cu atomları kristalde uygun örgü noktasına yerleşir. Bu sıcaklık Füzyon ısısı olarak adlandırılır. Tüm sıvı katılaştığında So dan itibaren soğumaya başlar. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Eğer saf nikeli ergiğikten soğutmuş olsaydık saf bakır için sıraladığımız katılaşma 1453 oC de gerçekleşecekti. Şimdi Cu-Ni karışımını ağırlık olarak %80 Cu ihtiva eden karışımı göz önüne alalım Ergiğik de iki atom tamamen karışmıştır. Tek faz söz konusudur. Soğuma 1195 oC de L20 noktasına ulaşılır. Sıcaklık 1195 oC altına inerken sıvı ve kristalleşmiş katı parçacıklar oluşur. Sıcaklık düşerken katılaşma devam eder. Sıcaklık 1130 oC de S20 noktasına ulaştığında karışımın oluşturduğu sıvı tamamen katılaşmıştır. Eğer ağırlıkça karışım oranlarını değiştirip ve azalan sıcaklıkla katılaşmayı takip edersek Şekil 1.62 b deki faz diyagramı elde edilir.(ve Şekil 1.63) Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Katılaşma katı karışım Şekil 1.64 deki gibi S1 den S2, S3 e kadar değişir. Yeterince yavaş soğuma atomlara difüzyon zamanı tanınarak tüm katının kompozisyonunun değişmesine zaman tanınır. Eğer soğuma hızlı ise katı fazda atomların difüzyonu için zaman sınırlıdır. Ortaya çıkan katının karışımı farklılıklar gösterecektir. Şekil 1.65 de verilen temsili kristal ile katılaşma bir çekirdek ile başlar. S1 de zengin Ni ile oluşan çekirdek, eğer katılaşma hızlı ise Ni atomları içeri yeterince difüze olamayacağından kompozisyonumuz S1 den S3 e kadar değişecektir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Atomların difüzon olabilmesi için karışımın soğumasını hızını yeterince yavaş seçersek Şekil 1.63 deki faz diyagramı elde edilir. Bu faz diyagramında soğuma esnasında hemen hemen denge şartlarının olduğu ve bundan dolayı da bu diyagram Denge Faz Diyagramı olarak adlandırılır. Soğuma hızlı olursa katı fazda atomların difüzyonu için sınırlı zaman vardır. Sonuç olarak ortaya çıkan katıda kompozisyon değişimi oluşur. Örneğimizde S1 de oluşan iç çekirdek Ni’ce zengin olacak. Katılaşmanın hızlı oluşu ile çekirdek içindeki Ni dışarı diffüze olamayacağından kompozisyon S1 den S2 ye ve S3 e kadar değişecektir Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Son katılaşan dış yüzey Ni bakımından fakirdir (Cu bakımından zengin) Bu durumdan yüzeyin kompozisyonu S3 den değil daha düşük bir değer olacaktır. Çünkü S3 tüm katı için ortalama kompozisyondur. Katı yapı şekil 1.63 de de görüldüğü üzere çekirdekleşmiştir. Bu durumda katılaşma denge dışı şartlarda gerçekleşmiştir. Bu tür soğumada grainler arasında atomların difüzyonu oluşur. Denge dışı soğumalarda faz diyagramları kullanılamaz ancak fikir edinme açısından referans alınabilir. Basit bir çizimle faz diyagramından bir karışımdaki sıvı ve katı miktarı belirlenebilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Sıvı ve katının kompozisyonu CL ve CS ile verilsin. Tüm kompozisyon da CO ile verilsin Alaşımın ağırlığın birim seçersek, kütlenin korunumundan WL+WS=1 Olmalıdır. Sıvı ve katı fazda Ni in ağırlıkça oranlarının toplamı Alaşımda olması gereken Nikel’e ait CO’ı vermelidir. CLWL+CSWS=CO Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Sıvı ve katı fazın oranları ise, Cetvel Kuralı olarak adlandırılan bu ifadeler ile şekil 1.63 e uygulayalım. Bu grafikte L2 den S2 ye bir çizgi çizelim. Çizgi üzerindeki X noktasının iz düşümü bu sicaklıktaki CO değerini verir. X noktasından Sıvı fazına mesafe CO-CL ve Katı fazına mesafe CS-CO dir. Bu çizginin toplam uzunluğu ise (CS-CL) dir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Örnek 1160 oC de CL=0.13 (%13 Ni) Ve CS=0.28 (%28 Ni) Sıvı fazın ağırlıkça oranı veya % 53.3 Benzer olarak katı fazın oranı ise veya olur. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

ZON Saflaştırması ve Saf Silisyum Kristali
Zon saflaştırma yüksek saflıkta silisyum elde etmede kullanılan bir tekniktir. Si un ergime sıcaklığı yüksek olmasına rağmen içine dahil olan yabancı atomlar ile ergime sıcaklığı düşer. Bu Cu’a Ni’in katkılanması ile ortaya çıkan duruma özdeştir. Şekil 1.65 de Si’da bir katkı olması halindeki faz diyagramı verilmektedir. Şimdi bir çubuk Si kütlesinin sol başını bölgesel olarak ısıtır ergitir ve ergiyen bölgeyi sağa doğru ısıtmayı kaydırarak devam ettirirsek ne olur? Şekil 1.66a’da görüldüğü üzere A da başlayan ergiğik B de katılaşır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Başlangıçta katı CO yoğunluğunda yabancı atoma sahip olsun Yabancı atom yarıiletkenler için kir atomu olarak ta ifade edilemektedir. A da ilk ergime ile sıvıda CL=CO yoğunluğuna sahip olacaktır. TB de katılaşma başlar. Katılaşan kısımda kir atomlarının yoğunluğu CB, CO dan küçüktür. B de katılaşma hızlı olduğundan sistem denge durumuna ulaşamaz. CB denge durumuna ulaşamaz. Bunun sonucunda katılaşan kısımda kir atomu yoğunluğu düşük olacaktır. Kir atomlarının bir kısmı B de katı bölgeden sıvıya sürüklenmeye zorlanacağından sıvıdaki kir atomu yoğunlu CL den CL’ ne artacaktır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

B’de oluşan katılaşma artan CL’ ile daha düşük sıcaklıkta olur. Ergitilmiş bölge sağa doğru hareket ettirildikçe ergiğik içindeki çözünmüş kir atomu yoğunluğu daha da artacaktır. Ergitilmiş bölge en sağa ulaştığında ergitme durdurulur ve bu bölgede kristal soldan sürüklenen kir atomları ile kir atomu yoğunluğu yükselir. Kir yoğunluğu Co dan düşük kalan sol kısım ise saflaştırılmış bölge olacaktır. Ergitme işlemini her seferinde soldan başlatıp sağda sonlandırır ve bu işlemi tekrar tekrar yaparsak, sonunda kir atomu yoğunluğu başlangıç değerinin 10-6 katına kadar azalır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Binary Eutektik Faz Diagramları ve Pb-Sn
Su içinde tuz çözündüğünde tuzlu su elde ederiz. Suya tuz ilave etmeye devam edersek tuzun çözünme limitine erişiriz. Bu noktadan sonra ilave tuz su içinde katı olarak kalır. Bu durumda tuzlu su ve katı tuzundan oluşan iki fazlı bir sistem elde ederiz. Şekil 1.68 Bir bileşenin diğer bileşen içinde çözünürlülüğünün orana ve sıcaklığa bağlılığı Şekil 1.69 da ki çözünürlülük eğrisi ile verilir. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Katı durumda pek çok element diğer katılarda küçük miktarlarda çözünebilmektedir. Kurşun katı formda FCC kristal yapıda bir faza sahiptir. Kalay katı formda BCT kristal yapıda bir faza sahiptir. Bu iki element sıvı halde iken herhangi bir oranda birbirleri içinde karışabilir. Çözünürlülük sınırına kolayca ulaşılır ve katı halde iki ayrı birbirinden farklı iki fazın karışımı olur. Kurşunca zengin  fazı Kalayca zengin ve Bazı kurşun atomları ile BCT yapısında  fazı Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Pb-Sn alaşımı için değişik fazlar ve kompozisyonların sıcaklığının fonksiyonu olarak denge faz diyagramı Şekil 1.69 da verilmiştir. Bu çizim denge durumu için eutektik faz diyagramıdır. Sıvı ve katı hal durumları bir çizgi ile genelde ayrılmıştır. Sıvı ve katı eğrileri arasında ergiğik ve katı karışımı genelde ortaya çıkar. Sıvı ve katı durumlarınına ait eğriler A ve B noktalarından itibaren azalır ve E noktasında buluşur. E noktasına ait sıcaklık eutektik sıcaklığı dır. Bu sıcaklıkta alaşım örneğimizde %61.9 Sn ihtiva eder. 183 oC altında sıvı hal yoktur Yanı 183 oC eutektik alaşımının ergime sıcaklığıdır. Malzeme Bilgisi E&E Müh (Electr. Mat. and Dev. SO Kasap)

Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim

Giriş

Sosyal ağ üzerinden giriş yapmak:

Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme

Benzer bir sunumlar

... konulu sunumlar: "Malzeme Bilimi Mühendislik İçin Malzeme"— Sunum transkripti:

Benzer bir sunumlar

Proje hakkında

Geri bildirim