Материал: Функциональные материалы в аэрокосмической технике. Ожерельев В.В., Костюченко А.В
выращиванию гетероструктур в ННК с различным рассогласованием.
Рис. 2.20. Зависимость критической толщины от радиуса ННК для различных значений ε0 − расчет для 60-градусных дислокаций и простой кубической решетки. Вертикальные асимптотики соответствуют критическому радиусу, а горизонтальные − соответствующим критическим толщинам для двумерных слоев. Точки − характеристики когерентных гетероструктур (1, 3, 4) и гетероструктур с дислокациями (2) в кристаллах, выращенных
при ε0 = 0.9 % (1), 3.2 % (3), 3.7 % (4) и 7.0 % (2)
В целом изменение прочностных свойств ННК, достигающее теоретических пределов и обусловленное затруднениями в зарождении и развитии дислокаций или же больших остаточных напряжений в специфических одномерных нанокристаллических материалах, требует более глубокого изучения. Важной проблемой является использование релаксационных, демпфирующих свойств ННК и их прочности при циклических нагрузках. Исследования должны включать изучение амплитудной за-
81
висимости внутреннего трения, изгибную жесткость ННК, зависимость микротвердости, модуля упругости и коэффициента Пуассона от поперечных размеров кристаллов и от условий их синтеза.
82
3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Термоэлектрическое преобразование энергии основано на использовании термоэлектрических эффектов, важнейшими из которых являются эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.
3.1. Эффект Зеебека
Если в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разных проводящих материалов, места контактов поддерживать при различной температуре, в ней возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Это явление в про-
водящих материалах известно как эффект Зеебека. В 1821 г. Т. Зеебек, нагревая один из концов замкнутого контура, состоящего из пластины висмута, соединенной с медной спиралью, обнаружил отклонение магнитной стрелки, расположенной рядом с контуром. Примечательно, что Зеебек связывал отклонение магнитной стрелки с намагничиванием материалов цепи в процессе нагрева, а не с возникновением в цепи электрического тока.
Рис. 3.1. Эксперимент Т. Зеебека [24]
83
Причины возникновения термо-ЭДС.
Выделяют три составляющие термо-ЭДС в материалах:
1)контактную составляющую, обусловленную температурной зависимостью уровня Ферми;
2)объемную составляющую, обусловленную диффузией носителей заряда от горячего конца к холодному;
3)фононную составляющую, обусловленную эффектом «увлечения» носителей заряда фононами.
Контактная часть термо-ЭДС. Рассмотрим возникно-
вение контактной термо-ЭДС на примере металлов. Как известно, металлы можно представить в виде положительных ионов, связанных между собой квазисвободными электронами – электронным газом (или электронами проводимости). Тепловое поле проявляется в колебаниях ионов около положения равновесия и в броуновском движении электронного газа. Необходимо помнить, что тепловое и электрическое поля способны воздействовать только на квазисвободные носители (электронный газ).
Введем понятие работы выхода. Работа выхода (W) – это энергия, которая необходима электрону проводимости для преодоления потенциального барьера сил «двойного слоя» и «сил зеркального отображения» для покидания объема твердого тела и полного отдаления от него. В металлах, электроны, не имеющие достаточную энергию для выхода из него, образуют вблизи поверхности электронное облако с линейным размером х0 (рис. 3.2), сопоставимым по размеру с межатомным расстоянием. Электроны вблизи приповерхностного ионного слоя под воздействием отрицательно заряженного электронного облака вытесняются вглубь металла, а приповерхностный ионный слой приобретает положительный заряд. Поэтому вблизи поверхности металла образуется двойной электрический слой из ионов и электронного облака.
84
Рис. 3.2. Приповерхностный слой металла и силы, действующие на электроны [20]
В пределах этого слоя на электрон действует постоянная сила F1 . На расстоянии х > x0 действует сила F 2 , которую можно найти как силу взаимодействия между зеркально наведенным положительным зарядом +е и электроном -е , расстояние между которыми равно 2х (рис. 3.2).
Эта сила равна
F |
= |
|
|
e2 |
, |
|
|
|
(3.1) |
|
16πε0 x2 |
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а сила F1 будет равна |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
= |
|
e2 |
|
|
|
|
|
|
|
16πε0 x02 . |
|
|
|
(3.2) |
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Полная работа выхода Wa равна |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
∞ |
|
|
e2 |
|
|
|
Wa = F1 x0 + ∫F2dx = |
|
. |
(3.3) |
|||||||
|
2 |
|||||||||
|
|
|
|
x0 |
|
|
8πε0 x0 |
|
||
|
|
|
85 |
|
|
|
|
|
|
|