Elektrinis laidumas

1.ELEKTRINIS LAIDUMAS

1.1Elektrinis laidumas yra svarbus medžiagų elektrines savybes nusakantis dydis. Elektrinis laidumas gali būti išreikštas krūvininkų tankiu c, jų judrumu u ir elektros krūviu q:

(8.5)

Greitis u, kuris suteikiamas krūvininkui vienetinio stiprio elektriniame lauke (E = 1), vadinamas krūvininko judrumu.

Metaluose krūvininkai yra elektronai. Tai metalo atomų valentiniai elektronai, kurie, atomams sudarant metalo kristalą, tampa laisvi. Likę teigiami jonai yra tarpusavyje susiję kristalo gardelėje ir laisvai judėti negali. Laisvieji metalo elektronai juda gardelėje netvarkingai dėl šiluminės energijos, o jonai dėl tos pačios priežasties viirpa apie gardelės mazgus. Judantys elektronai nuolatos susiduria su jonais. Šitaip palaikoma termodinaminė medžiagos pusiausvyra.

Sukūrus elektrinį lauką, netvarkingai judantys metale elektronai dar ima dreifuoti prieš elektrinio lauko kryptį, sudarydami elektros srovę. Elektronų susidūrimai su jonais, be abejo, trukdo elektronams kryptingai judėti ir yra vienas iš veiksnių, lemiančių metalo varžą. Metalo krūvininkų tankis praktiškai nepriklauso nuo temperatūros. Net žemose temperatūrose metale yra laisvųjų elektronų, kurių tankis apie 1028 m-3. Didėjant temperatūrai, intensyvėja tik jų šiluminis judėjimas, o tankis nesikeičia.

Laidumu pasižymi ir medžiagos, vaadinamos puslaidininkiais. Tai cheminiai elementai Si (silicis), Ge (germanis), Se (selenas) ir junginiai Cu2O (vario (I) oksidas), PbS (švino sulfidas) bei daugelis kitų kristalų. Žemose temperatūrose puslaidininkių krūvininkų tankis mažas, todėl mažas ir elektrinis laidumas. Tačiau šildomų arba kitaip veikiamų, pa

avyzdžiui, švitinamų, puslaidininkių krūvininkų tankis, kartu ir elektrinis laidumas didėja. Štai gryno Si kristalo laisvųjų elektronų tankis kambario temperatūroje yra 1017 m-3, o 700oC temperatūroje jis jau 1023 m-3; savitoji Si varža dėl to sumažėja daugiau kaip milijoną kartų. Puslaidininkių laidumo didėjimas keliant temperatūrą rodo, kad juose elektronai išsilaisvina dėl šiluminio judėjimo. Kuo didesnė puslaidininkio temperatūra, tuo didesnė dalelių šiluminė energija ir daugiau elektronų išsilaisvina.

Puslaidininkio laidumas keičiasi į jį įterpus priemaišų, t.y. kito cheminio elemento atomų, nes atsiranda papildomų krūvininkų. Jei priemaišų valentingumas vienetu didesnis už puslaidininkio atomų valentingumą, taigi iš priemaišų atsirandantys krūvininkai yra elektronai. Šiuo atveju elektronas išsilaisvina iš priemaišinio atomo, kuris tampa gardelės mazge pritvirtintu teigiamuoju jonu. Priemaišos, kurios yra laisvųjų elektronų tiekėjai, vadinamos donorais (D), o puslaidinkiai, turintys donorų,  n puslaidininkiais.

Jei priemaišų valentingumas yra mažesnis už puslaidininkio atomų, tada kovalentinių jungčių sudarymui su puslaidininkio atomu trūksta vieno valentinio elektrono. Tačiau pakanka nedidelės šiluminės energijos, kad trūkstamą elektroną atomas gautų iš netolimos kovalentinės jungties. Tada elektrono vietoje lieka skylė, o atomas tampa neigiamai įelektrintu gardelės mazge pritvirtintu jonu. Šiuo atveju dėl priemaišų papildomai atsiradę krūvininkai yra skylės. Tokios priemaišos, kurios prisijungia elektronus, vadinamos akceptoriais (A), o turintys jų puslaidininkiai  p puslaidininkiais.

Priemaišiniai puslaidininkiai pasižymi ir savuoju laidumu, todėl vienu metu juose yr

ra abiejų tipų krūvininkų  elektronų ir skylių. Priklausomai nuo puslaidininkio tipo vienų krūvininkų jame yra daug daugiau negu kitų, t.y. n puslaidininkyje yra daug didesnis elektronų tankis, o p puslaidininkyje  didesnis skylių tankis. Krūvininkai, kurių tankis yra daug didesnis negu kito tipo krūvininkų, vadinami pagrindiniais, o likusieji  šalutiniais. Vadinasi, n puslaidininkio pagrindiniai krūvininkai yra elektronai, o p puslaidininkio skylės./
/
2. KIETŲJŲ KŪNŲ ELEKTRINIS LAIDUMAS

Šiame skyriuje aptarsime, nuo ko, kaip ir kodėl priklauso puslaidininkių, metalų ir lydinių elektrinis laidumas bei juose tekančios srovės.

2.1. Krūvininkų dreifas ir relaksacija

Nagrinėkime kietojo kūno bandinį, kuriame yra laisvųjų elektronų. Kai išorinis elektrinis laukas neveikia, laisvieji elektronai juda chaotiškai (3.1 pav., a) dėl susidūrimų su kietojo kūno gardele. Sukūrus kietajame kūne elektrinį lauką, kurio stipris , be chaotiškojo elektronų judėjimo, vyksta jų kryptingas slinkimas priešinga elektriniam laukui kryptimi (3.1 pav., b). Toks slinkimas vadinamas dreifu. Vidutinis šio kryptingo slinkimo greitis vadinamas dreifo greičiu.
Aptarkime, kaip dreifo greitis priklauso nuo elektrinio lauko stiprio.
Elektrinis laukas veikia elektroną jėga, kurios modulis

; (3.1)
čia – elektrono krūvio absoliutinė vertė.

Veikiant jėgai , elektrono greitis turėtų nuolat didėti. Tačiau kietajame kūne elektronui judėti trukdo gardelė. Susidurdamas su gardele elektronas praranda kryptingo judėjimo greitį. Gardelės įtaką elektrono judėjimui galima įvertinti pasipriešinimo jėga , kuri proporcinga dreifo greičiui, bet yra priešingos krypties:

(3.2)
čia – elektrono efektinė ma

asė, – proporcingumo koeficientas.

Atsižvelgiant į jėgas ir , elektrono kryptingą judėjimą galima aprašyti lygtimi:

; (3.3)
čia – pagreitis.

Įrašę į (3.3) jėgų išraiškas (3.1) ir (3.2) ir atsižvelgę, kad , gauname:

. (3.4)

Iš šios lygties matyti, kad, pradėjus veikti elektriniam laukui, laisvųjų kietojo kūno elektronų greitis didėja. Kartu didėja ir pasipriešinimo jėga . Jai didėjant, mažėja elektronų pagreitis. Kai jėgos ir susilygina, pagreitis sumažėja iki nulio. Tada elektronai slenka pastoviu greičiu, kuris pagal (3.4) išreiškiamas formule:

. (3.5)

Šioje lygtyje proporcingumo koeficientas

(3.6)
vadinamas elektronų judrumu. Kai 1, tai pagal (3.5) . Vadinasi, kai elektrinio lauko stipris lygus vienetui, krūvininkų judrumo skaitinė vertė lygi dreifo greičio skaitinei vertei.

Verta pastebėti, kad, jeigu nebūtų pasipriešinimo jėgos , tai, veikiant elektriniam laukui, elektronų pagreitis nekistų, jų kryptingo judėjimo greitis nuolat didėtų. Tada kietojo kūno elektrinis laidumas būtų be galo didelis.

Vadinasi, elektronų dreifo greitį kietajame kūne ir kietojo kūno elektrinį laidumą riboja elektronų susidūrimai su kristaline gardele.

Dabar mintyse sudarykime kietajame kūne stačiakampį gretasienį, kurio pagrindas statmenas elektrinio lauko krypčiai (3.2 pav.). Stačiakampio gretasienio pagrindo plotas lygus vienetui, aukštinė yra . Tada stačiakampio gretasienio tūris . Jame yra elektronų. Visi šie elektronai per laiko vienetą pereina per stačiakampio gretasienio pagrindą. Tada srovės tankis kietajame kūne (krūvis pratekantis per laiko vienetą pro ploto vienetą) išreiškiamas formule:

. (3.7)

Įrašę į (3.7) dreifo greičio išraišką, turėsime:

. (3.8)
Pagal šią formulę srovės tankis kietajame kūne yra tiesiai proporcingas elektrinio lauko stipriui. Formulė iš
šreiškia Omo (Ohm) dėsnį. Joje – savitasis (specifinis) nagrinėjamo kietojo kūno laidumas.

Pagal (3.8), kai kietojo kūno krūvininkai yra tik elektronai, to kietojo kūno savitasis elektrinis laidumas išreiškiamas formule:

. (3.9)

Puslaidininkių elektrinį laidumą lemia elektronai ir skylės. Todėl

; (3.10)
čia – skylių koncentracija, – jų judrumas.
Taigi kietojo kūno savitąjį elektrinį laidumą ir jo savitąją varžą lemia krūvininkų koncentracija ir jų judrumas.

Dabar tarkime, kad ilgą laiką veikęs elektrinis laukas laiko momentu 0 išjungiamas. Tada dėl susidūrimų su gardele elektronų kryptingo slinkimo greitis pradeda mažėti – atsistato elektrinio lauko sutrikdyta elektronų sistemos pusiausvyra. Toks fizinės sistemos pusiausvyros atsistatymas po jos sutrikdymo vadinamas relaksacija.

Kai elektrinis laukas neveikia, (3.4) lygtis tampa paprastesnė:

.

Šios lygties sprendinys išreiškiamas formule

; (3.11)
čia – pradinis dreifo greitis, – konstanta – elektrono dreifo greičio arba impulso relaksacijos trukmė.

Pagal (3.11), išjungus elektrinį lauką, elektronų dreifo greitis mažėja eksponentiniu dėsniu. Per laiką jis sumažėja e kartų. Relaksacijos trukmę galima susieti su krūvininko vidutiniu laisvuoju keliu. Jeigu elektronas kryptingo judėjimo greitį praranda po vieno susidūrimo su gardele, elektrono laisvasis kelias išreiškiamas formule ; čia – vidutinis elektrono greitis. Dažnai elektronas kryptingo judėjimo greitį praranda tik po susidūrimų su gardele. Tada . Iš čia

. (3.12)

Elektrono greitis susideda iš dviejų dedamųjų – šiluminio judėjimo greičio ir dreifo elektriniame lauke greičio . Dažniausiai šiluminio judėjimo greitis būna daug didesnis už dreifo greitį. Tada galima laikyti, kad .

Pagal (3.6) ir (3.12) krūvininkų judrumas išreiškiamas formule

. (3.13)

Iš šios formulės matyti, kad krūvininkų judrumas yra ribotas dėl baigtinio laisvojo kelio. Laisvąjį kelią riboja krūvininkų sklaida, atsirandanti dėl krūvininkų susidūrimų su kristaline gardele.

Nagrinėdami krūvininkų sklaidą kristale, turime prisiminti jų, kaip mikrodalelių, dvilypumą ir bangines savybes. Bangos neatsispindi nuo periodinių netolygumų, tarp kurių atstumas daug mažesnis už bangos ilgį. Taigi elektronai ir skylės, kaip de Broilio bangos, neatsispindi nuo arti vienas kito esančių kietojo kūno gardelės mazgų. Krūvininkų sklaidą sukelia jų susidūrimai su gardelės defektais, atsirandančiais dėl priemaišų, gardelės šiluminių virpesių ir kitų anksčiau aptartų priežasčių.

3. Puslaidininkių elektrinis laidumas

Puslaidininkio elektrinį laidumą lemia laidumo elektronai ir skylės. Elektrinis laidumas išreiškiamas (3.10) formule:

.
Grynajame puslaidininkyje laidumo elektronų ir skylių koncentracijos vienodos . Tada

. (3.17)
Grynojo puslaidininkio savųjų krūvininkų koncentracija ir judrumas priklauso nuo temperatūros. Pagal (2.42), (2.37), (2.39) ir (3.14)

, (3.18)

. (3.19)
Atsižvelgdami į krūvininkų koncentracijos ir judrumų išraiškas, (3.17) formulę galime perrašyti taip:

. (3.20)
Išlogaritmavę (3.20), gauname

. (3.21)
Pagal (3.21) grynojo puslaidininkio laidumo logaritmo priklausomybė nuo dydžio yra tiesė (3.5 pav.). Jos polinkio kampas priklauso nuo draudžiamosios juostos pločio : .
3.2 užduotis
Apskaičiuokime grynojo silicio savitąjį laidumą ir savitąją varžą 300 K temperatūroje.
Sprendimas
Grynajame silicyje 300 K temperatūroje cm–3, cm2/(Vs), cm2/(Vs).
Pagal (3.17) formulę

1/(m)=
=4,6 10-6 1/(cm).
Tada

m=2,2105 cm.
Legiruotųjų puslaidininkių laidumą vidutinių temperatūrų srityje lemia pagrindiniai krūvininkai. Tada pagal (3.10) n ir p puslaidininkių savitieji laidumai išreiškiami formulėmis:

, (3.22)

. (3.23)
Legiruotojo puslaidininkio elektrinis laidumas priklauso nuo temperatūros ir priemaišų koncentracijos. Žemųjų ir aukštųjų temperatūrų srityse (priemaišų jonizacijos ir savojo laidumo srityse) krūvininkų koncentracijos daug labiau priklauso nuo temperatūros nei judrumas. Todėl legiruotojo puslaidininkio elektrinio laidumo priklausomybės nuo temperatūros kreivė (3.6 pav.) panaši į elektronų donoriniame puslaidininkyje ir skylių akceptoriniame puslaidininkyje priklausomybes nuo temperatūros (2.13 ir 2.18 pav.). Skirtumas tik tas, kad vidutinių temperatūrų srityje pagrindinių legiruotojo puslaidininkio krūvininkų koncentracija nekinta, o elektrinis laidumas mažėja, kylant temperatūrai. Šioje srityje laidumo priklausomybės nuo temperatūros pobūdį nulemia judrumo mažėjimas, didėjant fononinei krūvininkų sklaidai.
Vidutinių temperatūrų srityje pagrindinių krūvininkų koncentracija legiruotame puslaidininkyje lygi priemaišų koncentracijai. Todėl, didėjant priemaišų koncentracijai, elektrinis puslaidininkio laidumas didėja, nors judrumas, kaip žinome, šiek tiek mažėja.
Puslaidininkių elektrinis laidumas priklauso ir nuo kitų veiksnių. Toliau aptarsime stipraus elektrinio lauko ir šviesos įtaką elektriniam laidumui.

3.1 Metalų ir lydinių laidumas

Pagal (3.7) formulę metalo laidumą lemia laisvųjų elektronų koncentracija ir jų judrumas.
Žinome, kad laisvieji elektronai metale atsiranda, susidarant metališkiesiems ryšiams. Tada atomų valentiniai elektronai tampa laisvaisiais elektronais. Jų koncentracija priklauso nuo atomų skaičiaus tūrio vienete ir atomo valentinių elektronų skaičiaus. Ji praktiškai nepriklauso nuo temperatūros ir būna 1022–1023 cm–3. Todėl metalo elektrinio laidumo priklausomybę nuo temperatūros lemia elektronų judrumas.
Nagrinėjant elektronų judrumą metale, reikia nepamiršti, kad elektronų koncentracija metale didelė. Jie užima energijos lygmenis, esančius žemiau Fermio lygmens. Esantieji virš Fermio lygmens energijos lygmenys laisvi.
Metaluose elektrinis laukas silpnas. Silpnas laukas gali pakeisti energiją tik tų elektronų, kurie yra arti laisvų lygmenų. Todėl metalo laisvųjų elektronų dreifo greitį ir judrumą lemia elektronai, užimantieji energijos lygmenis prie pat Fermio lygmens. Judrumas išreiškiamas formule, panašia į (3.13):

; (3.28)
čia – užimančio Fermio lygmenį elektrono vidutinis laisvasis kelias, – skaičius susidūrimų, po kurių šis elektronas praranda kryptingo judėjimo greitį, – vidutinis minėto elektrono greitis.
Remdamiesi (3.28) formule, aptarkime, kaip metalo elektronų judrumas ir savitasis laidumas priklauso nuo temperatūros ir priemaišų koncentracijos.
Jei elektrinis laukas silpnas, tai elektronų dreifo greitis būna mažas. Todėl, skaičiuojant vidutinį greitį , dreifo greičio galima nepaisyti ir laikyti, kad elektrono vidutinis greitis apytikriai lygus šiluminio judėjimo greičiui . Pagal (2.19) absoliučiojo nulio temperatūroje metalo elektronų Fermio energija priklauso nuo laisvųjų elektronų koncentracijos. Kylant temperatūrai, elektronų koncentracija metale ir Fermio lygmens padėtis beveik nekinta. Todėl galima laikyti, kad užimančių Fermio lygmenį elektronų vidutinis greitis nekinta, kylant temperatūrai.
Metalo elektronų vidutinį laisvąjį kelią nulemia elektronų susidūrimai su gardelės defektais. Jei vyrauja fononinė elektronų sklaida, tai , o . Tada pagal (3.28) ir (3.7) grynojo metalo elektronų judrumas ir savitasis laidumas atvirkščiai proporcingi temperatūrai: , . Grynojo metalo savitoji varža, kylant temperatūrai, didėja:

. (3.29)
Šią išvadą, kaip žinoma, patvirtina eksperimentai. Pagal eksperimentinių tyrimų rezultatus

; (3.30)
čia – varžos temperatūrinis koeficientas, ir – savitoji varža temperatūrose ir .

Paprastai net gryniausiame metale esti priemaišų. Todėl žemų temperatūrų srityje elektronų vidutinį laisvąjį kelią riboja tik susidūrimai su priemaišų atomais. Tada ne tik bei , bet ir nepriklauso nuo temperatūros. Todėl nuo temperatūros nepriklauso nei krūvininkų judrumas, nei metalo savitasis laidumas, nei jo savitoji varža.

Bet kurioje temperatūroje metalo savitąją varžą sudaro abi dedamosios ir , atsirandančios dėl priemaišinės ir fononinės elektronų sklaidų:

. (3.31)

3.10 paveiksle atvaizduotas metalo savitosios varžos priklausomybės nuo temperatūros grafikas. Pagal (3.31) formulę ir 3.10 paveikslą absoliučiojo nulio temperatūroje lieka tik savitosios varžos dedamoji . Todėl ji dar vadinama liekamąja varža.

Didėjant priemaišų koncentracijai, ir didėja. Todėl metalų lydinių, kuriuose vieno metalo atomai yra priemaiša kito metalo gardelėje, savitoji varža būna didesnė už grynųjų metalų savitąsias varžas. Šį teiginį galima iliustruoti tokiu pavyzdžiu. Sidabro savitoji varža yra mažesnė nei aliuminio. Tačiau į aliuminį įmaišius sidabro, jo savitoji varža ne sumažėja, o padidėja. Lydinio, kuriame yra apie 90 % sidabro ir 10 % aliuminio, savitoji varža 300 K temperatūroje yra 15 kartų didesnė už aliuminio savitąją varžą ir 30 kartų didesnė už sidabro savitąją varžą. Lydinių varža yra didelė todėl, kad kristalinės gardelės defektai labai sumažina elektronų laisvąjį kelią ir judrumą.

Kuo daugiau reiškiasi priemaišinė sklaida, tuo mažiau varža priklauso nuo temperatūros. Todėl metalų lydinių temperatūriniai varžos koeficientai būna daug mažesni už grynųjų metalų temperatūrinius varžos koeficientus.
3.3 užduotis
Kaip ir kiek kartų pakistų grynojo silicio, n silicio ir vario bandinių varžos kylant temperatūrai nuo 300 iki 340 K?
Sprendimas
Varža atvirkščiai proporcinga laidumui. Taigi

.
Grynojo puslaidininkio savitasis laidumas išreiškiamas (3.20) formule. Tada

ir

.
Legiruotojo puslaidininkio pagrindinių krūvininkų koncentracija vidutinių temperatūrų srityje nekinta. Savitojo laidumo kitimą lemia judrumo kitimas. Tada

.
Pagal 3.6 paveikslą ir (3.15) formulę . Tada legiruotojo puslaidininkio

.
Varis yra metalas. Pagal (3.29) formulę

ir

.
Pagal žinynus vario temperatūrinis varžos koeficientas 1/K. Žinodami temperatūrinį varžos koeficientą ir taikydami (3.30) formulę, gautume, kad

.
Taigi, kylant temperatūrai, grynojo silicio bandinio varža sparčiai mažėja, legiruotojo silicio ir vario bandinių varžos didėja.

3.7. Superlaidumas

Superlaidumo reiškinį 1911 metais pastebėjo H. Kamerlingas Onesas (Kamerling Onnes), tirdamas gyvsidabrio liekamąją varžą. Superlaidumas pasireiškia tuo, kad laidininko elektrinė varža sumažėja beveik iki nulio, kai to laidininko temperatūra tampa žemesnė už jam būdingą krizinę (superlaidaus virsmo) temperatūrą (3.11 pav.). Gyvsidabrio =4,2 K.
Superlaidumo mikroskopinę teoriją 1957 metais sukūrė Dž. Bardynas (Bardeen), L. Kūperis (Cooper) ir Dž. Šryferis (Schrieffer). Pagal šią teoriją, svarbiausia superlaidumą sukelianti priežastis yra elektronų ir kristalinės gardelės sąveika. Dėl šios sąveikos laisvieji elektronai deformuoja gardelę. Prie jų priartėja teigiamieji jonai. Elektronas ir jį supantys jonai sudaro teigiamai įelektrintą visumą, pritraukiančią antrą elektroną. Taip susidaro elektronų poros, vadinamos Kūperio poromis. Atstumas tarp Kūperio poros elektronų yra apie 10–6 m. Kūperio poras sudaro elektronai, kurių sukiniai yra priešingų ženklų. Todėl Kūperio poros sukinys lygus nuliui ir Kūperio poros pasižymi bozonų savybėmis. Vieną ir tą patį energijos lygmenį gali užimti bet koks Kūperio porų skaičius.
Elektronams jungiantis į Kūperio poras, jų bendra energija sumažėja, Tarp užpildytų ir neužimtų energijos lygmenų atsiranda draudžiamosios energijos plyšys (3.12 pav.). Jis esti kelių milielektronvoltų pločio.
Žemų temperatūrų srityje gardelės šiluminių virpesių energijos nepakanka Kūperio poroms suardyti, todėl jų sklaida nepasireiškia. Turėdamos tą pačią energiją, Kūperio poros gali nesąveikaudamos su gardele tvarkingai judėti kristale. Kadangi gardelėje nekyla pasipriešinimo Kūperio porų judėjimui, tai superlaidininko laidumas esti labai didelis, jo savitoji varža praktiškai lygi nuliui. Jei superlaidininko žiede sužadinama srovė, ji teka nesilpnėdama.
Superlaidumas išnyksta, kai superlaidininko temperatūra tampa aukštesnė už krizinę arba kai superlaidininko temperatūra žemesnė už krizinę, bet jis yra stipresniame už krizinį magnetiniame lauke, arba kai juo teka srovė, stipresnė už krizinę srovę.
Superlaidininkas pasižymi idealaus diamagnetiko savybėmis. Silpnesnis už krizinį išorinis magnetinis laukas neįsiskverbia į superlaidininką. Šis reiškinys vadinamas Meisnerio (Meissner) efektu.
Superlaidumas buvo pastebėtas daugiau kaip dviejuose tūkstančiuose grynųjų medžiagų ir junginių, tačiau jų superlaidaus virsmo temperatūra buvo žemesnė nei 24 K. 1986 metais IBM firmos Šveicarijoje mokslininkams J. Bednorcui (Bednorz) ir K. Miuleriui (Muller) pavyko sukurti keramiką, kurios superlaidaus virsmo temperatūra buvo apie 35 K. Vėliau JAV mokslininkai iš itrio, bario ir vario oksidų su priedais susintetino keramiką, kuri tampa superlaidi 92 K temperatūroje, aukštesnėje už skysto azoto virimo temperatūrą (77 K). Yra optimistinių prognozių, kad pavyks sukurti medžiagas, kurios būtų superlaidžios net normalioje temperatūroje.
Superlaidumo reiškinį numatoma plačiai panaudoti energetikoje, elektrotechnikoje, elektronikoje, skaičiavimo ir matavimo technikoje. Paprasčiausias krioelektronikos – žemųjų temperatūrų elektronikos – įtaisas yra kriotronas. Kryžminio plonasluoksnio kriotrono sandara atvaizduota 3.13 paveiksle. Jis sudarytas iš valdomosios alavo šynos, dielektriko sluoksnio ir valdymo šynos. Kriotrono veikimas pagrįstas staigiu valdomosios šynos varžos pokyčiu pakitus magnetiniam laukui, kurį sukuria srovė, tekanti valdymo šyna. Kriotronas yra mažų matmenų, vartoja mažai energijos. Jo veikimo sparta yra labai didelė: persijungimo trukmė yra tik pikosekundžių eilės.

4.Laidūs polimerai

2000 metų Nobelio premija (chemijos mokslas) suteikta Kalifornijos (JAV) universiteto profesoriui A.J.Heegeriui už mokslinius darbus laidžių polimerų sintezės ir tyrimo srityje. Kodėl būtent šios srities darbai nusipelnė tokio aukšto įvertinimo? Pirma, laidūs (konjuguoti) polimerai – nauja klasė medžiagų, kurių elektroninės savybės artimos metalams ir puslaidininkiams, tačiau, skirtingai nuo metalų (varis, aliuminis, sidabras ir kt.) ir puslaidininkių (silicis, germanis, selenas ir kt.), kurie natūraliai egzistuoja gamtoje, laidūs polimerai yra tik sintetinami. Taigi kartu su šiomis medžiagomis gimė ir nauja mokslo ir technologijos sritis. Antra, kadangi laidžių polimerų savybės (taip pat ir elektroninės) priklauso nuo jų cheminės formulės ir sandaros, tai sintezė leidžia kurti unikalių savybių elektronines medžiagas, kurių įvairovė apribota tik mokslininko fantazijos.
Pirmieji laidžių polimerų tyrimai buvo atlikti daugiau kaip prieš 20 metų. Vadinamieji “sotieji” polimerai buvo pirmųjų tyrimų objektas. Vienas iš šių polimerų yra daugeliui pažįstamas polietilenas ((CH2)n), kuriame kiekvienas anglies atomas sudaro ryšius su dviem gretimais anglies atomais, o likę du ryšiai užimti dviem vandenilio atomais. Tačiau šie polimerai neturėjo kokių nors išskirtinių savybių, todėl susidomėjimas šios klasės polimerais gana greitai užgeso. Daug įdomesnėmis elektroninėmis savybėmis pasižymi vadinamieji konjuguotieji polimerai, kurių atomų ryšiai yra ne visiškai įsotinti. Kaip pavyzdį galima paminėti poliacetileną ((CH)n), kuriame anglies atomai, kaip ir polietilene, sudaro ryšius su dviem gretimais anglies atomais, tačiau vandenilis užima tik vieną iš dviejų laisvų anglies atomo ryšių. Likęs laisvas anglies atomo ryšys sąveikauja su gretimo anglies atomo laisvu ryšiu, ir šios sąveikos pobūdis ir stiprumas lemia, kokiomis savybėmis pasižymės polimeras – metalinėmis ar puslaidininkinėmis. Konjuguotojo polimero grandinėlę paprastai sudaro keletas šimtų monomerų (poliacetileno atveju monomeras yra CH). Taigi laisvų ryšių tarpusavio sąveikos ilgis, sąveikos tarp gretimų polimerinių grandinėlių stiprumas ir netvarkos dydis (grandinėlių netvarkingas išsidėstymas erdvėje) ir nulemia polikonjuguotojo polimero mechanines, chemines, elektrines ir fotoelektrines savybes. Šiuo metu yra susintetinta labai daug – konjuguotųjų polimerų, iš kurių svarbiausi polianilinas (PANI), politiofenas (poly(thiophene), poliparafenilenas (PPP).
Konjuguotųjų polimerų elektrinės ir fotoelektrinės savybės gali būti keičiamos įterpiant į šias medžiagas priemaišų, t.y. legiruojant. Pastaroji galimybė dar labiau išplėtė šių medžiagų taikymo sritis. Galimybė įterpiant priemaišas valdyti polimero laidumą leido susintetinti polimerus, kurie elektriniu laidumu nenusileidžia metalams (sintetiniai metalai), ir naudoti šias medžiagas technikoje (laidūs elektrai klijai, automobilių kuro bakai, ekranavimui ir t.t.). Konjuguotųjų polimerų elektrocheminis aktyvumas leidžia konstruoti polimerines baterijas, o fotoindukuoti optinio spektro pokyčiai – naudoti juos lazerių gamyboje. Dar platesnes polimerų naudojimo perspektyvas atvėrė galimybė legiruojant sukurti n- ir p- tipo polimerus. Tai leidžia ant lankstaus pagrindo kurti polimerinius diodus, fotodiodus, šviesos diodus, lauko tranzistorius. Mokslinėje spaudoje pasirodė straipsniai, kuriuose aprašomi pirmieji bandymai pagaminti integrinius grandynus. Šiuo metu konjuguotieji polimerai plačiausiai naudojami kopijavimo aparatuose ir lazeriniuose spausdintuvuose, kur pakeitė neorganinius amorfinio Se ir As2Se3 sluoksnius.
Tačiau, norint efektyviai naudoti amorfines medžiagas ir organinius polimerus naujiems ir efektyvesniems prietaisams kurti, reikia išsiaiškinti krūvininkų judėjimo šiose medžiagose savybes. Krūvininkų elgesį tiek amorfinėse, tiek organinėse polimerinėse medžiagose tiria Vilniaus universiteto Kietojo kūno elektronikos katedros mokslininkai ir kondensuotų medžiagų fizikos ir elektronikos specializacijos magistrai. Bendri darbai vykdomi su 3M ir “Samsung” firmomis, Čekijos MA Fizikos universiteto, Abo (Suomija) akademijos universiteto, Neushatel (Šveicarija) universiteto mokslininkais.

Leave a Comment