Найбільше рельєфно переваги халькогенідів сконцентровано у вузькозонних напівпровідникових твердих розчинах РЬх§пі-хТе і СсіхН§і.хТе (КРТ). По виявній спроможності і чутливості в інфрачервоному діапазоні КРТ на багато перевершує Зі і Ое. Крім того, він стабільно працює при температурі рідкого азоту, тоді як інші матеріали потребують більш високого ступеня охолодження. Незважаючи на те, що цей твердий розчин надзвичайно складний у технологічному відношенні, обсяги робіт із його вивчення усе зростають. Виключивши стратегічні потреби в матеріалах, що працюють в інфрачервоній області спектру, відзначимо лише типові медичні аспекти їхнього застосування [3]:
1 .• Безконтактне і локальне вимірювання температури шкіри;
2. Рання діагностика раку;
3. Контроль за протіканням процесу загоєння ран без зняття пов'язок;
4. Визначення вмісту вуглекислого газу в крові і видихуваному повітрі;
5. Визначення оптимального місця для ампутації;
6. Дослідження властивостей ока через непрозорі середовища.
Області застосування напівпровідників постійно поширюються, технологія їх отримання безупинно удосконалюється. У той же час варто визнати, що рішення задачі одержання напівпровідникових сполук із заданими властивостями ще далеке до повного завершення.
3. ПРОВІДНИКОВІ МАТЕРІАЛИ ТА ЇХ ОСНОВНІ ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Відповідно до основної класифікації провідники - це матеріали, що мають електричний опір менше 10"3Ом • см.
Основне технічне призначення провідників - комутація, контактування і накопичення зарядів в елементах електронної техніки.
До провідників відносяться всі метали, напівметали типу вуглецю, миш'яку і т.д., а також розчини електролітів. У біомедичній техніці використовуються усі види провідників. Проте, як правило, найчастіше основні функції по переносу електричного заряду виконують метали. Тому в даному розділі цим матеріалам буде приділена основна увага. Такий підхід є обгрунтованим хоча б тому, що біля 80 елементів таблиці Менделєєва відносяться до металів.
3.1 ПРОЦЕСИ ПЕРЕНОСУ ЗАРЯДУ У МЕТАЛЕВИХ ПРОВІДНИКАХ
При утворенні кристалічної ґратки металу майже кожний атом віддає в загальне, "колективне" користування принаймні по одному електрону. Електронний газ, який створюється при цьому в міжвузельному просторі, має дуже високу концентрацію вільних носіїв заряду (їх кількість близька до кількості атомів в об'ємі речовини). Концентрація вільних носіїв заряду дуже слабко залежить від зовнішніх умов, що, як відзначалося, є принциповою відмінністю металів від напівпровідників. У такій ситуації, коли концентрація носіїв заряду дуже велика, роль їх рухливості в загальній електропровідності, як правило, невисока. ^
В теперішній час теорія електропровідності металів розроблена досить повно. ЇЇ висновки цілком підтверджуються експериментальне тільки з застосуванням у якості основних принципів руху електрона в полі кристалічної ґратки квантово-механічних уявлень. Сучасна теорія припускає, що електрони в металах беруть участь у двох рухах: по-перше, це тепловий, хаотичний рух і, по-друге, це спрямований дрейф носіїв проти напрямку електричного поля. Прості оцінки показують, що швидкість теплового руху на багато більша швидкості дрейфу. Це означає, що електрони при переносі заряду знаходяться практично в термодинамічній рівновазі з остовом кристалічної ґратки, а їх рух відображає лише мале відхилення системи від рівноважного стану. Саме такі уявлення дозволили застосувати до опису руху електрона в металі квантові уявлення теорії збуджень і кількісно описати електропровідність.
Як і у випадку напівпровідників, для опису руху електронів у металах вводиться поняття часу вільного пробігу. Обернена до часу вільного пробігу величина має сенс імовірності розсіювання або ж взаємодії носія з якимось видом неперіодичності поля ґратки. Експерименти показують, що найбільш ефективно електрони в металах взаємодіють із тепловими коливаннями кристалічної ґратки (акустичними фононами), власними дефектами кристалічної ґратки і атомами домішок, що порушують періодичність внутрішньокристалічного поля. Розроблений квантово-механічний підхід дозволив пояснити лінійність температурної залежності електричного опору і аналізувати залежність цього параметра від складу металевих сплавів у виді [1]: р=хр^ +(і-х)ру+ах(\-х), де рд, рд - опір чистого металу, х - вміст основного елементу, що створює сплав, (атомна доля), а - постійна, що характеризує спроможність домішкових атомів розсіювати електрони. Подана залежність часто використовується для оцінки опору сплавів за даними для вихідних компонентів.
В металах перенос тепла, як і заряду, здійснюється електронами. Тому природно ці макропараметри пов'язати між собою. Висловлене розмірковування знайшло відображення в емпіричному законі Відемана-Франца. Відповідно до цього закону співвідношення між питомим електричним опором металу і його теплопровідністю л.у має вид: ^/г=^г, деі, - постійна Лоренца, Т - абсолютна температура, у - електропровідність.
Цей фундаментальний закон накладає обмеження на параметри теплоелементів із металів. Наприклад, для ефективної роботи теплоелементів, заснованих на ефекті Пельтье, необхідні метали з високою електропровідністю і низькою теплопровідністю. Таке сполучення властивостей неможливе. Тому, в якості компонентів термоелементів застосовують напівпровідники, де велика частка фононної компоненти в розсіюванні електронів, і закон Відемана-Франца приймає іншу форму.
3.2 МЕТАЛИ, ЇХНЯ СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ
Традиційні методи отримання металів у тій або іншій мірі пов'язані зі спонтанною кристалізацією, коли зародки кристалічної фази утворюються самодовільно. Це означає, що одержуваний злиток металу має полікристалічну будову. Необхідно відразу ж відзначити, що метал як полікристал- має свої специфічні властивості. По-перше, необхідно відзначити
ізотропію властивостей металів. Дійсно, через те, що полікристал являє собою сукупність розорієнтованих мікроскопічних кристалітів-зернин, то, незважаючи на анізотропію параметрів кожного монокристалічного зерна, інтегральні характеристики зразка є ізотропними. Зерниста структура металів виявляється в наступних властивостях. Ріст зерна відбувається на конкуруючій основі стосовно своїх сусідів. Скрутність умов росту відбивається в наявності механічних напруг у структурі й утворенні різноманітних дефектів. Особливі властивості полікристалу визначає міжзернова межа і пори. Ця локальна область за своїми параметрами принципово відрізняється від властивостей об'ємного кристалу. Відзначимо, що через малий об'єм і велику їх кількість вони мають велику вільну поверхню, і отже, мають велику питому вільну поверхневу енергію. Тому саме зерниста структура відповідальна за аномально Швидку дифузію домішок, підвищену швидкість міжзернинної корозії, гетеру вання домішок у міжзерновому просторі і т.д.
Зерниста структура металів являє собою істотно термодинамічний нерівноважний стан і, у принципі, розмірами зернин можна керувати, змінюючи час і температуру випалу. Проте, як правило, навіть випали не перетворюють полікристалічну структуру в монокристалічний стан, хоча властивості матеріалу наближаються до властивостей свого монокристалічного аналогу. Очевидно, для металів випал саме з такою метою недоцільний. Дійсно, для рішення задачі таким засобом необхідні значні часи або температури, близькі до точки плавлення, що стає нереальним і економічно невиправданим. До того ж, експерименти показують, що поліпшення електрофізичних параметрів після випалу звичайно не перевищує 10 %. До того ж, після тривалих випалів починають виявлятися нові, не завжди корисні властивості металів. Тому полікристалічна структура цілком задовольняє розроблювачів електронної техніки.
Зерниста структура металів і поверхневі явища дають істотний внесок у фізичні властивості металевих плівок. Дійсно, коли товщина металевої плівки стає сумірною з геометричними розмірами зернин, починають виявлятися різноманітного родуквантово-розмірні ефекти, позначається дефектна структура матеріалу. Наприклад, спостерігається чітка залежність питомого електричного опору і температурного коефіцієнту опору-від товщини металевого шару.
Матеріали з металевими властивостями мають свою детальну і досить об'ємну класифікацію. У підтвердження сказаному можна відзначити кількість марок конструкційних сталей і сплавів, не говорячи вже про сплави кольорових металів або керамічних провідних композиціях і т.д. У даному курсі акцент у вивченні провідників доцільно змістити в область аналізу їх електрофізичних властивостей і скористатися класифікацією металів за їх функціональними можливостями. Тоді провідникові матеріали чітко можна розділити на такі групи: електротехнічні, конструкційні метали і метали зі спеціальними властивостями.
Конструкційні матеріали докладно вивчаються в спеціальних курсах, по ним є велика кількість літератури. Тому ці матеріали і їх властивості в даному посібнику не розглядаються, хоча їх роль у медичній техніці важко переоцінити. Те ж саме в деякій мірі стосується і металів із спеціальними властивостями, такими, як захисні, адгезіонні, припойні і т.д.
Зупинимося докладніше на електрофізичних параметрах, найширше використовуваних на практиці, провідників. Основною вимогою до провідників є їх висока електропровідність. Проте варто пам'ятати, що провідникові властивості матеріалів знаходяться в сильній залежності від умов їх отримання і режимів їх експлуатації. Так питомий електричний опір найширше використовуваних провідників міді і золота зростає на 10 - ЗО % у плівковому виконанні в порівнянні з об'ємним. Цей чинник не можна не враховувати при оцінках працездатності матеріалу як провідника.