Новые материалы, используемые в электронике

 

 

 

РЕФЕРАТ

НА  ТЕМУ:

«Новые  материалы, используемые в электронике».

 

 

 

 

 

Введение

Совершенствование производства, оснащение современных  предприятий электрооборудованием и различной аппаратурой невозможно без дальнейшего развития производства и освоения новых материалов.

Изготовление  новых материалов является одной из главных задач, в основу которой вошло широкое использование новых технологий, проектировании, а также отличной практической подготовки инженера.

Прогресс в  энергетической отрасли тесно связан с созданием и освоением новых материалов, обладающих самыми разнообразными механическими и электрофизическими свойствами. Свойства материала определяются его внутренним строением, которое, в свою очередь, зависит от состава и характера предварительной обработки.

Изучив данную тему, мы будем иметь современные представления об электрофизических свойствах и процессах, происходящих в электротехнических материалах.

Цель реферата – показать знания об основных электротехнических материалах, их свойствах и закрепить навыки правильного выбора материала в различных эксплуатационных условиях и назначениях. Правильный выбор электротехнических материалов и рациональное их использование невозможно без подробного исследования связи их структур со свойствами и электрофизическими процессами, протекающими в этих материалах в условиях тепловых, магнитных, электромагнитных и других энергетических воздействий.

 

 

 

 

 

 

 

1. Теоретическая часть

 

1. Свойства материала.

 

Использование новых материалов для изготовления электроники качественно отличается от использования старых материалов, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, сравнительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых  для  создания, обработки и манипуляции  атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в  пределах от 1 до 100 нанометров.

Нанотехнология  в настоящее время находится  в стадии развития, поскольку основные открытия,  предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают   практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяют  относить ее к высоким технологиям. Однако до сих пор новые области в особенности молекулярной  технологии – мало исследованы.

Развитие современной  электроники идет по пути уменьшения размеров и энергосбережения  устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному  экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато  экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоемких производств.

Например, в  исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы  ксенонa на  поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенонa.

При выполнении подобных манипуляций возникает  ряд технических трудностей. В  частности, требуется создание условий  сверхвысокого вакуума (10−11 тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой для чего применяются специальные методы ее приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Современная тенденция  к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые  свойства, если взять очень маленькую  частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до  1000 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие  каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические  свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато  более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно  очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит  строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

 

 

2. Технология изготовления.

 

С момента открытии графена, этого чрезвычайно прочного материала, обладающего превосходной электропроводностью, многие эксперты пророчат ему большое будущее  в области физики и изготовления различных электронных устройств. Но результаты компьютерного моделирования, проведенного международной группой ученых, показывают, что материал, называемый графин, должен обладать уж совсем экзотическими электрическими свойствами, которые делают этот материал более интересным в области электроники, чем графен.

Подобно графену, графин так же состоит из атомов углерода, соединенных в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Различие между этими материалами заключается в том, что кристаллическая решетка графина содержит помимо двойных межатомных связей еще и тройные связи. Поэтому кристаллическая решетка графина имеет более сложную форму, чем простая гексагональная форма решетки графена, более экзотические химические, физические и электрические свойства.

Компьютерные модели графина, составленные группой ученых-химиков из университета Эрлангена-Нюрнберга в Германии, возглавляемой Андреасом Герлингом, показывают, что за счет существования тройных связей электроны могут передвигаться по кристаллической решетке графина, быстрее, чем в графене, и встречать на своем пути меньше сопротивления. Это означает, что графин будет обладать еще большей электропроводимостью. Помимо этого, специфическая кристаллическая решетка графина-6,6,12, за счет присутствия в ней элементов, называемых конусами Дирака, графин способен проводить электрический ток только в одном направлении. Именно это свойство позволит исследователям на основе графина создавать высокоэффективные полупроводниковые элементы, такие как диоды и транзисторы, при этом обладающие превосходными высокочастотными характеристиками.

Приведем пример еще одной нанотехнологии. Ученые обнаружили самый прозрачный, легкий и гибкий материал, когда-либо созданный  наукой для проведения электричества.

Материал под  названием GraphExeter предназначен для  портативных электронных устройств, таких как телефоны и MP₃-плееры, но также может быть использован и в «умных» зеркалах или стеклах с компьютеризированными интерактивными возможностями.

Так как новый  материал является прозрачным в широком  спектре света, это может повысить эффективность солнечных батарей более чем на 30%.

По словам его  изобретателей, GraphExeter может произвести революцию в электронной промышленности. Он превосходит любые другие углеродные прозрачные проводники, используемые в электронике, а также может  применяться для широкого спектра приложений - от солнечных батарей до «умной» одежды.

В настоящее  время соединение оксида индия и  олова является основным проводящим материалом, используемым в электронике. Но он становится все более дорогим  и, как ожидается, закончится в 2017 году.

GraphExeter является  гораздо более гибким материалом  и первой по-настоящему жизнеспособной  альтернативой.

Чтобы создать  его, ученые зажали молекулы хлорида  железа между двумя слоями графена. Хлорид железа повышает электропроводность графена, не влияя на прозрачность материала. Исследовательская группа в настоящее время разрабатывает жидкую версию материала, которую можно будет распылять на ткани, зеркала и окна.

Недавно была разработана технология быстрого и недорогого производства электронных печатных плат с помощью метода обычной струйной печати. Данный метод основан на быстроте и недорогом изготовлении электронных печатных плат, в котором задействуется обычный струйный принтер, способный печатать как на бумаге, так и на поверхностях твердых материалов. С помощью этого метода стало возможным изготовление прототипов и опытных образцов плат всего за 60 секунд, которые требуются для распечатки изображения рисунка платы. При этом, сумма вложений и затрат не превышает 300 долларов, что существенно меньше сумм в несколько тысяч долларов, в которые обходится приобретение промышленных установок по быстрому производству прототипов печатных плат.

Технология, получившая наименование IIC (instant inkjet circuits), позволяет  распечатать рисунок электрических  проводников произвольной формы на поверхность твердых и гибких материалов. Такая технология может существенно облегчить жизнь, как и профессиональным электронщикам, так и любителям-энтузиастам, которые в некоторых случаях прибегают к использованию старого и проверенного лазерно-утюжного метода, требующего определенных навыков, оборудования, материалов и химических реактивов.

Реализация  технологии IIC стала возможно за счет достижений в области химических методов соединения металлических  частиц. Эти методы позволили исследователям соединить в единое целое серебряные наночастицы, находящиеся в чернилах для струйного принтера. Процесс химического соединения происходит при комнатной температуре, что позволило избежать необходимости применения процесса высокотемпературного теплового спекания, который занимает достаточно продолжительное время и может оказать разрушительное воздействие на материалы некоторых видов. Новый метод IIC лучше всего работает при печати на обычную мелованную бумагу, на PET-пленку и на глянцевую фотобумагу, но допускается печать токопроводящих дорожек, с немного худшими результатами, на поверхность резины, плотного брезента и на листы некоторых магнитных материалов.

После распечатки рисунка печатной платы на любом  из видов материалов на нее тут  же можно начать установку электронных компонентов. Правда о традиционном паяльнике в этом случае придется забыть, для соединения выводов компонентов с токопроводящими дорожками необходимо использовать двустороннюю токопроводящую липкую ленту или специальный серебряный токопроводящий клей, которые широкодоступны на потребительском рынке. Благодаря этому, законченные электронные устройства, даже высокой сложности, могут быть созданы с нуля буквально за несколько часов времени.

 

 

 

3. Применение в электронике.

 

Электроника, которая отработала свой срок или преждевременно вышла из строя, является одной из наиболее быстро растущих экологических проблем во всем мире. Демонтаж электронных компонентов печатных плат с целью их дальнейшего повторного использования или переработки является сложным технологическим процессом, который делает утилизацию электронных устройств весьма дорогостоящей и часто неэффективной с экономической точки зрения. Но что, если бы печатные платы могли раствориться в обычной воде, освобождая неповрежденными их электронные компоненты?

Вышеуказанная идея легла в основу технологии производства печатных плат ReUSE, разработанной исследователями  британской Национальной физической лаборатории. Печатные платы ReUSE изготовлены из специального материала со специальным покрытием, которые позволяют выдерживать уровень влажности и высокой температуры, с которыми они сталкиваются при нормальной эксплуатации.

Но, когда срок службы компонентов, установленных  на печатной плате, подходит к концу, ее подвергают обработке простой  горячей водой. Верхние защитные слои платы разрушаются и материал платы начинает растворятся в  воде, оставляя компоненты в целости  и сохранности. После этого компоненты требуется лишь очистить от остатков материала платы, высушить и отправить на сортировку.

Рассмотрим  еще один вид новых материалов, это - органические светодиоды, диоды, в которых излучающий слой представляет собой органическое соединение. Они состоят из следующих элементов: подложки (пластиковой, стеклянной, фольги); катода, инжектирующего электроны в излучающий слой при прохождении тока; слоев органических материалов, один из которых проводит дырки, инжектируемые анодом, а второй – электроны, инжектируемые катодом, в нем и происходит излучательная рекомбинация носителей заряда; прозрачного анода, который при прохождении тока инжектирует дырки.

В качестве материала  анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы (алюминий и кальций) с низкой работой выхода, но достаточной для инжекции электронов в полимерный слой. В качестве светоизлучающих материалов используются низкомолекулярные органические вещества и полимеры. Последние делятся на просто полимеры, полимерорганические и фосфоресцирующие соединения.

Физический  принцип генерации светового  излучения полимеров основан на явлении электролюминесценции в органических низкомолекулярных соединениях и в полимерах. Сначала появились полимеры на основе микромолекул, однако они были слишком дороги, поскольку изготавливались с помощью вакуумного напыления. Первый шаг к созданию полимерных диодов был сделан в 1989 году, когда ученым Кембриджского университета удалось синтезировать особый полимер – полифениленвинилен. Технологически светодиоды могут быть получены нанесением на подложку полимерных материалов специальным струйным принтером.