malzemenin fiziksel özellikleri

MALZEMENİN FİZİKSEL
ÖZELLİKLERİ
DERS NOTU
Malzemelerin Elektriksel
Özellikleri
Hazırlayan
Doç. Dr. Özkan ÖZDEMİR
2014
Malzemelerin fiziksel davranışları, çeşitli elektrik, manyetik, optik, ısıl ve elastik
özelliklerle tanımlanır. Bu özellikler çoğunlukla, atomik yapı(elektronik yapı, bandlar),
atomik dizilme ve malzemenin kristal yapısı ile belirlenir.
Atomik yapıda, iletken ve valans bandlar, elektronlar arasındaki geçişleri belirleyerek,
malzemelerin iletken, yarı iletken ya da yalıtkan olmalarını sağlamaktadır. Bunun
yanında, ferromanyetik davranış, yayınma ve saydamlık gibi özellikler de atomik yapıya
bağlıdır.
Fiziksel özellikler, atomların kısa mesafeli ve uzun mesafeli diziliş düzenini
değiştirmekle ve de atomik dizilmede yabancı atomları katmakla ve kontrol etmekle
önemli ölçüde değiştirilebilmektedir. Metal işleme tekniklerinin, metallerin elektrik
iletkenliği üzerine büyük etkisi bulunmaktadır.
Atom gruplarının elektronik yapıları incelenerek, elektriksel özellikleri saptanmakta ve
buna bağlı olarak elektrik ve elektronik malzemeler seçilebilmektedir. Benzer biçimde, bir
malzemenin elektrik alanına ya da manyetik alana tepkisi saptanarak manyetik malzeme
seçimi yapılabilmektedir.
Bugün elektronik malzemeler denilince akla ilk gelenler “elektronik” seramik
malzemeler olmaktadır. Bu konuda “elektriksel özellikler” temel rol oynamaktadır.
Elektronik seramikler, ileri teknoloji malzemelerinin en fazla uygulama alanı bulan
grubunu oluşturmaktadır. Bu amaçla seramikler kullanılmaktadır. 1985 yılında üretilen ileri
seramiklerin % 90 „ından fazlasını elektronik seramikler oluşturmaktadır. Elektronik
seramikler en çok, entegre devrelerin bir araya getirildiği taban(substrate) malzemesi olarak
tercih edilmektedir.
Bu amaçla kullanılacak malzemelerde ohm yasası, band teorisi gibi temel konuların çok iyi
anlaşılması gerekmektedir.
Bu amaçla kullanılacak malzemelerin çok saf olması ve bunların çok iyi bir şekilde
homojen karıştırılmaları gerekmektedir. Ayrıca, özellikle çok ince ve ufak parçaların
üretimi için gelişmiş şekillendirme yöntemlerine gerek vardır.
Bileşimin yanı sıra, kristal yapısının, tane sınırlarının, boşluk miktarının ve yüzey yapısının
çok iyi denetlenmesi gerekmektedir. Tabloda belli başlı yapılar ve kullanım alanları
gösterilmektedir.
MALZEMELERİN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ
Pek çok uygulamada malzemelerin elektriksel davranışı mekanik davranışlarından daha
önemlidir.
Uzun mesafelere akım ileten metal tel, ısınma sonucu oluşan güç kaybını azaltmak için
yüksek bir elektrik iletkenliğe sahip olmalıdır. Seramik yalıtkanlar, iletekenler arasındaki
arkı önlemelidir.
Elektrik ve elektronik uygulamalar için malzeme seçmek ve kullanmak elektrik
iletkenliği gibi özelliklerin, nasıl üretildiğinin ve denetlendiğinin anlaşılmasını
gerektirir.
Ayrıca, elektriksel davranışın, malzeme yapısından, malzemenin işlenişinden ve malzemenin
maruz kaldığı çevreden etkilendiği bilinmelidir. Bu nedenle malzemelerin atomik yapı ve
eletronik düzenlerinin iyi bilinmesi, temel elektrik yasalarının hatırlanması gerekmektedir.
Tabloda bazı element gruplarının elektronik yapıları ve elektriksel özellikleri
gösterilmektedir.
Malzemeler içindeki elektrik iletimi, uygulanan bir elektriksel alanın etkisiyle malzeme
içindeki yük taşıyıcıların hareketleri ile oluşur.

Elektronlar,

Elektron boşlukları

Anyon (-) ve Katyonlar (+) başlıca yük taşıyıcılardır.
Metallerde elektrik iletimi
Metalik katılarda atomlar kristal yapıda (YMK, HMK, SDH) dizilir ve birbirlerine en
dış değerlik elektronlarının oluşturduğu metalik bağla bağlanır. Katı metallerdeki bağda
elektronlar belirli bir atoma bağlı olmayıp birçok atom tarafından paylaşıldığından, metalik
bağda değerlik elektronları serbestçe hareket eder . Bazı durumlarda elektronların bir
elektron bulutu oluşturduğu, bazı durumlarda ise elektronların kendi başlarına serbest
elektronlar olduğu, herhangi bir atoma bağlı olmadığı varsayılır.
Geleneksel modelde, malzemede yük taşıyıcı sayısı denetlenerek elektriksel iletkenlik
denetlenebilmektedir. Elektronlar (dış değerlik elektronları), iletkenlerde, yarı
iletkenlerde ve yalıtkanlarda yük taşıyıcılardır. İyonik bileşiklerde ise, yükü iyon taşır.
Hareketlilik, atomik bağa, kafes düzensizliklerine, mikroyapıya ve iyonik bileşiklerde
difüzyon hızına bağlıdır.
Oda sıcaklığında artı yüklü iyonları kafes üzerindeki yerlerinde titreştiren kinetik enerjiye
sahiptir. Sıcaklık arttıkça iyonların titreşme genlikleri artar ve iyonlarla değerlik elektronları
arasında sürekli bir enerji değişimi vardır.
Bir elektrik potansiyelinin yokluğunda, değerlik elektronlarının hareketi rastgele ve sınırlıdır,
dolayısıyla, herhangi bir yönde net elektron akışı ve elektrik akımı yoktur.
Bir elektrik potansiyelinin uygulanması halinde elektronlar, uygulanan alanla orantılı fakat
zıt yönde bir sürüklenme hızı kazanır.
Malzemelerin elektriksel özellikleri, elektron yapıları ve elektron hareketleri ile ilgilidir.
Elektronların; elektriksel alan
manyetik alan
elektro-manyetik radyasyon
sıcaklık etkisinde davranışları elektriksel özellikleri oluşturur. Bu etkileşimde
en önemli etken valans elektronlarıdır. Elektronların dış alanlarla etkileşimi sonucu doğan
olaylar :
1. Elektriksel İletkenlik
2. Elektriksel Kutuplaşma
3. Manyetiklik
4. Elektro-manyetik radyasyon olarak sıralanabilir.
İletkenlik: Elektriksel alanın oluşturduğu Coloumb kuvvetleri etkisinde elektronların veya yayınan
iyonların malzeme içinde uzak mesafeli hareketleri elektriksel iletkenliği sağlar. Bu özelliğe sahip
malzemelere iletken malzemeler denir.
Elektriksel Kutuplaşma : İletken olmayan bazı malzemelere elektriksel alan uygulandığında
elektronlar ve iyonlar yer değiştirir. Bunun sonucu bazı elektriksel kutup çiftleri oluşur. Elektriksel
kutuplaşmaya sahip bazı malzemelerin elektriksel alan etkisinde boyutları değişir veya kuvvet
uygulandığında elektriksel alan doğar. Piezoelektrik denen bu etkiden yararlanılarak elektromekanik
dönüştürücüler geliştirilmiştir. Bu tür özelliğe sahip malzemeler titreşim ölçmede, mikrofonlarda, ses
aygıtlarında ve benzer alanlarda kullanılırlar.
Manyetiklik: Kendi eksenleri etrafında dönen elektronlar manyetik kutba sahiptirler. Dolmamış valans
altı enerji düzeyine sahip atomlarda manyetik kutup çifti vardır. Bazı malzemelerde bu manyetik
kutuplar dış manyetik alan etkisinde yönlendirilerek net manyetiklik sağlanabilir. Bu özelliğe sahip
manyetik malzemeler sürekli mıknatıs, elektromıknatıs, elektrik motoru, jeneratör gibi birçok
aygıtlarda kullanılırlar.
Elektro-Manyetik Radyasyon: Elektromanyetik dalgalar eşzamanlı değişken elektriksel ve manyetik
alan niteliğinde olduklarından, malzemelerde elektronlarla ve elektriksel kutuplarla etkileşirler. Bu
etkileşme sonucu yansıma, emilme, kırılma, renklenme, fotoiletkenlik, lüminesans olayları ve lazer
ışınları oluşur.
Ayrıca ısıl enerji de elektronların kinetik enerjilerini arttırarak kütle içinde hareket etmelerini dolayısıyla
elektriksel yük ve ısı iletimi sağlar.
Bu etkileşimler sonucu gözlenen elektriksel özellikler:
İletkenlik, Yarıiletkenlik , Yalıtkanlık , Manyetik, Optik, Isıl özellikler
Elektriksel İletkenlik
Elektriksel alanın oluşturduğu Coloumb kuvvetleri etkisinde elektronların veya yayınan
iyonların malzeme içinde uzak mesafeli hareketleri elektriksel iletkenliği sağlar. Bu
özelliğe sahip malzemelere iletken malzemeler denir. Özellikle çok sayıda serbest
elektron içeren saf metallerin iletkenlikleri çok yüksektir. İyonik ve kovalent bağ yapısına
sahip malzemelerde serbest elektron bulunmadığından normal olarak yalıtkan sayılırlar.
Ancak bazılarına yeterli elektriksel alan veya yüksek sıcaklık uygulanırsa yeterli sayıda
elektron aktive edilerek serbest hale geçirilir ve iletkenlik sağlanabilir. Bu tür
malzemelere yarı iletken malzemeler denir.
e gibi taşıyıcılar atomlar veya hataların arasından
düzensiz olarak yol alırlar
Metalik bağdaki valans elektronlar kolay hareket
ederler
Yarı iletken ve yalıtkanlarda elektronların hareket
edebilmeleri için kovalent bağın kopması gerekir.
İyonik bağlı malzemelerde taşınma difüzyon ile
gerçekleşir. Bu tür iletkenlik genellikle sıvı
eriyiklerde görülür.
Ohm yasası – elektriksel iletkenlik
Bir bakır telin uçlarına bir pil bağlandığında, R direncindeki telden, uygulanan V potansiyeline
bağlı olarak, bir I akımı geçecektir. Elektriksel iletkenlik, ohm yasasından yola çıkılarak
saptanabilir.
Boyu L(m) ve kesiti A(m2) olan bir iletkende V (volt) gerilimi etkisinde geçen I akımı (amper)
gerilimle orantılıdır ve orantı katsayısı iletkenin R direncidir.
Direnç malzeme özelliğine, yani elektrik özdirencine, bağlıdır. İletkenin direnci (R), iletkenin
L boyu ile doğru, A kesiti ile ters orantılıdır.
Burada; l = iletkenin boyu (m); A = iletkenin kesit alanı (m2) ; ρ = iletkenin özdirenci (ohm.m)
σ = 1/ρ = öz iletkenlik (ohm.m)-1
Elektrik iletkenliğinin birimi (ohm-metre )-1 = (Ω.m)-1 ‘dir.
SI birimiyle ohm’un tersi siemens’tir.
Saf altın, gümüş ve bakır en iyi iletken, 107(Ω.m)-1, metallerdir. Buna karşın polietilen,
polistiren gibi elektrik yalıtkanları 10-14 (Ω.m)-1 civarında çok düşük bir iletkenlik gösterirler.
Silisyum ve germanyum, metaller ve yalıtkanlar arasında bir iletkenlik gösterdiklerinden yarı
iletkenler diye adlandırılırlar.
(Bazı kitaplarda ξ
yerine E
kullanılmaktadır)
Metallerde valans elektronlar kütle içinde rastgele serbest hareket halindedir. Bu hareketler
duran dalga türündendir. Normal halde dış etki yoksa herhangi bir yöne giden ortalama
yük ile ters yöne giden ortalama yük eşittir, dolayısıyla toplamı sıfırdır.
Eğer E=V/L (V/m) elektriksel alan uygulanırsa eksi kutba doğru hareket etmekte olan
elektronlar yavaşlar, artı kutba doğru gitmekte olanlar hızlanır, bunun sonucu net bir akım
oluşur.
Metallerde Elektron Hareketi
Elektriksel alan etkisinde yayılan elektron dalgalarının hızı sürekli artar ve momentum
kazanırlar. Ancak dalga bir atoma veya bir engele çarparsa yön değiştirir, hızı düşer ve
kinetik enerji azalır. Çarpma sonucu atomun titreşimi artar, aldığı enerjiyi ısı enerjisine
dönüştürerek kütle içine yayar, dolayısıyla iletken ısınır ve buna joule kaybı denir.
Yön değiştiren elektron dalgası, alan etkisinde tekrar hızlanır ve bu şekilde her engelde
sürekli yön değiştirerek yoluna devam eder. Bir elektron dalgasının saptırılmadan
alabileceği ortalama yola ortalama serbest yol denir. Ortalama serbest yolu azaltan ısıl
titreşimler, yabancı atomlar ve iç yapı kusurlardır. Bunlar direnci arttırıcı iletkenliği
azaltıcı yönde etkirler.
Metallerde Elektriksel Dirence Etkiyen Etmenler
1. Sıcaklık
Elektron dalgalarının serbest hareketi için en ideal ortam, ısıl titreşimlerin bulunmadığı
0°K de kusursuz kristallerdir. Elektron dalgaları böyle bir ortamda elektriksel alan
etkisinde, kafes aralarından hiçbir engele rastlamadan sürekli hızlanarak yollarına devam
ederler, direnç sıfıra yaklaşır ve büyük ölçüde akım geçer.
Ancak sıcaklık yükseldiği zaman atomlar denge konumunda sürekli titreşim yaparlar ve
titreşimlerin genliği sıcaklıkla artar. Bu durumda elektron dalgalarına çarpma olasılığı
artar, ortalama serbest hareket yolu kısalır, direnç artar.
Özgül direncin sıcaklıkla değişimi
2. Yabancı Atomlar
Kristal kafes yapıda ana atomların yanında değişik
büyüklükteki
yabancı
atomlar
(alaşım
elemanları) düzeni bozar, elektron dalgaları ile
çarpışma olasılığı artar ve ortalama serbest yol
kısalır, dolayısı ile direnç artar.
Cu-Ni alaşımlarında özgül
direncin bileşimle değişimi
3.Kristal Yapı Hataları
Kafes yapıda kusur yoğunluğu artarsa elektron
dalgalarının saptırma olasılığı artar, ortalama
serbest yol kısalır ve direnç yükselir. Bu
kusurlar; boş kafes köşeleri, yer değiştirmiş
atomlar, dislokasyonlar ve tane sınırları olabilir.
Ayrıca plastik şekil değiştirme dislokasyon
yoğunluğunu ve distorsiyonları arttıracağından
ortalama serbest yol azalır, dolayısıyla direnç
büyür.
Özdirencin plastik şekil
değiştirme ile değişimi
Süperiletkenlik : Süper iletkenlik, bazı malzemelerin hiç bir direnç göstermeksizin
elektrik akımını iletmesine verilen addır. ‘çok küçük direnç’ mi yoksa ‘sıfır direnç’ mi?
Süper iletkenler ‘Sıfır Dirence’ sahiptir.
Bazı metallerle metaller arası bileşiklerde direnç çok düşük sıcaklıklarda azalmakta ve
belirli bir Tc kritik sıcaklığında aniden sıfır olmaktadır. Bu tür malzemelere süper iletken
denir. Bu kritik sıcaklık;
Hg için 4°K, Pb için 7,2°K, NB2Ge için 21°K
Bazı iletkenlerde, malzeme kritik sıcaklık denilen bir sıcaklığın altına kadar
soğutulduğunda, akımı taşıyan elektronlar enerjilerini ısıya çevirme yeteneklerini
kaybederler ve direnç sıfıra yakın değerlerde olur. Bu durumda herhangi bir gerilim
uygulanmadan ve enerji kaybetmeden bir akım oluşturmak mümkün olabilir.
Süperiletkenliğin sıcaklığa ve manyetik alana bağlılığı
Manyetik alan normal iletken malzemelere nüfuz ederler. Süper iletkenler manyetik bir
alana maruz kalırlarsa Meissner etkisi gösterirler. Şayet süper iletken malzeme
manyetik bir alan içinde ise manyetik akı malzemeye nüfuz edemeyecektir ve manyetik
alan süper iletken malzemeyi itecektir
Izole bir atomda elektronlar iyi tanımlanmış
enerji seviyelerinde bulunur. Atomlar katı
oluşturmak için bir araya geldiğinde, Coulomb
kuvvetleri
nedeniyle,
valans
elektronlar
birbirleriyle ve çekirdek ile etkileşir,
Buna ek olarak, iki özel kuantum mekanik etki
meydana gelir:
1. Heisenberg'in belirsizlik ilkesince, elektronlar
küçük bir hacme sıkıştırılarak
enerjileri yükselir.
2. Pauli ilkesi nedeniyle, aynı enerjiye sahip
elektron sayısı sınırlıdır.
Bu etkilerin bir sonucu olarak, geniş bir elektron
enerjisi bantları oluşur.
Bantlar, boşluklar ile ayrılmıştır.
Sodyum elementinin bant yapısı. 3s grubu
sodyum için iletim bandıdır.
Enerji Bantları
Elektron çekirdekten ne kadar uzakta ise, enerji durumu da o kadar yüksektir ve ana
atomdan ayrılmış olan bir elektron atomik yapıdaki herhangi bir elektrondan daha yüksek
bir enerji durumuna sahiptir. Herhangi bir yolla elektronlara sahip olduğu enerjinin
üzerinde bir enerji uygulanırsa ana yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer.
Böylece bir elektronun enerji seviyesi değişmiş olur. Her yörünge kendi alt yörüngelerine
sahiptir. Kısacası, bir atomda çok sayıda ayrılmış, fakat birbirine yakın yerleşmiş enerji
seviyeleri mevcuttur ve bunlar enerji bandı olarak isimlendirilir.
Valans banttaki bir elektron çeşitli etkilerle bulunduğu enerji bandından koparılıp serbest
hale gelirse, elektronun bu anda bulunduğu banda “iletim bandı” denir. Valans bandı ile
iletim bandı arasındaki “yasak band” elektronların alabileceği bir enerji seviyesine sahip
değildir.
Enerji-band diyagramları (a) Yalıtkan (b) Yarıiletken (c) İletken
Şekil a`da görüldüğü gibi yalıtkan madde bir elmas kristalinde, içinde elektronlarında
olabileceği enerji seviyeleri bulunmayan yasak bölgenin genişliği Eg = 6 eV kadardır.
Bu geniş yasak bant, dolu valans bandını boş iletim bandından ayırır. Böyle bir yapıda
elektrona dışarıdan uygulanacak bir etki ile sağlanacak enerji, bu elektronu, dolu valans
bandından boş iletim bandına geçirmeye yetmez. Elektron dışarıdan uygulanan bir etki
ile gerekli enerjiyi kazanamayacağı için iletim imkansızdır.
0°K veya mutlak sıfırda, yarıiletken maddelerin tüm serbest elektronları valans
bandında bulunurlar. Ancak oda sıcaklığında (300°K=25°C) çok sayıda elektronun
iletim bandına geçmesine yetecek enerjiyi (yani silisyumda Eg=1,1 eV`luk,
germanyumda Eg=0,67 eV`luk yasak bant enerji aralığını atlamaya yetecek enerjiyi)
aldıkları görülebilir (Şekil b).
Şekil c`de görüldüğü gibi iletkenlerde valans bandı iletim bandı ile iç içedir. İkisi
arasında yasak bant yoktur. Diğer bir deyişle, valans banttaki elektronlar çok küçük
bir etki ile daha yüksek enerji seviyelerine geçebilirler.
Malzemeler valans enerji bandlarının yapısına göre iletkenlik yönünden 3 sınıfa
ayrılırlar:
a)İletkenler, valans enerji bandlarıkısmen dolu,
b)Yarıiletkenler, Valans enerji banları tam dolu, enerji aralığı Ea4 eV,
c)Yalıtkanlar, valans enerji bandları tam dolu, enerji aralığı Ea4eV.
Kaynaklar:

W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Malzeme bilimi ve Mühendisliği, Baskıdan Çeviri, Edt:
K. Genel, 2013

D. R. Askeland, Malzeme Bilimi ve mühendislik Malzemeleri, 3. Baskıdan çeviri, M.
Erdoğan,

W. F. Smith, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 3. Baskıdan Çeviri, N.G. Kınıkoğlu, 2001.