introduzione

1. Tipi di diagrammi di fase

2. Sistemi di importanza in microelettronica

3. Solubilità solida

4. Transizioni di fase

Letteratura

introduzione

I diagrammi di fase sono parte integrante di qualsiasi discussione sulle proprietà dei materiali quando si tratta dell'interazione di diversi materiali. I diagrammi di fase sono particolarmente importanti nella microelettronica, perché per la produzione di piombo e strati passivanti, è necessario utilizzare lì un ampio insieme di materiali diversi. Nella produzione di circuiti integrati, il silicio è a stretto contatto con vari metalli; presteremo particolare attenzione a quei diagrammi di fase in cui il silicio appare come uno dei componenti.

Questo saggio discute quali sono i tipi di diagrammi di fase, il concetto di transizione di fase, la solubilità solida, il massimo sistemi importanti sostanze per la microelettronica.

1. Tipi di diagrammi di fase

I diagrammi di stato monofase sono grafici che, a seconda di pressione, volume e temperatura, descrivono lo stato di fase di un solo materiale. Di solito non è consuetudine disegnare un grafico tridimensionale su un piano bidimensionale: ne descrivono la proiezione sul piano temperatura-pressione. Un esempio di diagramma di stato monofase è riportato in fig. uno.

Riso. 1. Diagramma di stato monofase

Il diagramma delinea chiaramente le aree in cui il materiale può esistere in un solo stato di fase - come solido, liquido o gassoso. Lungo le linee delimitate, una sostanza può avere due stati di fase (due fasi) nel contesto l'uno con l'altro. Si verifica una qualsiasi delle combinazioni: solido - liquido, solido - vapore, liquido - vapore. Nel punto di intersezione delle linee del diagramma, il cosiddetto punto triplo, possono coesistere tutte e tre le fasi. Inoltre, questo è possibile a una singola temperatura, quindi il punto triplo funge da buon punto di riferimento della temperatura. Tipicamente, il punto di riferimento è il punto triplo dell'acqua (ad esempio, nelle misure di precisione mediante termocoppie, dove la giunzione di riferimento è a contatto con il sistema ghiaccio-acqua-vapore).

Il diagramma a doppia fase (diagramma di stato del sistema duale) rappresenta lo stato di un sistema con due componenti. In tali diagrammi, la temperatura è tracciata lungo l'asse delle ordinate e la percentuale dei componenti della miscela è tracciata lungo l'asse delle ascisse (di solito è una percentuale della massa totale (wt.%) o una percentuale del numero totale di atomi (at.%)). La pressione è generalmente assunta pari a 1 atm. Se si considerano le fasi liquida e solida, la misura del volume viene trascurata. Sulla fig. 2. mostra un tipico diagramma di stato a due fasi per i componenti A e B utilizzando il peso o la percentuale atomica.

Riso. 2. Diagramma di stato a due fasi

La lettera  indica la fase della sostanza A con il soluto B,  indica la fase della sostanza B con la sostanza A disciolta in essa e  +  indica una miscela di queste fasi. La lettera (da liquido - liquido) indica la fase liquida e L+ e L+ indicano rispettivamente la fase liquida più la fase o. Le linee che separano le fasi, cioè linee su cui possono esistere fasi diverse di una sostanza, hanno i seguenti nomi: solidus - una linea su cui le fasi  o  esistono contemporaneamente alle fasi L +  e L + , rispettivamente; solvus è una linea su cui coesistono simultaneamente le fasi  e  +  o  e  +  e liquidus è una linea su cui esistono contemporaneamente la fase L e la fase L+ o L+.

Il punto di intersezione di due linee di liquidus è spesso il punto di fusione più basso per tutte le possibili combinazioni di sostanze A e B ed è chiamato punto eutettico. Una miscela con un rapporto di componenti nel punto eutettico è chiamata miscela eutettica (o semplicemente eutettica).

Considera come la transizione della miscela da stato liquido(fondere) in solido e come il diagramma di fase aiuta a prevedere la composizione di equilibrio di tutte le fasi che esistono a una data temperatura. Passiamo alla Fig. 3.

Riso. 3. Diagramma di stato a due fasi che mostra i processi di polimerizzazione

Assumiamo che all'inizio la miscela avesse la composizione C M alla temperatura T 1 , alla temperatura da T 1 a T 2 vi sia una fase liquida, e alla temperatura T 2 esistono contemporaneamente le fasi L e . La composizione della fase L presente è C M, la composizione della fase  è C  1 . Con un'ulteriore diminuzione della temperatura a T 3, la composizione del liquido cambia lungo la curva di liquidus, e la composizione della fase  cambia lungo la curva di solidus fino ad incrociarsi con l'isoterma (linea orizzontale) T 3 . Ora la composizione della fase L è CL , e la composizione della fase è C  2 . Si noti che la composizione C  2 deve avere non solo la sostanza che è passata nella fase in  alla temperatura T 3 , ma anche tutta la sostanza che è passata nella fase  a temperatura più alta deve avere la composizione C  2 . Questo allineamento delle composizioni deve avvenire per diffusione allo stato solido del componente A nella fase esistente , in modo che al raggiungimento della temperatura T 3 tutta la sostanza nella fase  avrà la composizione C  2 . Un ulteriore calo della temperatura ci porta al punto eutettico. In esso, le fasi  e  esistono contemporaneamente alla fase liquida. A temperature più basse esistono solo le fasi  e . Si forma una miscela di fasi  e  di composizione C E con aggregati  con composizione iniziale C  3. Quindi, mantenendo a lungo questo composto ad una temperatura inferiore a quella eutettica, si può ottenere un solido. Il corpo solido risultante sarà costituito da due fasi. La composizione di ciascuna delle fasi può essere determinata nel punto di intersezione dell'isoterma con la corrispondente linea del solvus.

Si è appena mostrato come determinare la composizione di ciascuna delle fasi presenti. Consideriamo ora il problema di determinare la quantità di sostanza in ciascuna fase. Per evitare confusione, in Fig. 4. Viene mostrato ancora una volta un semplice diagramma a due fasi. Supponiamo che alla temperatura T 1 la composizione della massa fusa sia C M (si intende il componente B), quindi a T 2 la fase L ha composizione CL , e la fase  avrà composizione C s . Sia M L la massa di una sostanza allo stato solido e M S la massa della sostanza allo stato solido. La condizione di conservazione della massa totale porta alla seguente equazione

(M L + M S) C M = M L C L + M S C S .

Riso. 4. Regola di livello

Riflette il fatto che la massa totale di una sostanza a una temperatura T 1, moltiplicata per la percentuale B, è la massa totale di una sostanza B. È uguale alla somma delle masse di una sostanza B che esiste nel liquido e fasi solide a temperatura T 2 . Risolvendo questa equazione, otteniamo

. (1)

Questa espressione è nota come "regola di livello". Utilizzando questa regola, conoscendo la composizione iniziale della massa fusa e la sua massa totale, si possono determinare le masse di entrambe le fasi e la quantità di sostanza B in qualsiasi fase per qualsiasi parte del diagramma a due fasi. Allo stesso modo si può calcolare

Sulla fig. 5. mostra un altro esempio di solidificazione allo stato fuso. L'abbassamento della temperatura da T 1 a T 2 porta alla miscelazione delle fasi L e  con la composizione rispettivamente C M e C  . Con un ulteriore raffreddamento, la composizione L cambia lungo il liquidus e la composizione  - lungo il solidus, come descritto in precedenza. Al raggiungimento della temperatura T 3 la composizione  diverrà uguale a C M e, come segue dalla regola di livello, a temperatura inferiore a T 3 la fase liquida non può esistere. A temperatura inferiore a T 4 , le fasi  e  esistono come aggregati delle fasi  e . Ad esempio, ad una temperatura T 5 gli aggregati della fase  avranno una composizione determinata dall'intersezione dell'isoterma T 5 e del solvus . La composizione  è determinata in modo simile - dall'intersezione dell'isoterma e del solvus .

Riso. 5. Diagramma a due fasi e processo di solidificazione Quantità di sostanza A presente in una qualsiasi delle fasi

Le sezioni del diagramma a due fasi, ancora denominate  e , sono aree di solubilità solida: A e B sono disciolte nella regione . Importo massimo A che può essere sciolto in B ad una data temperatura dipendono dalla temperatura. Alla temperatura eutettica o al di sopra può aver luogo una rapida fusione di A e B. Se la lega risultante viene raffreddata rapidamente, gli atomi di A possono essere "intrappolati" nel reticolo B. Ma se la solubilità solida a temperatura ambiente è molto inferiore (questo indica che a questa temperatura l'approccio considerato non è molto adatto), quindi possono sorgere forti sollecitazioni nella lega, che ne influenzano significativamente le proprietà (in presenza di sollecitazioni significative, sorgono soluzioni solide supersature e il sistema non è in uno stato di equilibrio e il diagramma fornisce informazioni solo sugli stati di equilibrio). A volte, un tale effetto è desiderabile, ad esempio, quando si indurisce l'acciaio mediante tempra per ottenere la martensite. Ma nella microelettronica, il suo risultato sarà devastante. Pertanto, l'alligazione, ovvero l'aggiunta di additivi al silicio prima della diffusione, viene effettuata a temperature elevate in modo da evitare danni alla superficie dovuti all'eccessiva lega. Se la quantità di drogante nel substrato è superiore al limite di solubilità del solido a qualsiasi temperatura, compare una seconda fase e la deformazione ad essa associata.

2. Sistemi di sostanze importanti nella microelettronica

Ci sono un certo numero di materiali che sono completamente solubili l'uno nell'altro. Un esempio è un sistema di due sostanze così importanti per la microelettronica come il silicio e il germanio. Il sistema silicio-germanio è mostrato in fig. 6.

Riso. 6. Sistema silicio - germanio

Il diagramma non ha un punto eutettico. Tale diagramma è chiamato isomorfo. Affinché due elementi siano isomorfi, devono obbedire alle regole di Hume-Rothery, cioè hanno una differenza nei valori dei raggi atomici non superiore al 15%, la stessa probabilità, lo stesso reticolo cristallino e, inoltre, approssimativamente la stessa elettronegatività (l'elettronegatività di un atomo è la sua famiglia inerente per attrarre o catturare extra elettroni, quando legami covalenti). Anche i sistemi Cu-Ni, Au-Pt e Ag-Pd sono isomorfi.

Il sistema Pb–Sn è un buon esempio di semplice sistema binario con solubilità solida significativa, anche se limitata. Il diagramma di fase degli stati di questo sistema è mostrato in fig. 7. Il punto di intersezione di solidus e solvus è chiamato solubilità limite, il valore della solubilità limite di stagno nel piombo e piombo nello stagno sarà grande. Questo sistema importante per la microelettronica a causa dell'uso diffuso di saldature stagno-piombo. Il loro diagramma a due fasi di questo sistema mostra come cambiando la composizione della lega cambia il suo punto di fusione. Quando sono necessarie più saldature consecutive durante la fabbricazione di un microcircuito, per ogni saldatura successiva viene utilizzata una saldatura con un punto di fusione inferiore. Questo viene fatto in modo che le saldature fatte in precedenza non scorrano.

Riso. 7. Diagramma di fase degli stati del sistema piombo-stagno

Per la produzione di microcircuiti sono importanti anche le proprietà del sistema Au-Si, poiché la temperatura eutettica di questo sistema è estremamente bassa rispetto ai punti di fusione dell'oro puro o del silicio puro (Fig. 9). Le solubilità dell'oro nel silicio e del silicio nell'oro sono troppo piccole per essere visualizzate in un diagramma di fase convenzionale. A causa della bassa temperatura eutettica, è vantaggioso installare trucioli su substrati d'oro, supporti o schede con piazzole di contatto in oro, utilizzando la reazione eutettica Au-Si come meccanismo principale di saldatura (o saldatura). Per la saldatura di cristalli di silicio viene utilizzato anche oro contenente una piccola percentuale di germanio.

Combinazioni di elementi che formano composti chimici, hanno diagrammi di stato più complessi. Possono essere scomposti in due (o più) diagrammi più semplici, ciascuno riferito a una specifica coppia di connessioni, o una connessione ed elementi. Ad esempio, AuAl 2 si forma quando il 33% (percentuale atomica) di oro viene combinato con alluminio a una temperatura inferiore a 1060° (Fig. 2.10). A sinistra di questa linea, AuAl 2 e una fase di alluminio puro coesistono. I composti come AuAl 2 sono detti intermetallici e si formano al rapporto stechiometrico appropriato dei due elementi. I composti intermetallici sono caratterizzati alta temperatura fondenti, struttura cristallina complessa e, inoltre, sono duri e fragili.

Il diagramma di fase degli stati Au - Al può essere suddiviso in due o più diagrammi, ad esempio un diagramma Al - AuAl 2 e un diagramma AuAl 2 - Au.

Riso. 8. Sistema alluminio-silicio

Schema del sistema Au–Al mostrato in fig. 2.10 è estremamente importante nella microelettronica, poiché i fili d'oro sono solitamente collegati a uno strato di metallizzazione di alluminio situato sopra il silicio. Diversi importanti composti intermetallici sono elencati qui: AuAl 2 , Au 2 Al, Au 5 Al 2 e Au 4 Al. Tutti possono essere presenti nei conduttori di legami Au-Al.

Riso. 9. Sistema oro-silicio

Riso. 10. Oro - sistema in alluminio

3. Solubilità solida

La solubilità limitante della maggior parte dei droganti nel silicio è estremamente bassa e non è proprio la solubilità massima. Sulla fig. 11 mostra una tipica curva di solidus per un'impurità priva di silicio. Si noti che la solubilità aumenta con la temperatura fino a certo valore, e quindi diminuisce a zero alla temperatura di fusione del silicio. Tale curva è chiamata curva di solubilità retrograda. Una versione migliorata di questo diagramma in prossimità del punto di fusione del silicio è mostrata in Fig. 12.

Riso. 11 Solubilità retrograda del silicio

Riso. 12 Tipico diagramma di fase del silicio

Se la composizione del fuso di silicio è uguale a C M in percentuale della massa del soluto, allora il silicio solidifica con un contenuto di soluto di k C M , dove k è il coefficiente di segregazione (k=C S /CL). Quando la concentrazione nel solido raggiunge il valore di C M al congelamento, la concentrazione nella soluzione liquida sarà pari a C M /k, poiché il rapporto tra le concentrazioni negli schermi liquido e solido deve essere pari a k. La pendenza della linea del solido è quindi

,

e la pendenza del liquidus è

.

Il rapporto tra le pendenze liquidus e solidus risulta essere uguale al coefficiente di segregazione

. (2)

4. Transizioni di fase

Transizioni da uno stato di fase all'altro al variare dei parametri del sistema.

Transizioni di fase del primo tipo (evaporazione, condensazione, fusione, cristallizzazione, transizioni da una modificazione cristallina all'altra).

Lo stato cristallino delle sostanze è classificato secondo sette singonie (triclino, monoclino, rombico, tetragonale, trigonale o romboidale...., esagonale, cubico), mentre la disposizione degli atomi in queste singonie è caratterizzata da 14 tipi di reticoli (Brave reticolo). Il grado di impaccamento degli atomi in questi reticoli è diverso:

Cubico semplice f = 0,52

Cubo centrato sul volume f = 0,68

FCC f = 0,74

Imballaggio chiuso esagonale f = 0,74

Da questi dati deriva una conclusione molto importante; in caso di trasformazioni polimorfiche (un cambio di tipo reticolo cristallino) vi è una variazione di volume e, di conseguenza, delle proprietà fisico-chimiche dei materiali.

Nelle transizioni del primo tipo, nel punto di transizione coesistono due fasi.

A  B 

a) la transizione avviene ad una certa temperatura T per

b) durante la transizione, le derivate prime dell'energia cambiano bruscamente: entalpia, entropia, volume (quindi densità)

Transizioni di fase del secondo tipo

Durante le transizioni del secondo tipo, le derivate prime dell'energia libera, dell'entalpia, dell'entropia, del volume e della densità cambiano in modo monotono.

Titanato di bario – struttura cubica –> piezoelettrico tipico tetragonale.

MnO è un antiferromagnete a 117 K entra nella fase paramagnetica.

1. Secondo la classificazione delle trasformazioni di fase proposta nel 1933 da Eripresit, le trasformazioni sono suddivise in trasformazioni (transizioni) del primo e del secondo tipo.

Le transizioni del primo tipo sono caratterizzate dal fatto che le derivate prime del potenziale termodinamico  rispetto alla temperatura e alla pressione cambiano gradualmente

qui S è l'entropia, V è il volume

Poiché il potenziale termodinamico durante la transizione di fase cambia continuamente è determinato dall'espressione

quindi anche l'energia U deve cambiare bruscamente. Come

poi il calore di transizione

è uguale al prodotto della temperatura per la differenza di entropia delle fasi, cioè un brusco cambiamento o assorbimento di calore.

Il continuo cambiamento del potenziale termodinamico è importante. Le funzioni (T) e (T) non cambiano le caratteristiche vicino al punto di transizione di fase, mentre ci sono minimi del potenziale termodinamico su entrambi i lati del punto di transizione di fase.

Questa caratteristica spiega la possibilità di surriscaldamento o superraffreddamento delle fasi in caso di transizioni di fase nel sistema.

Determiniamo la relazione tra i salti delle funzioni termodinamiche e . Dopo la differenziazione rispetto alla temperatura, la relazione Function (Р, Т) = (Р, Т), tenendo conto dell'espressione per S, V e q, otteniamo

Questa è la famosa formula di Clausis. Consente di determinare la variazione di pressione delle fasi in equilibrio con una variazione di temperatura o una variazione della temperatura di transizione tra due fasi con una variazione di pressione. Un brusco cambiamento di volume porta all'assenza di una connessione definita tra la struttura e il sistema di fasi che si trasformano durante una transizione di fase del primo ordine, che quindi cambiano bruscamente.

Tipiche per le transizioni di fase del primo tipo sono le transizioni tra stati aggregati della materia, trasformazioni allotropiche e molte trasformazioni di fase in materiali multicomponenti.

La differenza fondamentale tra transizioni di fase del secondo ordine e transizioni di fase del primo ordine è la seguente: le transizioni del secondo ordine sono caratterizzate sia dalla continuità della variazione del potenziale termodinamico che dalla continuità della variazione delle derivate del potenziale termodinamico.

Equilibrio chimico

Funzione termodinamica - una funzione di stato che determina la variazione dei potenziali termodinamici con una variazione del numero di particelle nel sistema. In altre parole, esiste una funzione che determina la direzione e il limite del passaggio spontaneo di una componente da una fase all'altra in opportune trasformazioni e condizioni (T, P, V, S, n i).

I potenziali termodinamici sono correlati tra loro dalle seguenti relazioni

Quantità di sostanza in grammi; - la quantità di sostanza in moli;

M è il peso molecolare della sostanza corrispondente.

Per la teoria delle soluzioni solide, su cui operano tutti i dispositivi microelettronici, il metodo dei potenziali chimici sviluppato da Gibbs è di grande importanza. L'equilibrio chimico può essere determinato usando i potenziali chimici.

Il potenziale chimico è caratterizzato dall'energia per 1 atomo

potenziale chimico; G è l'energia di Gibbs;

N o - Numero di Avogadro, N A - L \u003d mol -1

cioè (P, T) = (P, T)

Entrambe le curve caratterizzano una diminuzione monotona con la temperatura, determinando il valore dell'entropia di fase

I diagrammi di fase sono parte integrante della discussione sulle proprietà dei materiali quando si tratta dell'interazione di diversi materiali.

I diagrammi di stato monofase descrivono lo stato di fase di un solo materiale.

Il diagramma a doppia fase (diagramma di stato del sistema duale) rappresenta lo stato di un sistema con due componenti.

Le combinazioni di elementi che formano composti chimici hanno diagrammi di stato più complessi.

Letteratura

1. Ormont BF Introduzione alla chimica fisica e alla cristallochimica dei semiconduttori. - M.: scuola di Specializzazione, 1973.

2. Metallurgia fisica / A cura di Kahn R., vol. 2. Trasformazioni di fase. Metallografia. – M.: Mir, 1968.

3. Yu.M. Tairov, V.F. Tsvetkov "Tecnologia dei materiali semiconduttori e dielettrici", - M.: Scuola superiore, 1990.

4. "Workshop su semiconduttori e dispositivi a semiconduttore", /Ed. Shalimova KV - M.: Liceo, 1968.

(1. Regola delle fasi. 2. Concetti di diagramma di equilibrio di fase. 3. La regola dei segmenti. 4. Diagramma di statoIIItipo)

1. Regola delle fasi

Quando la temperatura o la concentrazione dei componenti cambia, il sistema (lega) può trovarsi in stati diversi. Nel processo di transizione da uno stato all'altro, si verificano trasformazioni di fase in esso: compaiono nuove fasi o scompaiono le fasi esistenti.

La possibilità di modificare lo stato del sistema, ovvero il numero e la composizione chimica delle fasi, è determinata dalla sua varianza - numero di gradi di libertà.

Definizione. Il numero di gradi di libertà di un sistema è il numero di fattori esterni (temperatura, pressione) e interni (concentrazione) che possono essere modificati senza modificare il numero di fasi del sistema.

Equazione regola di fase ( Legge di Gibbs) per un sistema a pressione costante formato da più componenti ha la forma

C \u003d K - F + 1, (3.1)

dove C è il numero dei gradi di libertà (varianza del sistema); K è il numero di componenti; Ф è il numero di fasi.

Poiché il numero dei gradi di libertà è sempre maggiore o uguale a zero, cioè C  0, allora la condizione è soddisfatta tra il numero di componenti e le fasi

Ф  K + 1, (3.2)

stabilire il numero massimo possibile di fasi di equilibrio nelle leghe.

2. Concetti di diagramma di fase di equilibrio

Diagrammi di equilibrio di fase ( diagrammi di stato) sono utilizzati nello studio della struttura delle leghe, nella scelta delle modalità del loro trattamento termico, ecc.

Il diagramma delle fasi di equilibrio mostra quali fasi esistono in determinate condizioni (concentrazione di componenti e temperatura) in condizioni di equilibrio. Dal diagramma, puoi determinare stato di aggregazione, il numero e la composizione chimica delle fasi, nonché lo stato della fase strutturale della lega, in funzione della temperatura e della concentrazione dei suoi componenti costitutivi.

Il diagramma di equilibrio di fase è un "grafico", sull'ascissa di cui è tracciata la concentrazione dei componenti (il contenuto totale dei componenti in qualsiasi lega è 100%) e sull'ordinata è la temperatura. I punti estremi (sinistra e destra) sull'asse x del diagramma corrispondono alle componenti pure. Qualsiasi altro punto su questo asse corrisponde a una certa concentrazione di componenti in lega.

Ad esempio, per una lega bicomponente (Fig. 3.1), il punto MA corrisponde a puro, cioè contenente il 100%, componente A, dot A- componente B puro, punto C - lega contenente 75% A e 25% B, punto D - una lega contenente il 75% di B e il 25% di A. L'asse di concentrazione indica la variazione del contenuto di uno dei componenti (in Fig. 3.1 - componente B).

Riso. 3.1 - Coordinate del diagramma di equilibrio di fase

Per costruire diagrammi di fase, le leghe di varie composizioni vengono esaminate a diverse temperature. Il metodo tradizionale di costruzione dei diagrammi è il metodo dell'analisi termica, che permette di ottenere curve di raffreddamento delle leghe nelle coordinate "temperatura - tempo" - curve di raffreddamento(leghe).

Le leghe vengono raffreddate a una velocità molto bassa, cioè in condizioni prossime all'equilibrio.

La costruzione degli schemi di raffreddamento avviene nella seguente sequenza:

nelle coordinate "temperatura - concentrazione" tracciare delle linee verticali corrispondenti alle leghe delle composizioni studiate (than meno passo concentrazione, più accurato è il grafico);

le curve di raffreddamento sono costruite per queste leghe;

sulle linee verticali, i punti indicano la temperatura alla quale la temperatura cambia stato di aggregazione o struttura leghe;

punti di identiche trasformazioni di diverse leghe sono collegati da linee che limitano le aree di stati identici del sistema.

Abbiamo eseguito tali costruzioni nel lavoro di laboratorio n. 1 durante la costruzione del diagramma di stato "zinco-stagno" ("Zn – sn»).

L'aspetto del diagramma dipende da come i componenti nello stato solido e liquido interagiscono tra loro.

I diagrammi più semplici sono sistemi binari (doppi o bicomponenti) ( i sistemi multicomponenti possono essere ridotti a loro a valori fissi di componenti "ridondanti".), i cui tipi principali includono i diagrammi di stato per le leghe, che sono in stato solido(a temperatura normale):

a) miscele meccaniche di componenti puri (tipo I);

b) leghe a solubilità illimitata dei componenti (tipo II);

c) leghe a solubilità limitata dei componenti (III tipo);

d) leghe con formazione di un composto chimico (tipo IV).

Nella lezione considereremo la costruzione di diagrammi di equilibrio di fase utilizzando l'esempio di un diagramma di fase del terzo tipo: una lega con solubilità limitata dei componenti (altri tipi di diagrammi sono considerati nel lavoro di laboratorio).

Ma prima discuteremo cosa è importante per l'analisi di tali diagrammi regola del segmento(leva).

Analisi dei diagrammi di fase

Le linee bifase, di regola, collegano due punti tripli o un punto triplo con un punto sull'asse y corrispondente a pressione zero. Fa eccezione la linea liquido-gas, che termina nel punto critico. Al di sopra della temperatura critica, la differenza tra liquido e vapore scompare.

Sezioni e proiezioni di diagrammi di sistemi binari

diagrammi temperatura-composizione

Diagrammi di sistemi binari

Solubilità allo stato solido illimitata

Trasformazioni eutettiche ed eutettoidi

Leghe che formano composti chimici

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Guarda cos'è il "diagramma di fase" in altri dizionari:

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Libri

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DIAGRAMMA DI FASE, una rappresentazione grafica delle condizioni (temperatura, pressione, composizione chimica, ecc.) in cui in equilibrio sistema termodinamico, costituito da una o più determinate sostanze (componenti indipendenti del sistema), esistono stati omogenei della sostanza (fase) con differenti proprietà fisico-chimiche. Come equivalente al termine "diagramma di fase", viene utilizzato il termine "diagramma di stato" (principalmente in Russia e Germania). Tuttavia, un diagramma di stato è spesso, specialmente nella letteratura in lingua inglese, indicato anche come grafici che non riflettono direttamente gli equilibri di fase nel sistema.

Le fasi sono rappresentate sul diagramma di fase come regioni delimitate da curve o superfici situate nello spazio di variabili termodinamiche indipendenti. Di solito si tratta di temperatura T, pressione P, frazioni molari dei componenti del sistema x, funzioni di queste e altre variabili, come rapporti di quantità o concentrazioni di componenti, densità p o volumi molari V m, pressioni parziali o potenziali chimici delle sostanze μ. In assenza di campi di forza esterni, il numero di assi coordinati del diagramma di fase completo sistema aperto c con componenti è uguale a c+2. Per rappresentare diagrammi di fase multidimensionali su un piano, vengono utilizzate le loro sezioni e proiezioni, costruite sotto determinate restrizioni imposte ad alcune delle variabili indipendenti, spesso in combinazione con sistemi di coordinate appositamente selezionati (coordinate di Jenike, triangoli di Gibbs-Rosebaum, ecc.). Il diagramma di fase mostra: quali singole sostanze, soluzioni liquide, solide o gassose formano i componenti dati del sistema; in quali condizioni tali fasi e le loro miscele eterogenee sono termodinamicamente stabili; a quali valori delle variabili termodinamiche si verificano nel sistema le trasformazioni di fase delle sostanze. Diagrammi di fase contenenti dati su Composizione chimica fasi, consentono anche di determinare quantità relative fasi coesistenti. Tali informazioni sono necessarie per risolvere molti problemi scientifici e pratici e sono ampiamente utilizzate in chimica, metallurgia, scienza dei materiali, geochimica e altri campi della scienza e della tecnologia.

Le coordinate del diagramma di fase possono essere variabili termodinamiche di due tipi: i parametri dell'equilibrio termico, meccanico e chimico T, P, μ, che hanno gli stessi valori in tutte le parti del sistema di equilibrio, o (solitamente diversi in diversi fasi) densità generalizzate di proprietà estensive, come x, p , V m e altre proprietà uguali ai rapporti tra quantità estensive e quantità, massa o volume di materia nel sistema. A questo proposito, ci sono tre tipi di diagrammi di fase. I diagrammi dello stesso tipo sono isomorfi: hanno le stesse caratteristiche topologiche indipendentemente dal numero di componenti e dai valori di variabili specifiche sugli assi delle coordinate.

Sui diagrammi di fase del tipo (Т, Р), (Т, μ i), (μ i , μ j) e simili, con parametri di equilibrio intensivi, vengono presentate solo le regioni di fase e le linee (superfici) che le separano, che indicano i confini di stabilità delle singole fasi. I punti di intersezione delle rette corrispondono alle condizioni di equilibrio per più di due fasi. Pertanto, il punto triplo sul diagramma (T, P) di un sistema monocomponente indica le condizioni per la coesistenza stabile di tre fasi.

In presenza di un asse di concentrazioni, proprietà molari, densità, come ad esempio nel diagramma di fase (T, x), (P, x), (μ i , x), (T, p), la fase le regioni di stabilità sono separate da altre regioni, che riflettono l'esistenza di miscele eterogenee di fasi di equilibrio. In figura è mostrato un diagramma di fase di questo tipo per un sistema bicomponente cadmio-zinco. Il diagramma di questo sistema a due componenti ne ha due assi coordinati, e non quattro, come richiesto dalla precedente espressione c + 2, poiché nella sua costruzione è stata utilizzata la condizione di costanza P e due variabili indipendenti della quantità Cd e Zn sono state sostituite da una concentrazione x Zn (x Cd = 1 - x Zn). La parte superiore della figura è un diagramma di equilibrio liquido-vapore. La curva spezzata che collega i punti di fusione dei componenti puri è chiamata linea del liquidus e mostra il "punto di fusione" del sistema. Le linee rette (konodi) tracciate nella regione eterogenea di tale diagramma di fase tra i confini di due fasi coesistenti parallele all'asse di concentrazione (si veda il conodo eutettico in figura) consentono, per una data composizione componente del sistema, di determinare il numero di fasi coesistenti ("regola della leva").

Nel diagramma di fase del terzo tipo - (x i , x j), (xi , p), (entropia molare, x), (entalpia molare, x), ecc. - le coordinate sono solo densità generalizzate di proprietà termodinamiche estese. Questi diagrammi mostrano anche miscele eterogenee di fasi e conodi, ma, a differenza degli altri due tipi di diagrammi di fase, in questo caso lo stato delle miscele eterogenee viene visualizzato come una figura piana o tridimensionale (triangolo, tetraedro) ed è possibile determinare la composizione quantitativa delle fasi del sistema quando tre e più fasi (la "regola del centro di gravità" della figura).

I diagrammi di fase sono studiati sperimentalmente e calcolati con i metodi della termodinamica chimica in base ai dati sulle proprietà termodinamiche delle sostanze che compongono il sistema. Le basi teoriche per la costruzione di diagrammi di fase furono fornite da J. Gibbs negli anni ottanta dell'Ottocento. Ha anche formulato la "regola di fase" (vedi regola di fase di Gibbs), che è ampiamente utilizzata nello studio sperimentale degli equilibri di fase e dei diagrammi di fase: a T e P fissi, il numero di fasi f coesistenti all'equilibrio non può superare il numero di sistemi componenti di più di due, f ≤ c + 2.

Lett.: Palatnik L. S., Landau A. I. Equilibri di fase in sistemi multicomponenti. Har., 1961; Kaufman L., Bernstein H. Calcolo di diagrammi di stato [di sistemi metallici] utilizzando un computer. M., 1972; Metallurgia fisica / A cura di R. Kahn, P. Haazen. M., 1987. T. 2.