Основные электронные материалы: Часть 6 - Проводящие и изолирующие материалы

1 Введение

В области электронных материалов различие между проводящими и изолирующими материалами имеет решающее значение для функционирования различных электрических и электронных устройств. Проводящие материалы, включая металлы, сплавы, проводящую керамику и сверхпроводники, являются основой для эффективной передачи энергии, высокоскоростных вычислений и хранения энергии. Эти материалы обеспечивают контролируемое движение электронов, что делает их необходимыми для работы электрических цепей и устройств. С другой стороны, изоляционные материалы играют не менее важную роль в обеспечении безопасности и стабильности, предотвращая нежелательное протекание электрических токов и защищая электронные компоненты от внешних воздействий. В этом разделе мы рассмотрим основные характеристики, области применения и достижения в области проводящих и изолирующих материалов, проливая свет на их жизненно важную роль в современных технологиях.

2 Проводящие материалы

2.1 Металлы и сплавы

Высокая электропроводность металлов и сплавов обусловлена их уникальными структурными характеристиками. Благодаря низкой энергии ионизации атомов металлов их внешние электроны (валентные электроны) легко отрываются от ядра, образуя свободные электроны, которые могут беспрепятственно перемещаться в структуре кристаллической решетки металла и таким образом эффективно проводить электрический ток. Атомы металлов соединены металлическими связями и образуют плотные кристаллические структуры, такие как кубическая, гранецентрированная и гексагональная. Такое плотное расположение позволяет ядру образовывать непрерывное море электронов. Море сопровождается облаком свободных электронов, что повышает электро- и теплопроводность металла. Легирующие материалы, с другой стороны, дополнительно оптимизируют микроструктуру путем введения различных металлических или неметаллических элементов в основной металл с образованием гомогенных или негомогенных твердых растворов или соединений. Благодаря механизмам упрочнения твердых растворов и осадков можно регулировать электропроводность сплавов, одновременно значительно повышая их механическую прочность и коррозионную стойкость, что делает их пригодными для использования в более сложных условиях и для специализированных нужд.

Рис. 1 Свободные электроны могут беспрепятственно перемещаться по решетчатой структуре металла

Металлы и сплавы обладают целым рядом превосходных свойств как проводящие материалы. Металлические проводники, такие как медь и серебро, обладают чрезвычайно высокой проводимостью благодаря высокой электронной плотности и низкому удельному сопротивлению, в то время как сплавы обычно имеют несколько меньшую проводимость, чем чистые металлы, из-за рассеяния электронов, вызванного легированными атомами, но их характеристики могут быть улучшены путем оптимизации состава. Кроме того, теплопроводность металлов обусловлена эффективным переносом тепла свободными электронами, а материалы с высокой теплопроводностью (например, медь) широко используются в области теплоотдачи. Сплавы могут значительно повысить механическую прочность и твердость при сохранении определенного уровня электропроводности за счет изменения их состава и термической обработки. Например, алюминиевые сплавы обладают большей прочностью на разрыв и долговечностью по сравнению с чистым алюминием и широко используются в аэрокосмической промышленности и в системах передачи энергии. Некоторые сплавы (например, латунь и нержавеющая сталь) также обладают отличной коррозионной стойкостью благодаря образованию поверхностных оксидных пленок, а металлы с высокой температурой плавления, такие как вольфрам и молибден, и их сплавы могут сохранять хорошую электропроводность и структурную стабильность при высоких температурах, что делает их пригодными для использования в экстремальных условиях для электронного и электрического оборудования.

Металлы и сплавы имеют широкий спектр типичных применений в области электропроводности. Медь широко используется в проводах, кабелях, проводниках печатных плат и радиаторах благодаря своей чрезвычайно высокой электро- и теплопроводности; серебро обладает самой высокой электропроводностью, но стоит дороже и обычно используется в высокотехнологичной электронике, солнечных батареях и материалах контактных площадок; алюминий в основном используется в высоковольтных линиях передач и авиационных кабелях благодаря своему легкому весу, высокой электропроводности и низкой стоимости. В сплавах материалов, медные сплавы (такие как латунь и бронза) с высокой электропроводностью и отличными механическими свойствами, подходят для электрических контактных материалов, силовых переключателей и электромагнитных экранирующих устройств; алюминиевые сплавы с легким весом и высокой прочностью, широко используются в линиях электропередач, кабельных проводниках и автомобильной электронике. Никель-хромовый сплав (нихром) широко используется в нагревательных элементах и резистивных материалах благодаря своей высокотемпературной стабильности; сплав вольфрам-медь сочетает высокую температуру плавления вольфрама и высокую проводимость меди, что подходит для высокотемпературных электрических контактов и сопел ракетных двигателей; сплавы золота широко используются в полупроводниковых соединительных проводах, высоконадежных контакторах и других высокотехнологичных областях благодаря своим превосходным антиоксидантным свойствам и высокой проводимости.

Рис. 2 Различные металлические провода

2.2 Проводящая керамика

Электропроводность проводящей керамики обусловлена ее особой кристаллической структурой и механизмом переноса электронов. Некоторые проводящие керамики достигают электропроводности за счет миграции ионов (например, оксид циркония), другие - за счет переноса электронов (например, оксид титана). Легирование определенными металлами или оксидами (например, оксидом циркония, легированным кальцием, или оксидом индия, легированным оловом) позволяет значительно изменить их проводимость, увеличив концентрацию свободных носителей. Кроме того, поликристаллическая проводящая керамика может иметь дефекты на границах зерен, которые влияют на проводящие пути, но их проводимость и механические свойства могут быть эффективно оптимизированы с помощью высокотемпературных процессов спекания.

Проводящая керамика сочетает в себе высокотемпературную стойкость традиционных керамических материалов с электропроводящими свойствами электропроводящих материалов, и ее характеристики характеризуются различными преимуществами. Проводящая керамика имеет широкий диапазон проводимости, от полупроводников до хороших проводников, а конкретные характеристики определяются составом материала и степенью легирования. Токопроводящая керамика сохраняет стабильную проводимость при высоких температурах и подходит для экстремальных условий. Кроме того, проводящая керамика обладает большей коррозионной стойкостью в кислой и щелочной среде по сравнению с металлами. Несмотря на хрупкость, высокая твердость и прочность на сжатие делают их пригодными для применения в тех областях, где требуется выдерживать механические нагрузки. Некоторые проводящие керамики (например, оксид индия-олова, ITO) также сочетают в себе прозрачность и проводимость, что делает их идеальными для оптоэлектронных устройств.

Проводящая керамика находит широкое применение в электронике, энергетике и сенсорике. В электронике и оптоэлектронике оксид индия-олова (ITO) широко используется в качестве прозрачного электрода для сенсорных экранов, ЖК-дисплеев и OLED-экранов благодаря своей прозрачной проводимости, а оксид титана (TiO2) применяется в солнечных батареях, фотокаталитических устройствах и сенсорах. В энергетике цирконий, легированный кальцием (CaZrO3), используется в качестве материала электролита в твердооксидных топливных элементах (SOFC), а оксид цинка (ZnO ) - в варисторах и прозрачных проводящих пленках. Для высоких температур и экстремальных условий карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (Si3N4) подходят для производства высокотемпературной электроники, высокочастотных устройств и аэрокосмических компонентов. Кроме того, проводящая керамика широко используется в газовых датчиках (например, датчиках кислорода) и термисторах, а антистатическая защита электронных устройств обеспечивается покрытиями из проводящих керамических порошков. Эти разнообразные применения демонстрируют важность проводящей керамики в современных технологиях.

Рис. 3 Пленка ITO для сенсорных панелей

2.3 Токопроводящее стекло

Структура проводящего стекла обычно состоит из высокопрозрачной стеклянной подложки с нанесенной на ее поверхность проводящей пленкой, проводимость которой в основном обусловлена прозрачной проводящей оксидной (TCO) пленкой, покрывающей поверхность. Стеклянная подложка обычно изготавливается из содового или кварцевого стекла, которое обеспечивает отличную механическую прочность и оптические свойства; проводящая пленка изготавливается из распространенных материалов, включая оксид индия-олова (ITO), оксид олова, легированный фтором (FTO), и оксид цинка, легированный алюминием (AZO), которые осаждаются с помощью таких процессов, как вакуумное напыление или химическое осаждение из паровой фазы (CVD), а толщина пленки обычно составляет от десятков нанометров до сотен нанометров. Кроме того, легируя оксиды определенными элементами (например, оловом, алюминием или фтором), можно значительно увеличить концентрацию носителей, что повышает проводимость пленок.

Проводящее стекло сочетает в себе оптическую прозрачность и электропроводность и обладает целым рядом превосходных свойств. Его проводящая пленка пропускает видимый свет до 80% и более, сохраняя при этом низкую отражательную способность, что позволяет достичь высокого светопропускания; проводимость пленки хорошая, удельное сопротивление обычно составляет от 10^-3 до 10^-4 Ω-см, что может удовлетворить потребности большинства электронных устройств. Стеклянная подложка обладает высокой механической прочностью и термостойкостью, пленка прочно приклеивается к подложке и может использоваться при определенных высоких температурах. Проводящие пленки также устойчивы к окислению и коррозии, что делает их пригодными для длительного воздействия окружающей среды. В последние годы гибкое проводящее стекло стало горячей точкой исследований, что еще больше расширило возможности его применения за счет конструкций на основе пластика или ультратонкого стекла.

Рис. 4 Проводящее стекло ITO

Благодаря своим уникальным свойствам проводящее стекло широко используется в различных областях. В фотоэлектрической энергетике оно используется в качестве прозрачного электрода в солнечных элементах (например, кремниевых и халькогенидных) для обеспечения эффективного поглощения света и сбора заряда; в дисплейных технологиях оно используется в качестве прозрачного проводящего слоя в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях), экранах на органических светодиодах (OLED) и сенсорных экранах. В "умных" окнах и устройствах контроля света проводящее стекло используется в электрохромных окнах, зеркалах с контролем света и "умных" затеняющих устройствах для управления энергопотреблением и защиты конфиденциальности. Оно также широко используется в производстве электронных устройств, таких как газовые датчики, гибкая электроника, нагревательные стекла и антиконденсатные стекла. В области оптических и коммуникационных устройств проводящее стекло используется в качестве прозрачного проводящего диэлектрического слоя в оптических тонкопленочных устройствах и лазерных системах связи.

2.4 Сверхпроводящие материалы

Сверхпроводящие материалы - это класс материалов, сопротивление которых при определенной температуре падает до нуля и проявляется полный антимагнетизм. В зависимости от критической температуры и структурных свойств их можно разделить на следующие категории: низкотемпературные сверхпроводящие материалы (НТС), такие как ниобий (Nb), ниобий-титановые сплавы (Nb-Ti) и ниобий-трис-тин (Nb3Sn), которые имеют низкую критическую температуру (обычно ниже 30 К) и требуют жидкого гелия или жидкого азота для охлаждения и широко используются в устройствах сильного поля, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и ускорители частиц. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и педали газа частиц и другое оборудование с сильным магнитным полем; высокотемпературные сверхпроводящие материалы (ВТСП), такие как иттрий-барий-медь-оксиген (YBCO) и висмут-стронций-кальций-медь-оксиген (BSCCO), с критической температурой более 77 К, которые могут охлаждаться жидким азотом, значительно снижая эксплуатационные расходы, и подходят для передачи электроэнергии и высокотемпературной магнитной левитации; сверхпроводящие материалы на основе железа, включая селен железа (FeSe) и арсенид железа (LaFeAsOx) ₋xFx), обладающие структурной стабильностью и сильным антимагнетизмом, перспективны для устройств с высоким магнитным полем и будущих электронных компонентов; органические сверхпроводящие материалы, например, на основе фуллеренов (C60) или ароматических соединений, несмотря на более низкую критическую температуру, являются гибкими и легкими, подходят для гибких электронных устройств; топологические сверхпроводящие материалы, сочетающие сверхпроводимость с топологическими свойствами, например, некоторые топологические изоляторы и эпитаксиальные тонкопленочные материалы, с возможным применением в квантовых вычислениях и топологической электронике.

Рис. 5 Сверхпроводящий материал

Сверхпроводящие материалы обладают следующими уникальными свойствами в электрических приложениях: во-первых, нулевое сопротивление является их основным свойством. В сверхпроводящем состоянии сопротивление полностью равно нулю, и ток может протекать через сверхпроводник без потерь, что значительно снижает потребление энергии, что особенно подходит для передачи энергии на большие расстояния и высокоэффективного хранения энергии. Во-вторых, сверхпроводящие материалы обладают полным антимагнетизмом (эффект Мейсснера), то есть в сверхпроводящем состоянии внутреннее магнитное поле полностью отталкивается, позволяя магнитным силовым линиям обходить поверхность сверхпроводника. Это свойство позволяет сверхпроводникам достигать стабильной левитации и поэтому широко используется в области магнитных левитирующих поездов и подшипников без трения. Критическая температура (Tc) сверхпроводящего материала определяет температуру, при которой его необходимо охладить для перехода в сверхпроводящее состояние, которая существенно различается в зависимости от материала, например, низкотемпературные сверхпроводящие материалы необходимо охлаждать жидким гелием, а высокотемпературные сверхпроводящие материалы можно охлаждать жидким азотом, что значительно снижает эксплуатационные расходы. Критическое магнитное поле (Hc) и критическая плотность тока (Jc) являются важными параметрами, ограничивающими характеристики сверхпроводимости. Когда напряженность внешнего магнитного поля или плотность тока через сверхпроводник превышают критическое значение, сверхпроводящее состояние разрушается. Материалы с высокими критическими параметрами больше подходят для использования в сильных магнитных полях и сильноточных устройствах, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и педали газа для частиц. Кроме того, в сверхпроводниках проявляется эффект Джозефсона - туннельный ток, образующийся между сверхпроводниками через изоляторы. Этот эффект находит применение в сверхвысокочувствительных магнитных датчиках, сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах (SQUIDs) и квантовых вычислениях. Эти свойства дают сверхпроводящим материалам огромный потенциал для эффективной передачи энергии, применения в сильных магнитных полях и передовых технологиях.

Сверхпроводящие материалы используются в широком спектре приложений благодаря своим уникальным электрическим свойствам. В области энергетики сверхпроводящие кабели используют нулевое сопротивление для передачи энергии на большие расстояния и значительно снижают потери энергии; сверхпроводящие генераторы повышают энергоэффективность и уменьшают размеры и вес; сверхпроводящие системы хранения энергии (SMES) могут накапливать и высвобождать большое количество энергии за короткий период времени для регулирования и стабилизации энергосистемы. В медицине и научных исследованиях в магнитно-резонансной томографии (МРТ) используются низкотемпературные сверхпроводники для создания сильных магнитных полей, сверхпроводящие магниты применяются в газовых педалях частиц (например, в БАК) для создания сильных магнитных полей, а сверхпроводящие квантовые интерферометры (SQUIDs) используются в магнитоэнцефалографии и геомагнитном зондировании в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля. В транспорте и машиностроении сверхпроводящие маглев-поезда используют антимагнетизм для бесфрикционного высокоскоростного транспорта, а высокотемпературные маглев-подшипники применяются для бесконтактного вращения деталей в аэрокосмическом и промышленном оборудовании. В области информационных технологий сверхпроводящие материалы лежат в основе квантовых вычислений, а сверхпроводящие квантовые биты, основанные на эффекте Джозефсона, способствовали развитию исследований в области квантовых вычислений; кроме того, сверхпроводящие электронные устройства, такие как сверхпроводящие фильтры и высокочастотные усилители, широко используются в области связи и обработки сигналов. В военной и аэрокосмической областях сверхпроводящие электромагнитные пушки используют сильные сверхпроводящие магниты для достижения эффективного ускорения, а сверхпроводящие радары повышают чувствительность сигнала и точность обнаружения. Эти приложения демонстрируют огромный потенциал сверхпроводящих материалов в области энергетики, медицины, транспорта, информационных технологий и обороны.

Рис.6 Применение сверхпроводящих материалов

3 Изоляционные материалы

3.1 Неорганические изоляционные материалы

Неорганические изоляторы - это класс материалов с высоким удельным электрическим сопротивлением и хорошей теплостойкостью, которые широко используются в области электроизоляции. К типичным неорганическим изоляторам относятся стекло, керамика и слюда. Стекла в основном состоят из силикатов (SiO2), внутренняя поверхность которых образует стабильную аморфную структуру за счет ковалентно связанных кремнекислородных тетраэдров, препятствующих движению свободных электронов. Керамика обычно состоит из таких материалов, как глинозем (Al2O3) и диоксид циркония (ZrO2), которые образуют плотную кристаллическую структуру с очень низкой подвижностью электронов и ионной проводимостью. Слюда, с другой стороны, состоит из силикатной слоистой структуры со слабыми связями между слоями, что позволяет легко обрабатывать ее в тонкие листы и демонстрировать отличную электроизоляцию и термостабильность.

Неорганические изоляционные материалы обладают рядом превосходных свойств, благодаря которым они широко используются в области электроизоляции. Во-первых, они обладают высоким удельным сопротивлением, обычно превышающим 10^12 Ω-см, что позволяет эффективно останавливать утечку тока и обеспечивать безопасную и стабильную работу электрооборудования. Во-вторых, важной особенностью неорганических изоляторов является хорошая термостойкость. Стекло и керамика способны выдерживать высокие температуры от сотен до тысяч градусов Цельсия, а слюда сохраняет стабильные электрические свойства при высоких температурах. Высокая механическая прочность также является значительным преимуществом неорганических материалов, керамика и стекло обладают высокой твердостью и износостойкостью, подходят для применения в условиях больших механических нагрузок; в то время как хлопья слюды обладают определенной степенью гибкости, легко поддаются обработке в различные формы. Неорганические изоляционные материалы также химически стойки, способны противостоять эрозии под воздействием кислот, щелочей и влаги, демонстрируя хорошую долговечность в жестких условиях эксплуатации. Наконец, отличные диэлектрические свойства и высокая диэлектрическая прочность неорганических изоляторов позволяют выдерживать высокое напряжение без пробоя, обеспечивая безопасность в высоковольтных средах.

Неорганические изоляционные материалы имеют широкий спектр применения в различных областях. Стекло в основном используется для высоковольтных изоляторов в электрооборудовании и корпусах вакуумных выключателей, а также в качестве изолирующего материала для электронного оборудования для защиты компонентов. Керамика широко используется в качестве изоляторов в трансформаторах и распределительных устройствах, обеспечивая хорошие диэлектрические свойства и теплоотдачу. Они также используются в качестве подложек для высокочастотного оборудования и для изготовления изоляторов свечей зажигания и изоляционных компонентов для высоковольтных линий. Слюда, с другой стороны, широко используется в качестве изоляционного листа для электродвигателей и генераторов, способного выдерживать высокие температуры и давление. Кроме того, она используется для изоляции электронагревательных элементов в отопительном оборудовании и в качестве изоляционного материала для конденсаторов в высокочастотных цепях, обеспечивая диэлектрик с низкими потерями.

Рис. 7 Неорганическая минеральная изоляция

3.2 Полимерная изоляция

Поливинилхлорид (ПВХ) - это полимерное соединение, образующееся в результате полимеризации мономера винилхлорида, с линейной или разветвленной структурой углеродно-хлорной цепи и сильной химической стабильностью. Он обладает хорошей электроизоляцией и высоким удельным электрическим сопротивлением, что предотвращает утечку электрического тока. ПВХ также обладает высокой устойчивостью к химическим веществам, таким как кислоты, щелочи и соли, а также к истиранию и обработке, что делает его пригодным для массового производства. Однако его термостойкость средняя, и обычно он подходит для температур от -10°C до 60°C. ПВХ широко используется для внешней оболочки кабелей и проводов, изоляции и защиты электрооборудования и особенно подходит для низковольтных применений.

Полиимид (PI) - это полимерный материал с жесткой кольцевой структурой, основная цепь которого состоит из имидных групп (-C=O-N-), обладающий высокой механической прочностью и термостойкостью. Полиимиды чрезвычайно термостойки и могут использоваться в течение длительного времени при высоких температурах, вплоть до 250°C и даже выше. Его превосходная электроизоляция делает его особенно подходящим для высоковольтного и высокочастотного электрооборудования. Полиимид также обладает хорошей механической прочностью, устойчивостью к истиранию, отличной химической стабильностью и выдерживает воздействие большинства химических растворителей. Распространенные области применения включают высокотемпературные кабели, электрооборудование в аэрокосмической промышленности, печатные платы (PCB) и изоляцию для электронных компонентов.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ ) - линейный полимерный материал, образующийся в результате полимеризации мономеров тетрафторэтилена. Сильная электроотрицательность атома фтора позволяет ему демонстрировать чрезвычайно низкие коэффициенты трения и отличную химическую стабильность. ПТФЭ обладает чрезвычайно низкой диэлектрической проницаемостью и превосходной электроизоляцией, что позволяет использовать его в высокочастотных и высоковольтных средах. Он обладает очень высокой химической стойкостью практически ко всем химическим веществам, включая сильные кислоты, щелочи и растворители. PTFE также обладает хорошей термостойкостью и может использоваться при температурах от -200°C до 260°C, демонстрируя при этом отличную стойкость к истиранию и низкий уровень трения. Распространенные области применения включают высоковольтные кабели, изоляционную защиту электронных компонентов, материалы для футеровки химических трубопроводов, а также изоляцию, необходимую для работы в экстремальных условиях (например, при высоких температурах, в среде сильных кислот или щелочей).

Рис. 8 Пластмассы, используемые для упаковки проводов

4 Заключение

Рассмотренные материалы - проводящие и изолирующие - выполняют взаимодополняющие, но в то же время различные роли в конструкции и функциональности электронных устройств. Проводящие материалы, от металлов, таких как медь и серебро, до инновационных сверхпроводников, обладают замечательной электропроводностью, механической прочностью и терморегулирующими свойствами, что делает их незаменимыми в передаче энергии, коммуникационных технологиях и высокопроизводительных устройствах. И наоборот, изоляционные материалы, такие как неорганические материалы, например керамика, и полимеры, например PTFE, обеспечивают необходимую электрическую изоляцию, термостойкость и механическую прочность. Эти материалы обеспечивают защиту, эффективность и долговечность электронных систем. По мере развития материаловедения эволюция проводящих и изолирующих материалов будет способствовать дальнейшей оптимизации работы электронных систем нового поколения, что будет стимулировать инновации в таких отраслях, как энергетика, связь, здравоохранение и аэрокосмическая промышленность.

КомпанияStanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных проводящих и изоляционных материалов, обеспечивая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.

Читать далее:

Основные электронные материалы: Часть 1 - Кремний

Основные электронные материалы: Часть 2 - Карбид кремния

Основные электронные материалы: Часть 3 - Германий

Основные электронные материалы: Часть 4 - Соединения галлия

Основные электронные материалы: Часть 5 - Материалы на основе углерода