วิธีอ่านเฟสไดอะแกรม แผนภาพเฟส p–V และ t–s
ระบบองค์ประกอบเดียว ระบบองค์ประกอบเดียวคือสารหรือสารเคมีอย่างง่ายใดๆ สารประกอบที่มีองค์ประกอบที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็ง แผนภาพเฟสมักจะสร้างบนระนาบในพิกัด T-p (รูปที่ 1) ฟิลด์เฟส (บริเวณที่มีอยู่) ของไอ V, ของเหลว L และเฟสของแข็ง S มีความแตกต่างกัน เช่น อนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงพร้อมกันในพารามิเตอร์สองสถานะ - T และ p
ข้าว. 1 แผนภาพสถานะของระบบองค์ประกอบเดียว S, L และ V - ตามลำดับ พื้นที่การดำรงอยู่ของเฟสของแข็ง ของเหลว และไอ เส้นโค้ง 1, 2 และ 3 ของการเดือด (การระเหย) การหลอมและการระเหิด (การระเหิด) ตามลำดับ K วิกฤต จุด; และจุดสามจุด
โดยปกติเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความสามารถในการละลายร่วมกันของของเหลวจะเพิ่มขึ้นดังนั้นตามคุณสมบัติของสารละลายทั้งสองที่อิ่มตัวซึ่งมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันไปตามส่วนของ binodal EK และ KF จึงเข้ามาใกล้มากขึ้น ในที่สุดที่ T k ความแตกต่างระหว่างพวกเขาก็หายไป t-ra นี้เรียกว่า ความสามารถในการละลายที่สำคัญ (การผสม) เหนือมันจะมีเฟสของเหลวเพียงเฟสเดียวเท่านั้น ระบบส่วนใหญ่ที่มีโซลูชันแบบแบ่งชั้นมีลักษณะเฉพาะโดยจุดวิกฤติเพียงจุดเดียว t-roy r-value ส่วนใหญ่มักจะอยู่ด้านบน เช่น ในแผนภาพสถานะ พวกเขามี binodal ที่ไม่ได้ปิดจากด้านล่าง หากไม่เกิดสารเคมีในระบบดังกล่าว conn. บริเวณของการอยู่ร่วมกันของเฟสของเหลวสองเฟสถูกจำกัดไว้ด้านล่างด้วยเส้นโค้งการตกผลึกของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งที่อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของของเหลว เฟส 1ดี ของเหลวเฟส 2 + เฟสของแข็ง สมดุลสามเฟสนี้เรียกว่า โมโนเทคติก; มันเป็นอุณหพลศาสตร์ในแบบของตัวเอง ธรรมชาติมีความคล้ายคลึงกับยูเทคติกหรือยูเทคตอยด์ ในสมดุลสามเฟสแบบสังเคราะห์ เฟสของเหลวสองเฟสจะทำปฏิกิริยากันเพื่อสร้างสารประกอบที่เป็นของแข็ง ความสมดุลนี้คล้ายกับสมดุลของเยื่อหุ้มสมอง
ในบางระบบ ไบโนดัลจะมีรูปทรงโค้งปิด (วงรี) กล่าวคือ ระบบมีอุณหภูมิผสม 2 อุณหภูมิ คือบนและล่าง
แผนภาพสมดุลไอของเหลว เมื่อ p = const องค์ประกอบของส่วนผสมของเหลวแต่ละรายการจะสอดคล้องกับจุดสมดุลที่แน่นอนกับไอน้ำและองค์ประกอบบางอย่างของไอน้ำ ซึ่งตามกฎแล้วจะแตกต่างจากองค์ประกอบของส่วนผสมของเหลว ในแผนภาพเฟส (รูปที่ 8, a) เส้นโค้งการเดือดและการควบแน่นแสดงถึงการขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของการเดือดและการควบแน่นในองค์ประกอบและแยกสนามของของเหลว L และไอ V ออกจากสนาม (L + V ) ความแตกต่าง สถานะของเหลวและไอ บนเส้นโค้งเดือด m.b. สุดขีด: สูงสุด (รูปที่ 8, b) หรือต่ำสุด (รูปที่ 8, c); ที่จุดเหล่านี้ กราฟจุดเดือดแตะกราฟการควบแน่น กล่าวคือ องค์ประกอบของของเหลวและไอสมดุลตรงกัน ส่วนผสมของเหลวขององค์ประกอบดังกล่าวจะเดือดจนหมดเหมือนของเหลวบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิคงที่โดยไม่เปลี่ยนองค์ประกอบ (ดูสารผสมอะซีโอโทรปิก) แผนภาพสถานะที่อธิบายสมดุลของสารละลายของแข็งสององค์ประกอบที่มีสารละลายของเหลวและสารละลายของเหลวที่มีไอน้ำมีความคล้ายคลึงกัน
ข้าว. 8. แผนภาพสถานะของระบบไบนารี่ที่อธิบายสมดุลของของเหลวและไอ บริเวณ L และ V ของการดำรงอยู่ของของเหลวและไอตามลำดับ (L + V) บริเวณของการอยู่ร่วมกันของเฟสของเหลวและไอ ระบบที่ไม่มีจุดอะซีโอโทรปิก b และ c ของผสมอะซีโอโทรปิกสองประเภท
ระบบสามเท่า สถานะของระบบไตรภาคถูกกำหนดโดยเฉพาะโดยพารามิเตอร์อิสระสี่ตัว: เศษส่วนของ T, p และโมลาร์ (มวล) ขององค์ประกอบทั้งสอง (เศษส่วนขององค์ประกอบที่สามถูกกำหนดจากเงื่อนไขที่ผลรวมของเศษส่วนของส่วนประกอบทั้งหมดเท่ากับความสามัคคี ). ดังนั้น เมื่อสร้างไดอะแกรมสถานะของระบบไตรภาค พารามิเตอร์อิสระตัวใดตัวหนึ่ง (p หรือ T) หรือสองตัว (p และ T) ได้รับการแก้ไข และพิจารณาพารามิเตอร์ไอโซบาริกเชิงพื้นที่หรือพารามิเตอร์ไอโซเทอร์มอล ไดอะแกรมหรือไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอลแบบแบน ไดอะแกรมที่สอดคล้องกับส่วนใดส่วนหนึ่งของไดอะแกรมสถานะเชิงพื้นที่ องค์ประกอบของส่วนผสมแบบไตรภาคแต่ละรายการจะสอดคล้องกับจุดเฉพาะบนระนาบองค์ประกอบ เรียกว่าขอบเขตขององค์ประกอบที่เป็นไปได้ของระบบไตรภาค สามเหลี่ยมองค์ประกอบหรือสามเหลี่ยมองค์ประกอบ ในระบบพิกัดสี่เหลี่ยม มันคือสามเหลี่ยมหน้าจั่วมุมฉาก ซึ่งจุดยอดตรงกับส่วนประกอบ A, B และ C และด้านข้างตรงกับของผสมคู่ AB, BC และ CA การใช้องค์ประกอบด้านเท่ากันหมดเป็นเรื่องปกติมากขึ้น สามเหลี่ยม. ในกรณีนี้ ส่วนประกอบทั้งหมดจะเท่ากัน และจุดยอดใดๆ ของส่วนประกอบนั้นสามารถได้รับการยอมรับอย่างเท่าเทียมกันว่าเป็นที่มาของพิกัด (ดูระบบหลายองค์ประกอบ) เพื่อสร้างพื้นที่ ไอโซบาริกหรือไอโซเทอร์มอล แผนภาพเฟสตามแกนพิกัดที่ตั้งฉากกับองค์ประกอบ สามเหลี่ยม พักไว้ตามนั้น ทีหรืออาร์ ในกรณีนี้ จุดที่เป็นรูปเป็นร่างของระบบโดยรวมและเฟสสามองค์ประกอบนั้นอยู่ภายในปริซึมสามเหลี่ยม ขอบซึ่งเป็นตัวแทนของระบบคู่ และขอบเป็นตัวแทนของระบบองค์ประกอบเดียว ในรูป 9 และแสดงวิธีที่ง่ายที่สุด
สารเคมีจริงที่เราต้องจัดการในทางปฏิบัติและแม้แต่ผลึกบริสุทธิ์พิเศษของเซมิคอนดักเตอร์เบื้องต้น Ge และ Si มักมีสิ่งเจือปนตกค้างอยู่นั่นคือพวกมันมักจะเป็นสารที่ประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีหลายอย่าง ปฏิกิริยาระหว่างองค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบเป็นวัสดุที่กำหนดอาจค่อนข้างซับซ้อน ผลลัพธ์เฉพาะของอันตรกิริยานี้ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของผลึกขององค์ประกอบที่ทำปฏิกิริยากัน ความเข้มข้นขององค์ประกอบเหล่านั้น รวมถึงปัจจัยภายนอก เช่น อุณหภูมิและความดัน
วิธีการหลักในการพรรณนาผลลัพธ์ของอันตรกิริยาขององค์ประกอบทางเคมีหรือสารประกอบที่ก่อตัวเป็นสารที่กำหนดคือแผนภาพสถานะของระบบ แผนภาพเฟสแสดงสถานะคงที่ กล่าวคือ ระบุว่าภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด จะมีพลังงานอิสระขั้นต่ำ ดังนั้นเฟสไดอะแกรมจึงสามารถเรียกว่าไดอะแกรมเฟสสมดุลได้เนื่องจากมันแสดงให้เห็นว่าเฟสสมดุลใดที่มีอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ตามนี้ การเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบซึ่งสะท้อนให้เห็นในแผนภาพหมายถึงสภาวะสมดุล กล่าวคือ ในกรณีที่ไม่มีระบบระบายความร้อนยิ่งยวดหรือความอิ่มตัวยิ่งยวดในระบบ อย่างไรก็ตาม การแปลงเฟสไม่สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะสมดุล (ดูด้านล่าง) ดังนั้น แผนภาพเฟสจึงแสดงถึงกรณีทางทฤษฎี อย่างไรก็ตาม บทบาทของแผนภาพเฟสในการทำความเข้าใจธรรมชาติและผลลัพธ์ของปฏิกิริยาระหว่างสารเคมีต่างๆ และการทำนายผลลัพธ์เหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากธรรมชาติของปฏิกิริยาจะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติของวัสดุที่เกิดขึ้น ในทางปฏิบัติ เฟสไดอะแกรมใช้เพื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงที่อัตราการทำความเย็นหรือความร้อนต่ำ
แผนภาพสถานะระบบเป็นภาพเรขาคณิตของสถานะเฟสสมดุลของระบบเทอร์โมไดนามิกส์องค์ประกอบเดียวหรือหลายองค์ประกอบ โดยเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์ที่กำหนดสถานะเหล่านี้ (ความเข้มข้น อุณหภูมิ ความดัน)
มากำหนดแนวคิดบางอย่างที่ใช้ในการอธิบายไดอะแกรมสถานะ
ระบบอุณหพลศาสตร์เป็นเนื้อความที่มีขนาดมหภาค (ชุดของร่างกาย) ระหว่างแต่ละส่วน (ระหว่าง
ซึ่งการแลกเปลี่ยนความร้อนและการแพร่กระจายของส่วนประกอบของระบบอย่างน้อยหนึ่งรายการสามารถทำได้ และหลักการของอุณหพลศาสตร์นั้นถูกต้อง
ระบบเทอร์โมไดนามิกส์แบ่งออกเป็น เป็นเนื้อเดียวกันและ ต่างกัน. เป็นเนื้อเดียวกันเรียกว่าระบบเทอร์โมไดนามิกส์ ซึ่งภายในไม่มีส่วนต่อประสานเฟสแยกจากส่วนอื่นๆ ของระบบ ซึ่งจะแตกต่างกันทั้งในด้านโครงสร้างผลึกหรือคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี ต่างกันระบบประกอบด้วยส่วนต่างๆ ที่มีโครงสร้างต่างกันหรือมีคุณสมบัติทางเคมีกายภาพต่างกัน และถูกแยกออกจากกันด้วยเฟสอินเตอร์เฟส ตัวอย่างของระบบที่ต่างกันคือน้ำ
ในสภาวะสมดุลกับไอน้ำ
เฟส- นี่คือระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือระบบที่รวบรวมระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์เหมือนกัน โดยแยกออกจากกันด้วยส่วนต่อประสาน ในตัวอย่างข้างต้น เฟสต่างๆ ได้แก่ น้ำและไอน้ำ ซึ่งมีความหนาแน่นต่างกัน เป็นต้น
ส่วนต่อประสานเฟสคือชั้นที่มีความหนาจำกัด ซึ่งพารามิเตอร์ของระบบอย่างน้อยหนึ่งตัวจะเปลี่ยนในทิศทางจากเฟสหนึ่งไปอีกเฟสหนึ่ง ส่วนต่อประสานเฟสที่สัมพันธ์กับเฟสที่อยู่ติดกันมีพลังงานส่วนเกิน (พลังงานแรงตึงผิว)
สำหรับของแข็ง คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของเฟสก็คือโครงตาข่ายคริสตัล1 เฟสของแข็งแต่ละเฟสจะมีโครงตาข่ายคริสตัลเฉพาะของตัวเอง ซึ่งแตกต่างจากโครงตาข่ายของเฟสอื่นๆ ทั้งในรูปแบบหรือพารามิเตอร์ เฟสผลึกแข็งสามารถหาได้ในรูปของผลึกเดี่ยวหรือโพลีคริสตัล ซึ่งเป็นกลุ่มของเมล็ดพืชหรือผลึก ผลึกของโพลีคริสตัลซึ่งมีการวางตำแหน่งต่างกันในอวกาศ จะถูกแยกออกจากกันโดยส่วนต่อประสานในชั้นอะตอมหลายชั้น (ดูบทที่ 3) เห็นได้ชัดว่าขอบเขตของเกรนไม่ใช่ขอบเขตระหว่างเฟส
ระบบเทอร์โมไดนามิกส์อาจเป็นองค์ประกอบเดียวหรือหลายองค์ประกอบก็ได้
ส่วนประกอบของระบบเป็นส่วนหนึ่งของระบบที่ปริมาณสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยอิสระจากจำนวนส่วนอื่นๆ ในกรณีของเรา ส่วนประกอบของระบบอาจเป็นองค์ประกอบทางเคมีหรือสารประกอบก็ได้ โดยทั่วไปแล้วจำนวนส่วนประกอบของระบบอาจไม่มี
1ตามหลักการแล้ว เฟสของแข็งอาจเป็นสัณฐานหรือคล้ายแก้วก็ได้ ทั้งสองระยะมีลักษณะเฉพาะคือไม่มีลำดับระยะยาวในการจัดเรียงอะตอม ค่อนข้างจะมีลักษณะคล้ายของเหลว ที่นี่เราจะพิจารณาเฉพาะวัสดุที่เป็นผลึกเท่านั้น
ข้าว. 4.1. แผนภาพสถานะของระบบ Ge–Si
เท่ากับจำนวนองค์ประกอบทางเคมีต่าง ๆ ในระบบ ตัวอย่างเช่น น้ำ (H2O) ประกอบด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจน แต่เป็นระบบที่มีองค์ประกอบเดียว ในรูป 4.1 และรูป รูปที่ 4.2 แสดงแผนภาพสมดุลเฟสของระบบเซมิคอนดักเตอร์สององค์ประกอบ (ไบนารี) โดยทั่วไปสองระบบ - Ge–Si และ InSb–AlSb ส่วนประกอบของระบบในกรณีแรกคือ Ge และ Si และในส่วนที่สอง - InSb และ AlSb ไม่ใช่ Sb, Al, In เนื่องจากปริมาณของ In และ Al ในระบบขึ้นอยู่กับปริมาณของ Sb และ ปริมาณ InSb ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณ AlSb นั่นเป็นเหตุผล จำนวนส่วนประกอบของระบบ- นี่คือจำนวนสารเคมีขั้นต่ำที่จำเป็นในการสร้างเฟสใดๆ ของระบบที่กำหนด
สถานะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบคือสถานะที่พารามิเตอร์ของสถานะนี้ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป และไม่มีการไหลประเภทใดๆ ในระบบ
สถานะสมดุลของระบบอาจเป็นแบบเฟสเดียว สองเฟส และหลายเฟส เมื่อเฟสของแข็งตั้งแต่ 2 เฟสขึ้นไปผสมกัน สารละลายของแข็ง สารประกอบ และ ส่วนผสมทางกล. อย่างหลังจะเกิดขึ้นหากขั้นตอนเหล่านี้ไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน เฟสที่สร้างส่วนผสมอาจเป็นองค์ประกอบ สารประกอบ หรือสารละลายของแข็ง ขึ้นอยู่กับสิ่งเหล่านี้ รวมถึงการดัดแปลง allotropic ขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน (α และ β-tin เป็นต้น) จำนวนเฟสสูงสุดที่เป็นไปได้ในสภาวะสมดุลถูกกำหนดโดยกฎเฟสของกิ๊บส์ กฎเฟสสร้างความสัมพันธ์ระหว่าง
ข้าว. 4.2. แผนภาพสถานะของระบบ InSb–AlSb
ตามจำนวนเฟส องค์ประกอบ และระดับความเป็นอิสระของระบบ:
ค= เค− ฉ+ 2, (4.1)
ที่ไหน ค- จำนวนองศาอิสระของระบบ เค- จำนวนส่วนประกอบของระบบ ฉ- จำนวนเฟสในระบบ
ภายใต้ จำนวนองศาอิสระระบบเข้าใจจำนวนพารามิเตอร์ภายนอกและภายใน (อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนจำนวนเฟสในระบบ หากจำนวนระดับความเป็นอิสระเป็นศูนย์แสดงว่าไม่สามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ภายนอกและภายในของระบบได้โดยไม่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในจำนวนเฟส หากจำนวนองศาอิสระเท่ากับหนึ่ง สามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งได้ภายในขอบเขตที่กำหนด และจะไม่ทำให้จำนวนเฟสลดลงหรือเพิ่มขึ้น
ตัวอย่างเช่น พิจารณากรณีการตกผลึกของสารบริสุทธิ์ (เซมิคอนดักเตอร์พื้นฐาน) ที่ความดันคงที่ ในกรณีนี้ กฎกิ๊บส์จะอยู่ในรูปแบบ ค= เค− ฉ+1.2 เมื่อเป็นเซมิคอนดักเตอร์
มีสถานะเป็นของเหลว กล่าวคือ ฉ= 1 จำนวนองศาอิสระคือ 1 ( ค= เค− ฉ+1 = 1 − 1 + 1 = 1) อุณหภูมิในกรณีนี้อาจเป็นได้
เปลี่ยนแปลงโดยไม่เปลี่ยนสถานะของการรวมกลุ่ม ในช่วงเวลาแห่งการตกผลึก
ฉ= 2 (สองเฟส - ของแข็งและของเหลว) ค= เค− ฉ+1 = 1 − 2+1 = 0 นี่คือ
หมายความว่าทั้งสองระยะอยู่ในสมดุลตามที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด
2 ตัวแปรอิสระในสมการกิ๊บส์คือความเข้มข้น อุณหภูมิ และความดัน ถ้าความดันคงที่ จำนวนตัวแปรในสมการจะลดลงหนึ่งตัว
อุณหภูมิ (จุดหลอมเหลว) และไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้จนกว่าเฟสใดเฟสหนึ่งจะหายไป (แผ่นปรากฏบนกราฟอุณหภูมิ-เวลา ต= const ซึ่งความยาวจะเท่ากับเวลาตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงสิ้นสุดการตกผลึก) แหล่งที่มาของการรักษาอุณหภูมิให้คงที่ในกรณีนี้คือการปล่อย ความร้อนแฝงของการตกผลึกเท่ากับความแตกต่างของปริมาณความร้อนของเฟสเก่าและเฟสใหม่ เมื่อเสร็จสิ้นการตกผลึก จะมีเฟสของแข็งเพียงเฟสเดียวเท่านั้นที่ยังคงอยู่ในระบบ กล่าวคือ อุณหภูมิสามารถเปลี่ยนแปลง (ลดลง) ได้อีกครั้งโดยไม่ต้องเปลี่ยนจำนวนเฟส
แผนภาพเฟสแสดงองค์ประกอบเฟสของระบบที่ความเข้มข้นต่างๆ ของส่วนประกอบ เอ็กซ์, อุณหภูมิ ตและแรงกดดัน ป. แผนภาพสถานะโดยทั่วไปจะเป็นเชิงพื้นที่ มิติของปริภูมิขึ้นอยู่กับจำนวนของตัวแปรอิสระ ซึ่งฟังก์ชันคือองค์ประกอบของเฟส ตัวแปรเหล่านี้เป็นพิกัดที่ใช้สร้างไดอะแกรม แผนภาพเฟสประเภทที่ง่ายที่สุดจะแสดงลักษณะของวัสดุที่มีองค์ประกอบเดียวบริสุทธิ์ ขึ้นอยู่กับความดันและอุณหภูมิ เช่น แผนภาพเฟสของน้ำที่รู้จักกันดี อย่างไรก็ตาม เราจะไม่พิจารณาระบบที่มีองค์ประกอบเดียวดังกล่าว แต่จะพิจารณาระบบที่มีองค์ประกอบหลายส่วนทันที เนื่องจากเป็นไดอะแกรมที่มีองค์ประกอบหลายองค์ประกอบที่ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนใหญ่แล้ว ไดอะแกรมดังกล่าวจะถูกสร้างขึ้นในพิกัดอุณหภูมิ–ความเข้มข้น ( ต− เอ็กซ์). ใน
ในกรณีนี้ สำหรับระบบไบนารี่ (สององค์ประกอบ) ไดอะแกรมจะถูกแสดงบนระนาบ สำหรับระบบแบบไตรภาค (สามองค์ประกอบ) ไดอะแกรมจะถูกสร้างขึ้นในพื้นที่สามมิติ ฯลฯ หากนอกเหนือจากอุณหภูมิแล้ว ความดันยังแปรผันด้วย ดังนั้นสำหรับระบบไบนารี่ ไดอะแกรมจะกลายเป็นสามมิติ ( ป− ต− เอ็กซ์ไดอะแกรม) ต่อไปนี้เราจะพิจารณาเฉพาะระบบไบนารี่ที่สร้างขึ้นในพิกัดเป็นหลัก ต− เอ็กซ์. อย่างไรก็ตาม บทนี้จะกล่าวถึงด้วย ป− ต− เอ็กซ์ไดอะแกรมของระบบไบนารีเซมิคอนดักเตอร์บางระบบที่มีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่ง
โดยทั่วไปแล้ว ความเข้มข้นในไดอะแกรมจะแสดงเป็นน้ำหนักหรือเศษส่วนโมลของส่วนประกอบอย่างใดอย่างหนึ่งหรือเป็นเปอร์เซ็นต์อะตอม ดังนั้นพื้นที่ความเข้มข้นจึงเปลี่ยนแปลงไปบนแกน เอ็กซ์ถูกจำกัดและขยายจากศูนย์ถึงหนึ่งหรือสูงถึง 100% สำหรับระบบเซมิคอนดักเตอร์ พร้อมด้วยไดอะแกรมที่สร้างขึ้นในระดับเชิงเส้น บางครั้งไดอะแกรมจะถูกสร้างขึ้นโดยพล็อตความเข้มข้นของส่วนประกอบเป็นอะตอมต่อลูกบาศก์เซนติเมตรหรือเป็นเปอร์เซ็นต์อะตอม แต่ใช้มาตราส่วนลอการิทึม เนื่องจากตามกฎแล้ว ความสามารถในการละลายมีขีดจำกัด (ดูบทที่ 7) มากที่สุด
ข้าว. 4.3. แผนภาพสถานะของระบบ Si–Au ที่มีสเกลต่างกันไปตามแกนความเข้มข้น (ในบริเวณที่อยู่ติดกับเซมิคอนดักเตอร์ เปอร์เซ็นต์อะตอมมิกของส่วนประกอบยาสลบจะถูกพล็อตบนสเกลลอการิทึม จากนั้นความเข้มข้นในเปอร์เซ็นต์อะตอมจะถูกพล็อตบนเส้นตรง มาตราส่วน).
เนื้อหาขององค์ประกอบ (สิ่งเจือปน) ในเซมิคอนดักเตอร์ในสถานะของแข็งมีขนาดเล็ก (น้อยกว่า 0.1 ที่%) และความเข้มข้นของสารต้องห้ามที่ใช้จริงคือ 1,015–1,019 อะตอม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งก็คือ 10−5–10−2 ที่% (ดูรูปที่ 4.3 )
แผนภาพเฟสให้ข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะของเฟสและองค์ประกอบเฟสของระบบ เมื่อความเข้มข้นของส่วนประกอบตั้งแต่หนึ่งชิ้นขึ้นไป อุณหภูมิ และความดันเปลี่ยนแปลง การใช้ไดอะแกรมสถานะสมดุลสำหรับเงื่อนไขที่กำหนดสามารถกำหนดได้: 1) จำนวนเฟสในระบบ; 2) องค์ประกอบของแต่ละเฟสธรรมชาติของมัน (สารพื้นฐาน, สารประกอบ, สารละลายของแข็ง) และสภาวะที่เกิดขึ้น 3) จำนวนสัมพัทธ์ของแต่ละเฟส
แผนภาพเฟสสร้างขึ้นจากข้อมูลการวิเคราะห์ทางกายภาพและทางเคมี การวิเคราะห์นี้อยู่บนพื้นฐานของการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับการขึ้นต่อกันของคุณสมบัติทางกายภาพกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ความเข้มข้น อุณหภูมิ และความดัน ความรู้เกี่ยวกับการพึ่งพาเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถสร้างลักษณะของขั้นตอนและขอบเขตของการดำรงอยู่ของมันได้ วิธีการทั่วไปที่ใช้ในการสร้างแผนภาพเฟสคือวิธีทางความร้อนและไดลาโตเมตริก สาระสำคัญของพวกเขาอยู่ที่ความจริงที่ว่าสำหรับโลหะผสมขององค์ประกอบที่กำหนดอุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสจะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในเอนทาลปี ชม(ปริมาณความร้อน) หรือปริมาตร วีระบบบันทึกบนกราฟอุณหภูมิ-เวลา (อุณหภูมิถูกบันทึกในช่วงเวลาหนึ่ง) หรืออุณหภูมิ-ปริมาตรในกระบวนการทำความเย็นหรือให้ความร้อนแก่โลหะผสม เมื่อพิจารณาจุดของการแปลงเฟสสำหรับโลหะผสมที่มีองค์ประกอบต่างกันของระบบที่กำหนด จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างแผนภาพเฟสทั้งหมด วิธีการเหล่านี้จะกำหนดเฉพาะการแปลงเฟสของประเภทแรกเท่านั้น การเปลี่ยนเหล่านี้ควรแยกความแตกต่างจากการแปลงเฟสของชนิดที่สอง (สถานะเฟอร์โรแมกเนติก–พาราแมกเนติก, ตัวนำยิ่งยวด–ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด, สั่ง–ไม่เป็นระเบียบ) พร้อมด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในค่าสัมประสิทธิ์การอัดและความจุความร้อน ในกรณีนี้ จะมีการสร้างแผนภาพคุณสมบัติองค์ประกอบหรือคุณสมบัติอุณหภูมิสำหรับองค์ประกอบที่กำหนด ฯลฯ
ลองพิจารณาดู ป− ต− เอ็กซ์ไดอะแกรมสำหรับระบบไบนารี งานศึกษาแบบเข้มข้น ป− ต− เอ็กซ์แผนภาพเฟสแสดงให้เห็นว่าการใช้แรงดันสูง (นับหมื่นบรรยากาศ) ในบางกรณีทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงประเภทของเฟสไดอะแกรม การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเฟสและการเปลี่ยนแปลงโพลีมอร์ฟิกอย่างรวดเร็ว จนถึงลักษณะของ เฟสใหม่ที่ไม่มีอยู่ในระบบที่กำหนดที่ความดันบรรยากาศ ตัวอย่างเช่น แผนภาพที่มีการละลายได้ไม่จำกัดในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิสูง และการสลายตัวของสารละลายของแข็ง α ให้เป็นสารละลายของแข็ง 2 ชนิด α1 + α2 ที่อุณหภูมิต่ำ สามารถค่อยๆ เปลี่ยนเป็นแผนภาพที่มียูเทคติกด้วยความดันที่เพิ่มขึ้น (ดูรูปที่ 4.18, ก). ในรูป 4.18, ขแสดงแผนภาพสถานะของระบบ Ga–P ซึ่งมีการสร้างสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ GaP สารประกอบนี้สามารถละลายได้สมส่วนหรือไม่สอดคล้องกันทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความดัน ลักษณะของแผนภาพคู่จะเปลี่ยนไปตามนั้น ต− เอ็กซ์บนส่วนไอโซบาริกต่างๆ สามเท่า ป− ต− เอ็กซ์ไดอะแกรม
ในทางปฏิบัติปริมาตร ป− ต− เอ็กซ์ไดอะแกรมถูกสร้างขึ้นน้อยมาก โดยปกติแล้ว การแปลงเฟสเป็นสามมิติ ป− ต− เอ็กซ์แผนภูมิอานา
ข้าว. 4.18. ก- ป− ต− เอ็กซ์แผนภาพ; ข- ป− ต− เอ็กซ์แผนภาพสถานะ
ระบบ Ga–P ที่มีสารประกอบ GaP หลอมละลายอย่างสอดคล้องและไม่สอดคล้องกัน
ขึ้นอยู่กับแรงกดดัน
Lyse ใช้เครื่องฉายภาพบนเครื่องบิน ป− ต, ต− เอ็กซ์และ ป− เอ็กซ์ตลอดจนส่วนต่างๆ ที่อุณหภูมิหรือความดันคงที่ (ดูรูปที่ 4.18 ก).
โปรดทราบว่าเมื่อวิเคราะห์การแปลงเฟสในระบบ เราควรแยกแยะความแตกต่าง ป− ต− เอ็กซ์แผนภาพเฟสซึ่งแรงดันแยกตัว ป dis9 มีขนาดเล็กและ ปบนแผนภาพเฟส - นี่คือความดันภายนอกและความดันการแยกตัวสูงและ ป- นี้ ปโรค ในระบบที่ส่วนประกอบมีความดันการแยกตัวต่ำและจุดหลอมเหลวสูงสุดของส่วนผสมต่ำกว่าจุดเดือดต่ำสุด (ไม่มีส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูงในระบบ) บทบาทของเฟสก๊าซระหว่างการเปลี่ยนเฟสสามารถละเลยได้ . หากความดันในการแยกตัวของส่วนประกอบใดๆ สูง (ระบบประกอบด้วยส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูง) จะต้องพิจารณาองค์ประกอบของเฟสก๊าซที่อุณหภูมิทั้งสูงกว่าและต่ำกว่าของเหลว
มาดูเฟสไดอะแกรมให้ละเอียดยิ่งขึ้น ปโรค - ต− เอ็กซ์ด้วยความสูง
ความดันการแยกตัว (แผนภาพเฟสที่มีส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูง) ควรสังเกตว่าความสนใจเพิ่มขึ้นเนื่องจากบทบาทที่เพิ่มขึ้นของสารประกอบที่มีส่วนประกอบระเหยง่ายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น สารประกอบเหล่านี้รวมถึงสารประกอบ AIIIBV ที่มีส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูง ฟอสฟอรัสและสารหนู สารประกอบ AIIBVI ที่มีปรอท AIVBVI ที่มีกำมะถัน เป็นต้น
สารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดมีพื้นที่ที่เป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้นหรือน้อยลงนั่นคือสามารถละลายได้ในตัวเอง
9 ป dis คือความดันสมดุลสำหรับเงื่อนไขการแยกตัวของทุกระยะในสภาวะสมดุลที่กำหนด หากมีองค์ประกอบหนึ่งที่มีความผันผวนสูงในระบบ ป dis คือความดันการแยกตัวออกจากสมดุลของส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูงของระบบ
ส่วนประกอบใดๆ ที่เกินกว่าองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์หรือองค์ประกอบที่สาม
การเบี่ยงเบนจากองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์ส่งผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้า (ดูบทที่ 3) ดังนั้น เพื่อที่จะทำซ้ำได้ผลึกที่มีส่วนประกอบระเหยง่ายที่มีคุณสมบัติตามที่กำหนด จึงจำเป็นต้องทำซ้ำได้สารประกอบตามองค์ประกอบที่กำหนดด้วย
อย่างไรก็ตาม ความผันผวนของส่วนประกอบหนึ่งของสารประกอบทำให้เกิดการเบี่ยงเบนจากองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์เนื่องจากการก่อตัวของตำแหน่งที่ว่าง - ประจุลบหรือประจุบวก - ขึ้นอยู่กับความดันการแยกตัวขององค์ประกอบใดที่สูงกว่า และด้วยเหตุนี้ ส่วนเกินของ ส่วนประกอบอื่น ๆ ดังที่ได้กล่าวไปแล้วในบท. 3 ตำแหน่งงานว่างในสารประกอบจำนวนหนึ่งสามารถสร้างระดับผู้ยอมรับหรือผู้บริจาคได้ ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพ
พลังงานของการก่อตัวของตำแหน่งงานว่างในตำแหน่ง A และ B แทบจะไม่เหมือนเดิมเลย ดังนั้นความเข้มข้นของตำแหน่งงานว่างประจุลบและประจุบวกจึงแตกต่างกันเช่นกัน และบริเวณที่เป็นเนื้อเดียวกันของสารประกอบกลับกลายเป็นว่าไม่สมมาตรเมื่อเทียบกับองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์ ดังนั้น สำหรับสารประกอบเกือบทั้งหมด อุณหภูมิหลอมเหลวสูงสุดจึงไม่สอดคล้องกับโลหะผสมที่มีองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์10
มีความเป็นไปได้ที่จะป้องกันการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของสารประกอบเนื่องจากความผันผวน หากเติบโตจากการหลอมละลายหรือสารละลายที่ความดันภายนอกของส่วนประกอบที่ระเหยได้เท่ากับความดันการแยกตัวที่อุณหภูมิการเติบโต เงื่อนไขนี้เลือกใช้ ปโรค - ต– เอ็กซ์ไดอะแกรม
ความดันการแยกตัวของส่วนประกอบที่มีความผันผวนสูงในโลหะผสมนั้นขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของมันอย่างมาก ซึ่งมักจะลดลงเมื่อความเข้มข้นของส่วนประกอบนี้ลดลง เช่น สำหรับระบบ In-As (ความดันการแยกตัวของสารหนูลดลงเกือบสี่ลำดับความสำคัญด้วย ลดความเข้มข้นของสารหนูในช่วงจาก 100 ถึง 20 %) เป็นผลให้ความดันการแยกตัวของส่วนประกอบที่ระเหยง่ายในสารประกอบมีค่าน้อยกว่าความดันการแยกตัวเหนือส่วนประกอบบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิเดียวกันมาก
กรณีนี้ใช้ในรูปแบบสองอุณหภูมิเพื่อให้ได้สารประกอบนี้ สร้างโซนอุณหภูมิสองโซนในเตาอบเดียว
10อย่างไรก็ตาม สำหรับสารประกอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AIII BV ที่มีบริเวณที่เป็นเนื้อเดียวกันแคบและสารประกอบส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง AIV BVI ที่มีความกว้างเฉลี่ยของบริเวณที่เป็นเนื้อเดียวกัน แนวคิดของสารประกอบที่หลอมละลายอย่างสอดคล้องกันจะถูกนำมาใช้ เนื่องจากการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิหลอมเหลวจริง ของสารประกอบจากอุณหภูมิหลอมเหลวของสารประกอบที่มีองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์ไม่มีนัยสำคัญ
ข้าว. 4.19. ปโรค - ตส่วน ปโรค - ต− เอ็กซ์แผนภาพเฟสของระบบ Pb–S 1 -
สายสามเฟส 2 - ป.ลกำมะถันบริสุทธิ์ 2 ตัวเหนือ PbS+S2; 3 - ป.ล 2 ส่วน PbS+Pb
อันหนึ่งมีอุณหภูมิ ต 1 เท่ากับอุณหภูมิการตกผลึกของสารประกอบ วางภาชนะที่ละลายไว้ที่นี่ ในโซนที่สอง องค์ประกอบที่ระเหยได้บริสุทธิ์ของสารประกอบ As จะถูกวาง อุณหภูมิ ต 2 ในโซนที่สองถูกคงไว้ที่อุณหภูมิเท่ากัน โดยที่ความดันการแยกตัวของส่วนประกอบที่ระเหยได้ในรูปแบบบริสุทธิ์จะเท่ากับความดันการแยกตัวของส่วนประกอบนี้ในสารประกอบที่อุณหภูมิ ต 1. ด้วยเหตุนี้ ในโซนแรก ความดันไอของส่วนประกอบที่ระเหยได้เหนือสารประกอบจะเท่ากับความดันการแยกตัวออกบางส่วนในสารประกอบ ซึ่งป้องกันการระเหยของส่วนประกอบนี้จากการหลอมละลาย และรับประกันการตกผลึกของสารประกอบของ องค์ประกอบที่กำหนด
ในรูป มอบให้ 4.19 ป− ตการฉายภาพแผนภาพเฟส Pb – S
เส้นทึบแสดงเส้นสมดุลสามเฟสของเฟสของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ซึ่งจำกัดขอบเขตความเสถียรของสารประกอบของแข็ง เส้นประ - เส้นความเข้มข้นของไอโซโคนภายในขอบเขตความเป็นเนื้อเดียวกัน เส้นความเข้มข้นไอโซคอนทราสต์แสดงองค์ประกอบที่มีการเบี่ยงเบนเท่ากันจากปริมาณสัมพันธ์ (องค์ประกอบที่เหมือนกัน) ไปยังตะกั่วที่มากเกินไป (การนำไฟฟ้า n-type) หรือไปทางกำมะถันส่วนเกิน (การนำไฟฟ้า พี-type) สมดุลตามค่าอุณหภูมิและความดันไอกำมะถันที่กำหนด เส้น n= พีสอดคล้องกับค่าอุณหภูมิและความดัน ป.ล 2 ซึ่งเฟสของแข็งมีองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์อย่างเคร่งครัด มันตัดผ่านเส้นสามเฟสที่อุณหภูมิที่เป็นจุดหลอมเหลวของสารประกอบปริมาณสัมพันธ์ หรือไปทางกำมะถันส่วนเกิน (การนำไฟฟ้า พี-พิมพ์).
ดังที่เห็นได้จากรูป ในตาราง 4.19 จุดหลอมเหลวของสารประกอบที่มีองค์ประกอบปริมาณสัมพันธ์ต่ำกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวสูงสุดที่โลหะผสมที่มีตะกั่วมากเกินไปเมื่อเปรียบเทียบกับองค์ประกอบของสูตร การพึ่งพาอย่างชัดเจนขององค์ประกอบคริสตัลกับความดันไอบางส่วนของส่วนประกอบที่ระเหยได้นั้นมองเห็นได้ ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง เส้นโค้งทั้งหมดที่สอดคล้องกับองค์ประกอบที่แตกต่างกันจะเข้าใกล้เส้นดังกล่าว n= พี. เมื่ออุณหภูมิลดลง ความแตกต่างระหว่างความดันสมดุลที่สอดคล้องกับองค์ประกอบต่างๆ จะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้อธิบายถึงความยากลำบากในการได้รับโลหะผสมขององค์ประกอบที่กำหนดโดยตรงระหว่างการตกผลึกซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากกราฟความดันย่อยสำหรับองค์ประกอบที่แตกต่างกันมีความคล้ายคลึงกัน การเบี่ยงเบนแบบสุ่มเล็กน้อยในความดันไอของส่วนประกอบที่ระเหยง่ายสามารถนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดเจนในองค์ประกอบของเฟสของแข็ง
หลังจากการเจริญเติบโต หากคริสตัลถูกอบอ่อนในระยะยาวที่อุณหภูมิต่ำกว่าและมีแรงกดดันจนเส้นความเข้มข้นของไอโซคอนทราสต์สำหรับองค์ประกอบที่แตกต่างกันแตกต่างออกไปอย่างรวดเร็ว องค์ประกอบของคริสตัลก็สามารถนำมาเป็นค่าที่ระบุได้ สิ่งนี้มักใช้ในทางปฏิบัติ
แผนภาพเฟส การแสดงสถานะแบบกราฟิก (อุณหภูมิ ความดัน องค์ประกอบทางเคมี ฯลฯ) ภายใต้ระบบเทอร์โมไดนามิกส์สมดุลที่ประกอบด้วยสารที่กำหนดตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไป (ส่วนประกอบอิสระของระบบ) มีสถานะเป็นเนื้อเดียวกันของสสาร (เฟส) ด้วยคุณสมบัติทางเคมีกายภาพที่แตกต่างกัน คำว่า "แผนภาพสถานะ" ถูกใช้เทียบเท่ากับคำว่า "แผนภาพเฟส" (ส่วนใหญ่ในรัสเซียและเยอรมนี) อย่างไรก็ตาม แผนภาพเฟสมักเรียกอีกอย่างว่ากราฟที่ไม่สะท้อนถึงสมดุลของเฟสในระบบโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวรรณคดีภาษาอังกฤษ
เฟสจะแสดงบนแผนภาพเฟสในรูปแบบของบริเวณที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งหรือพื้นผิวที่อยู่ในปริภูมิของตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์อิสระ โดยปกติจะเป็นอุณหภูมิ T ความดัน P เศษส่วนโมลของส่วนประกอบของระบบ x ฟังก์ชันของตัวแปรเหล่านี้และตัวแปรอื่นๆ เช่น อัตราส่วนของปริมาณหรือความเข้มข้นของส่วนประกอบ ความหนาแน่น p หรือปริมาตรโมล V m ความดันบางส่วน หรือศักย์ทางเคมีของสาร ม. ในกรณีที่ไม่มีสนามแรงภายนอก จำนวนแกนพิกัดของแผนภาพเฟสที่สมบูรณ์ของระบบเปิดที่มีส่วนประกอบจะเท่ากับ c+2 ในการพรรณนาแผนภาพเฟสหลายมิติบนเครื่องบิน มีการใช้ส่วนและส่วนยื่นของแผนภาพเหล่านี้ ซึ่งสร้างขึ้นภายใต้ข้อจำกัดบางประการที่กำหนดให้กับตัวแปรอิสระบางตัว โดยมักจะใช้ร่วมกับระบบพิกัดที่เลือกมาเป็นพิเศษ (พิกัด Jenicke, สามเหลี่ยม Gibbs-Rosebohm ฯลฯ) แผนภาพเฟสแสดง: สารแต่ละชนิด สารละลายของเหลว ของแข็ง หรือก๊าซก่อตัวเป็นส่วนประกอบที่กำหนดของระบบ ภายใต้เงื่อนไขใดที่เป็นขั้นตอนดังกล่าวและของผสมที่ต่างกันจะมีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ ค่าของตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสของสารเกิดขึ้นในระบบ แผนภาพเฟสซึ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของเฟส ยังทำให้สามารถระบุจำนวนสัมพัทธ์ของเฟสที่มีอยู่ร่วมกันได้ ข้อมูลดังกล่าวจำเป็นสำหรับการแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์และการปฏิบัติจำนวนมาก และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาเคมี โลหะวิทยา วัสดุศาสตร์ ธรณีเคมี และสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอื่นๆ
พิกัดของแผนภาพเฟสสามารถเป็นตัวแปรทางอุณหพลศาสตร์ได้สองประเภท - พารามิเตอร์ของสมดุลทางความร้อน, เครื่องกลและเคมี T, P, μ ซึ่งมีค่าเท่ากันในทุกส่วนของระบบสมดุลหรือ (มักจะแตกต่างกันในเฟสที่ต่างกัน ) ความหนาแน่นทั่วไปของคุณสมบัติที่กว้างขวาง เช่น x, p , V m และคุณสมบัติอื่นๆ เท่ากับอัตราส่วนของปริมาณที่กว้างขวางต่อจำนวน มวล หรือปริมาตรของสสารในระบบ ในเรื่องนี้ไดอะแกรมเฟสสามประเภทมีความโดดเด่น ไดอะแกรมประเภทเดียวกันนั้นเป็นแบบไอโซมอร์ฟิก: พวกมันมีคุณสมบัติทอพอโลยีเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงจำนวนส่วนประกอบและค่าของตัวแปรเฉพาะบนแกนพิกัด
ในแผนภาพเฟสประเภท (T, P), (T, μ i), (μ i, μ j) และสิ่งที่คล้ายกันด้วยพารามิเตอร์สมดุลแบบเข้มข้นจะแสดงเฉพาะบริเวณเฟสและเส้น (พื้นผิว) ที่แยกออกจากกัน บ่งบอกถึงขอบเขตความมั่นคงของแต่ละเฟส จุดตัดของเส้นตรงตามเงื่อนไขสมดุลของเฟสที่มากกว่าสองเฟส ดังนั้น จุดสามจุดบนแผนภาพ (T, P) ของระบบองค์ประกอบเดียวบ่งชี้เงื่อนไขสำหรับการอยู่ร่วมกันอย่างเสถียรของสามเฟส
เมื่อมีแกนของความเข้มข้น คุณสมบัติโมล ความหนาแน่น เช่น ในแผนภาพเฟส (T, x), (P, x), (μ i, x), (T, p), ภูมิภาคของ ความเสถียรของเฟสจะถูกแยกออกจากกันโดยภูมิภาคอื่น ซึ่งสะท้อนถึงการมีอยู่ของส่วนผสมที่ต่างกันของเฟสสมดุล แผนภาพเฟสประเภทนี้สำหรับระบบแคดเมียม - สังกะสีสององค์ประกอบแสดงอยู่ในรูป แผนภาพของระบบสององค์ประกอบนี้มีแกนพิกัดสองแกนและไม่ใช่สี่แกนตามที่กำหนดโดยนิพจน์ข้างต้นด้วย + 2 เนื่องจากในการก่อสร้างมีการใช้เงื่อนไขความคงตัวของ P และตัวแปรอิสระสองตัวของจำนวน Cd และ Zn ถูกแทนที่ด้วยหนึ่งความเข้มข้น x Zn (x Cd = 1 - x Zn) ส่วนบนของภาพคือแผนภาพสมดุลไอของเหลวและไอ เส้นโค้งหักที่เชื่อมต่อจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบบริสุทธิ์เรียกว่าเส้นของเหลว ซึ่งแสดง "แผนภาพฟิวซิบิลิตี" ของระบบ เส้นตรง (โคโนด) ที่วาดในบริเวณที่ต่างกันของแผนภาพเฟสดังกล่าวระหว่างขอบเขตของเฟสที่อยู่ร่วมกันสองเฟสขนานกับแกนความเข้มข้น (ดูยูเทคติกโคโนดในรูป) อนุญาตให้กำหนดปริมาณสำหรับองค์ประกอบของส่วนประกอบใดๆ ของระบบได้ ของระยะที่อยู่ร่วมกัน (“กฎการใช้ประโยชน์”)
ในแผนภาพเฟสของประเภทที่สาม - (x i, x j), (x i, p), (เอนโทรปีของฟันกราม, x), (เอนทัลปีของฟันกราม, x) ฯลฯ - พิกัดเป็นเพียงความหนาแน่นทั่วไปของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ที่ครอบคลุมเท่านั้น ไดอะแกรมเหล่านี้ยังแสดงถึงการผสมที่ต่างกันของเฟสและโคโนด แต่ต่างจากไดอะแกรมเฟสอื่นๆ สองประเภท ในกรณีนี้ สถานะของของผสมที่ต่างกันจะแสดงเป็นรูปแบนหรือปริมาตร (สามเหลี่ยม จัตุรมุข) และเป็นไปได้ที่จะกำหนด องค์ประกอบเฟสเชิงปริมาณของระบบในสมดุลของสามเฟสขึ้นไป (“กฎจุดศูนย์ถ่วง” ของรูป)
แผนภาพเฟสได้รับการศึกษาเชิงทดลองและคำนวณโดยใช้วิธีอุณหพลศาสตร์เคมี โดยอิงจากข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารที่ประกอบกันเป็นระบบ พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการสร้างเฟสไดอะแกรมให้ไว้โดยเจ. กิ๊บส์ในช่วงทศวรรษที่ 1880 นอกจากนี้เขายังได้กำหนด "กฎเฟส" (ดูกฎเฟสของกิ๊บส์) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการศึกษาทดลองเกี่ยวกับสมดุลของเฟสและแผนภาพเฟส: สำหรับ T และ P คงที่ จำนวนเฟสที่อยู่ร่วมกันของสมดุล f จะต้องไม่เกินจำนวนส่วนประกอบของ ระบบมากกว่าสอง f ≤ c + 2
จากบทความ: Palatnik L. S., Landau A. I. ความสมดุลของเฟสในระบบหลายองค์ประกอบ ฮาร์., 1961; Kaufman L., Bernstein H. การคำนวณแผนภาพสถานะ [ของระบบโลหะ] โดยใช้คอมพิวเตอร์ ม. 2515; โลหะวิทยาเชิงกายภาพ / เรียบเรียงโดย R. Kahn, P. Haazen อ., 1987 ต. 2.
) — การแสดงสถานะของระบบอุณหพลศาสตร์แบบกราฟิกในพื้นที่ของพารามิเตอร์สถานะหลัก - อุณหภูมิ ต, ความดัน พีและองค์ประกอบ x.
คำอธิบาย
แผนภาพเฟสทำให้สามารถค้นหาได้ว่าเฟสใด (เช่น ระบบย่อยที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งมีโครงสร้างและ/หรือคุณสมบัติแตกต่างจากเฟสอื่นๆ) ที่อาจมีอยู่ในระบบที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขและองค์ประกอบที่กำหนด สำหรับระบบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยเฟสและส่วนประกอบจำนวนมาก การสร้างแผนภาพเฟสจากข้อมูลการทดลองและข้อมูลการสร้างแบบจำลองทางอุณหพลศาสตร์เป็นวิธีสำคัญในการทำนายพฤติกรรมระหว่างกระบวนการต่างๆ การวิเคราะห์ตำแหน่งสัมพัทธ์ของทุ่งนา พื้นผิวและเส้นที่แยกออกจากกัน รวมถึงจุดเชื่อมต่อของสนามหลัง ทำให้สามารถกำหนดเงื่อนไขของสมดุลเฟส การปรากฏตัวของเฟสใหม่และสารประกอบทางเคมีในระบบได้อย่างชัดเจนและชัดเจน การก่อตัวและการสลายตัวของสารละลายของเหลวและของแข็ง ฯลฯ
แผนภาพเฟสใช้ในวัสดุศาสตร์ โลหะวิทยา การกลั่นน้ำมัน เทคโนโลยีเคมี (โดยเฉพาะในการพัฒนาวิธีการแยกสาร) การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา เงื่อนไขสำหรับการสังเคราะห์ทางอุตสาหกรรมของ มีการเลือกสาร กำหนดทิศทางของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเฟส และการเลือกโหมดการบำบัดความร้อน ค้นหาองค์ประกอบเฟสที่เหมาะสมที่สุด ฯลฯ
แผนภาพเฟสของระบบองค์ประกอบเดียวจะแสดงบนระนาบในพิกัด พี-ที. ประกอบด้วยเขตข้อมูลที่สอดคล้องกับการมีอยู่ของเฟสหนึ่งของสาร (ก๊าซ, ของเหลว, การดัดแปลงของแข็งต่าง ๆ ) คั่นด้วยเส้นสมดุลของเฟสซึ่งเป็นไปได้ในการอยู่ร่วมกันของเฟสที่อยู่ติดกัน สถานที่ที่เส้นสมดุลเฟสสามเส้นมาบรรจบกันเรียกว่าจุดสามจุด ซึ่งสามเฟสสามารถอยู่ร่วมกันได้ นี่คือจำนวนเฟสสูงสุดที่สามารถอยู่ร่วมกันในสภาวะสมดุลในระบบที่มีส่วนประกอบเดียว
จำนวนเฟสที่ปรากฏ ณ จุดที่กำหนดในแผนภาพเฟสถูกกำหนดโดยกฎเฟสของกิ๊บส์ และเป็น n + 2 – ฉ, ที่ไหน n- จำนวนส่วนประกอบ ได้แก่ สารที่มีปริมาณในระบบสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยอิสระจากส่วนประกอบอื่นๆ เลข 2 สอดคล้องกับความดันและอุณหภูมิ (ดังนั้น n+ 2 คือจำนวนพารามิเตอร์ที่กำหนดสถานะของระบบ และ ฉ- จำนวนระดับความเป็นอิสระ เช่น จำนวนของแรงทั่วไป (ความดัน อุณหภูมิ ศักย์ทางเคมีของส่วนประกอบ) ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระภายในขอบเขตที่กำหนดโดยไม่ต้องเปลี่ยนองค์ประกอบเฟสสมดุล
ตัวอย่างเช่น ภายในเขตข้อมูลของแผนภาพเฟสองค์ประกอบเดียว ซึ่งมีเฟสเดียวอยู่ ความดันและอุณหภูมิสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระ และจุดสามจุดคือจุดที่เรียกว่าจุดสมดุลไม่แปรเปลี่ยน
นอกจากนี้ แผนภาพเฟสของระบบองค์ประกอบเดียวสามารถแสดงถึงเฟสที่แพร่กระจายได้ เช่น เฟสที่ไม่สมดุล แต่สามารถมีอยู่ในช่วงพารามิเตอร์ที่กำหนดได้เป็นเวลานานเนื่องจากความเสถียรของจลน์เช่นเดียวกับจุดวิกฤติ - ชี้ไปที่เส้นสมดุลของก๊าซเหลว หลังจากนั้นความแตกต่างอย่างฉับพลันในคุณสมบัติของเฟสเหล่านี้ก็หายไปและแนวคิดของการเปลี่ยนเฟสก็สูญเสียความหมาย
นอกจากอุณหภูมิและความดันแล้ว ยังสามารถพิจารณาพารามิเตอร์อื่นๆ ของสถานะของระบบได้ เช่น ความแรงของสนามแม่เหล็ก ( ชม). จากนั้นแผนภาพเฟสจะกลายเป็นหลายมิติและพิจารณาส่วนต่างๆ ของมัน เป็นต้น ฮ-ทีและในกฎเฟส หมายเลข 2 จะเปลี่ยนไปตามจำนวนแรงทั่วไป (สนาม) ที่สอดคล้องกัน
แผนภาพเฟสของระบบหลายองค์ประกอบก็มีหลายมิติเช่นกัน สะดวกในการศึกษาส่วนเรียบ เช่น องค์ประกอบอุณหภูมิและองค์ประกอบความดัน สำหรับส่วนไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอลของไดอะแกรมเฟสของระบบสามองค์ประกอบซึ่งอธิบายการพึ่งพาองค์ประกอบเฟสของระบบเฉพาะในองค์ประกอบของส่วนประกอบเท่านั้น จะใช้สิ่งที่เรียกว่าสามเหลี่ยมกิ๊บส์
หลักการทั่วไปที่กล่าวถึงข้างต้นยังใช้กับไดอะแกรมเฟสแบบหลายองค์ประกอบด้วย ตัวอย่างของไอโซบาริก ( ต-เอ็กซ์) ภาพตัดขวางของแผนภาพเฟสสององค์ประกอบแสดงไว้ในรูปที่ 1 เขตข้อมูลของไดอะแกรมดังกล่าวสามารถสอดคล้องกับหนึ่งหรือสองเฟสที่มีอยู่ร่วมกัน ซึ่งรวมถึงการละลายของส่วนประกอบ เฟสของแข็งของส่วนประกอบบริสุทธิ์หรือสารประกอบขององค์ประกอบขั้นกลาง และเฟสของสารละลายของแข็ง
อัตราส่วนเฟสในสนามที่สอดคล้องกับสองเฟสถูกกำหนดโดยกฎคันโยก - มันเป็นสัดส่วนผกผันกับอัตราส่วนของระยะทางแนวนอนต่อเส้นสมดุลของเฟสที่ จำกัด สนามและพิกัดของจุดตัดของแนวนอนด้วยเส้นเหล่านี้กำหนด องค์ประกอบของเฟสที่อยู่ร่วมกัน
ท่ามกลางองค์ประกอบที่สำคัญ ต-เอ็กซ์ภาพตัดขวางของไดอะแกรมสององค์ประกอบควรกล่าวถึงเส้น liquidus ซึ่งด้านบนนี้มีเพียงเฟสของเหลวเท่านั้น เส้นโซลิดัสที่อยู่ด้านล่างซึ่งมีเฉพาะเฟสของแข็งเท่านั้น จุดยูเทคติก (จุดที่หลอมละลายเท่ากัน) จุดร่วมของโซลิดัสและของเหลว (ที่จุดแตกหักของเฟสหลัง) และจุดเพอริเทคติก (จุดที่หลอมละลายไม่เท่ากัน กล่าวคือ ละลายโดยมีการสลายตัวบางส่วน ของเฟสของแข็ง) บนเส้นโค้ง liquidus ซึ่งเฟสของเหลวและเฟสของแข็งสองเฟสสามารถอยู่ร่วมกันได้ เช่นเดียวกับเส้นแนวนอนที่สอดคล้องกันของการแปลงยูเทคติกและเพอริเทคติก
สำหรับเฟสที่ประกอบด้วยอนุภาคขนาดนาโน อาจขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพกับขนาด ดังนั้นบางครั้งแผนภาพเฟสจึงเต็มไปด้วยสเกลการกระจายตัว
ภาพประกอบ
ผู้เขียน
- โกลต์ อิลยา วาเลรีวิช
- อิอฟฟ์ อิลยา นาฟโตลิวิช
แหล่งที่มา
- Anosov V. Ya., Pogodin S. A. หลักการพื้นฐานของการวิเคราะห์ทางกายภาพและเคมี - ม.–ล.: สำนักพิมพ์ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียต, 2490 - 876 หน้า
- สารานุกรมเคมี. - อ.: สารานุกรมโซเวียต, 2531.
“ผู้หญิงขี้โมโหที่มีดวงตาว่างเปล่า”
ระบบสุริยะ - โลกที่เราอาศัยอยู่
ใบรับรองภาษาอังกฤษ: อันไหนจะเป็นประโยชน์สำหรับคุณ รับใบรับรองระดับนานาชาติเป็นภาษาอังกฤษให้กับนักเรียนของคุณ