الموصلية الكهربائية لبلورة الكوارتز

مقدمة:

لقد اجتذبت بلورات علم البلورات التناظرية للكوارتز اهتمامًا علميًا وفنيًا كبيرًا منذ أكثر من عشرين عامًا. يعتبر الكوارتز من أكثر البلورات التي تم فحصها، وذلك بسبب الخصائص الفيزيائية المفيدة التي تمتلكها جميع البلورات (الكهربية الانضغاطية، النشاط البصري، التأثير الكهروضوئي، التوليد التوافقي الثاني،) وحقيقة أن SiO2 يلعب دورًا مهمًا. دور في الجيولوجيا. والآخر هو حدوث مراحل مختلفة من الحالة الصلبة وأنواع مختلفة من انتقالات الطور، مما يسمح بزيادة فهمنا الحالي لفيزياء هذه الظواهر واختبار النماذج النظرية. يمكن تحسين هذا الفهم بشكل ملحوظ في مقارنة الكوارتز مع نظائرها. بجانب هذا الاهتمام العلمي، المجالات الكبيرة للتطبيقات التقنية الحالية والمستقبلية للكوارتز ومثيلاته مثل GaPO4 تبرر المزيد من التحقيقات، فالخصائص البصرية والكهربائية الانضغاطية الممتازة للكوارتز تجعله ينتج الكريستال الاصطناعي بجانب السيليكون، بمعدلات إنتاج سنوية تزيد عن 3000 طن. نظرًا لاستقراره الحراري الممتاز ومعامل إجهاد كهرضغطية أعلى، أصبح GaPO4 أهم نظير كوارتز للتطبيق الفني.

1 – التركيب البلوري للكوارتز:

تحتوي المعادن على عدد من الخصائص الفيزيائية الفريدة التي تختلف تمامًا عن تلك الموجودة في المواد الصلبة الأخرى، مثل البلاستيك أو الخشب أو الخرسانة أو العظام أو الزجاج. على سبيل المثال، قد يتغير لون البعض اعتمادًا على زاوية الرؤية، وقد يتم شحن البعض الآخر كهربائيًا عند تعرضه للضغط، وقد ينفصل بسهولة في اتجاه واحد فقط، أو يمكن خدشه بسهولة على وجه بلوري أكثر من الآخر.

سبب هذا السلوك الغريب هو الطبيعة البلورية للمعادن. في البلورة، يتم ترتيب الذرات بشكل منتظم ودوري خاص بكل معدن. لا تنعكس هندسة هذا الترتيب للذرات في خصائص تناظر البلورة فحسب، بل تنعكس أيضًا في الخواص أو تباين الخواص الفيزيائية. تسمى المادة التي تتفاعل بشكل مختلف اعتمادًا على اتجاه قوة خارجية متباينة الخواص. المعادن المختلفة متباينة الخواص بدرجات مختلفة، والعديد من الخصائص الفيزيائية للكوارتز تظهر تباين الخواص.

الجدول التالي يعطي لمحة عامة عن أهم الخصائص الفيزيائية.

الجدول (1)

يجب أن توضح الأشكال الأربعة التالية بشكل تخطيطي كيف يرتبط تناظر الهيكل الداخلي بتباين الخواص. ذرات العناصر المختلفة يرمز لها بدوائر مختلفة الحجم واللون.

قد يُظهر المثال الأول للمعدن المكون من عنصرين فقط اختلافات في خصائص الوجوه البلورية المختلفة، لكن القوة المؤثرة أو الضوء الذي يمر عبر البلورة عموديًا سيكون لها نفس التأثير تقريبًا كما هو الحال في الاتجاه الأفقي. يُظهر هذا الهيكل تناسقًا في المرآة على طول 4 محاور (اثنان منهم يمران عبر الهيكل قطريًا)، وتماثل دوراني رباعي (يمكنك قلب الهيكل لمدة 90 درجة، 180 درجة، 270 درجة، 360 درجة، وسوف تبدو متشابهة).

في الشكل التالي، يكون التركيب الكيميائي للمعدن أكثر تعقيدًا، وفي هذا المثال يتماشى هذا مع فقدان التناظر الدوراني: إذا قلبت الهيكل بمقدار 90 درجة، سيبدو مختلفًا. في حين أنه لا يوجد فرق بين ما إذا كانت القوة تعمل من أعلى / أسفل أو من الجانب الأيسر / الأيمن، فإنها تحدث فرقًا إذا كانت تعمل من أعلى اليسار أو من أعلى اليمين بزاوية 45 درجة: بدءًا من الأخضر ذرة، سيكون التسلسل إما أخضر – بنفسجي – أخضر – بنفسجي أو أخضر – برتقالي – أخضر – برتقالي، على التوالي. لاحظ أيضًا أن الوجوه البلورية العلوية اليسرى والسفلية اليمنى والسفلية اليسرى والعلوية اليمنى تظهر بالضرورة بنية مختلفة على جوانب متقابلة من البلورة. يتم توزيع العناصر الأربعة المختلفة بشكل واضح في الهيكل، ويفترض أن التباين ليس واضحًا جدًا

على الرغم من أن التركيب العام لا يزال كما هو، إلا أن ترتيب العناصر في البلورة الثالثة مختلف، مما يؤدي إلى مزيد من فقدان التناظر. قد يُظهر معدن مثل هذا تباينًا واضحًا في التباعد أو اللون. لاحظ أنه في حين أن توجيه القوة يلعب دورًا، فإن الاتجاه لا يحدث: على سبيل المثال، لا يُحدث الضغط على البلورة من أعلى أو من أسفل فرقًا. ينعكس هذا من خلال حقيقة أن البنية لا تزال تُظهر تناظرًا مرآة على طول محوريها الرئيسيين

لا يزال الهيكل في الشكل الأخير يبدو متماثلًا للغاية، ولكن في الواقع لا يوجد سوى مستوى مرآة واحد على اليسار: يمكن قلب الهيكل رأسًا على عقب، ولكن ليس من اليسار إلى اليمين. الهيكل الذي يفتقر إلى مستوى المرآة (أي أن الصورة المعكوسة لمثل هذا الهيكل تختلف عن الأصل) يكون إما يسارًا أو يمينًا، ويطلق عليه اسم enantiomorphic أو chiral. اليد البشرية نفسها هي المثال المثالي، حيث لا يمكن تحويل اليد اليسرى إلى يد يمنى بأي عملية هندسية باستثناء الانعكاس، ومن هنا جاء مصطلح “اليد اليمنى”. الآن، ليس فقط توجيه القوة قد يلعب دورًا، ولكن أيضًا اتجاهها: في هذا المثال، يحدث فرق سواء كانت القوة تعمل من اليسار أو من اليمين – الهيكل قطبي، والنهاية اليسرى واليمنى للبلورات ستكون “أقطاب” التركيب البلوري.

لا يمكن استنتاج تباين الخواص لخاصية فيزيائية معينة من الشكل البلوري الخارجي. إن أمثلة “البلورات” في الرسومات المقدمة أعلاه كلها مؤهلة على أنها بلورات مكعبة أو متساوية القياس، ومع ذلك فإنها ستظهر سلوكًا متباينًا مختلفًا. في الواقع، جميع المعادن المكعبة متباينة الخواص بصريًا، لكن بعضها متباين الخواص كهربائيًا. ما يهم هو التناظر الداخلي – البلورات التي تفتقر إلى مركز التناظر أو تناظر المرآة في بنيتها تكون عرضة لإظهار نوع من تباين الخواص.

على الرغم من أن الكوارتز يحتوي على صيغة كيميائية بسيطة للغاية، إلا أن هيكله الجزيئي الداخلي معقد ويفتقر إلى تناظر المرآة – بلور الكوارتز المثالي إما يسار أو يمين. في الطبيعة، يتم توأمة العديد من البلورات، والتي تتكون من أفراد فرعيين تتجه هياكلهم الداخلية بشكل مختلف وتتداخل بطريقة تشبه القانون. تم تعدين بلورات الكوارتز الطبيعية غير المربوطة تجارياً، لأن سلوكها الكهربائي والبصري متباين الخواص له تطبيقات تقنية مهمة. في الوقت الحاضر، تُزرع بلورات الكوارتز غير المأخوذة بشكل مصطنع على نطاق صناعي.

2- الخواص الكهربائية للكوارتز:

على الرغم من أن الكوارتز ليس موصلًا (بمعنى أنه لا يحمل الكهرباء مثل معظم المعادن مثل النحاس)، إلا أنه يتمتع بخصائص كهربائية معينة تجعله مفيدًا جدًا لبعض الإلكترونيات. على وجه الخصوص، هو كهرضغطية. “الكهرباء الانضغاطية” هي كلمة مشتقة من الكلمة اليونانية “piez” أو “piezein”، وتعني “الضغط”؛ المواد الكهروإجهادية هي مواد غير موصلة تولد الكهرباء عند تعريضها للضغط، والعكس صحيح: فهي تتعرض للتشوه المادي عند تشغيل الكهرباء من خلالها.

2-1 كهرضغطية:

هذه هي الخاصية الأكثر أهمية من الناحية الفنية للكوارتز ولها العديد من التطبيقات. تم اكتشاف كهرضغطية بواسطة جاك وبيير كوريفي عام 1880، أثناء الدراسات التي أجريت على بلورات الكوارتز. عندما يتم تشويه المواد الكهرضغطية ميكانيكيًا، يتم شحن أسطحها كهربائيًا. والعكس صحيح أيضًا: فالمواد نفسها ستتشوه عند وضعها في مجال كهربائي. تعد الكهرباء الانضغاطية مرة أخرى خاصية متباينة الخواص يمكن العثور عليها في أنواع معينة من البلورات، ولكن ليس في المواد غير المتبلورة، وهذا يعتمد على اتجاه القوى.

تتكون العديد من المواد البلورية من جزيئات أو أيونات مشحونة كهربائيًا مع توزيع غير متساوٍ للشحنات الكهربائية (داخل الجزيء، تكون بعض الذرات أكثر سلبية وبعضها موجب الشحنة). هذا الأخير هو الحال في الكوارتز: إنه مادة جزيئية كبيرة يتم تكوينها بواسطة شبكة من SiO4 رباعي السطوح، كما هو موضح في الشكل 5 في رابطة Si-O، يتم سحب الإلكترونات السالبة أكثر إلى الأكسجين (مثل تسمى الرابطة القطبية، ويقال إن للأكسجين كهرسلبية أعلى من السيليكون)، وبالتالي فإن الأكسجين أكثر سلبية وشحنة السيليكون أكثر إيجابية. بالطبع، البلورة ككل متوازنة كهربائيًا.

يوضح الشكل 6 ما يحدث إذا تم وضع رباعي الوجوه SiO4 تحت ضغط ميكانيكي (يُرمز إليه بأسهم زرقاء). ذرة السيليكون المركزية محاطة بـ 4 ذرات أكسجين (تم حذف إحداها لسهولة القراءة). الصيغة الإجمالية للكوارتز هي SiO2، وبما أن كل ذرة أكسجين تحمل نفس الكمية الإضافية من الشحنة السالبة المأخوذة من ذرة السيليكون، فإن ذرات السيليكون المركزية تحمل شحنتين موجبتين والأكسجين شحنة سالبة واحدة فقط.

تحت الضغط الميكانيكي، يتم إزاحة ذرات رباعي الوجوه فيما يتعلق بموضعها السابق (المشار إليه بواسطة مخطط أحمر رفيع). يتم دفع السيليكون موجب الشحنة بعيدًا عن موضعه المركزي ويتم استقطاب الهيكل بأكمله كهربائيًا. إذا عكس اتجاه القوى، فسيتم سحب السيليكون لأعلى، مما يؤدي إلى استقطاب معاكس.

في بلورة الكوارتز، تشكل رباعي السطوح SiO4 شبكة يكون فيها للوحدات موقع واتجاه محددان. يوضح الشكل 7 نموذجًا مبسطًا لشبكة SiO2، مع توجيه جميع وحدات SiO4 بنفس الطريقة. في الواقع، الوضع أكثر تعقيدًا بكثير: فليس كل رباعي السطوح موجه بنفس الطريقة، ولكن مجموعات من رباعي السطوح؛ المبدأ لا يزال قائما، ومع ذلك، يمكننا عرض كل وحدة SiO4 على أنها كرة لها نواة موجبة الشحنة (أزرق داكن) وقذيفة سالبة الشحنة (حمراء)، كما هو موضح في الشكل 7 على اليمين.

إذا وضعنا البلورة تحت ضغط ميكانيكي، كما هو موضح في الشكل 8، فإن كل رباعي الأسطح يتأثر، مع دفع ذرة السيليكون المركزية للأسفل. يتم استقطاب جميع وحدات SiO4 بنفس الطريقة، في هذه الحالة تكون أكثر سلبية في الأعلى وأكثر إيجابية في الأسفل، كما هو موضح في الشكل 8 إلى اليمين. الجهد المتراكم في كل وحدة SiO4 صغير جدًا، ولكن نظرًا لأن الملايين منهم يصطفون في الهيكل البلوري، فإن جهدهم يصل إلى كمية قابلة للقياس. هذا مشابه جدًا لبطاريات البطاريات في المصباح اليدوي. في الواقع، يمكن قياس عدة آلاف من الفولتات على سطح الكريستال.

كما قلت، فإن التركيب الجزيئي للكوارتز أكثر تعقيدًا بكثير من الهيكل الموضح في الأشكال، وبالطبع فإن سلوكه تحت الضغط أكثر تعقيدًا أيضًا. اتجاه القوى الميكانيكية الأكثر فاعلية في استقطاب بلورة كوارتز موازية لمحاورها، بينما لا تظهر القوى الموازية للمحور c أي تأثير. يوجد 3 محاور في الكوارتز، ومع ذلك، يوجد فقط نمطان مختلفان لتوزيع شحنة السطح.

2 – 2 الكهرباء الحرارية:

الكهرباء الحرارية، تطوير شحنات كهربائية معاكسة على أجزاء مختلفة من ألكريستال التي تخضع لتغير درجة الحرارة. لوحظ لأول مرة (1824) في الكوارتز، يتم عرض الكهرباء الحرارية فقط في المواد المتبلورة غير الموصلة التي لها محور تناظر واحد على الأقل قطبي (أي أنه لا يوجد مركز تناظر، فإن الوجوه البلورية المختلفة تحدث على نهايات متقابلة). أجزاء من الكريستال التي لها نفس التناظر ستنتج شحنة ذات علامة متشابهة. تؤدي التغيرات في درجات الحرارة المعاكسة إلى شحنات معاكسة عند نفس النقطة؛ على سبيل المثال، إذا طورت البلورة شحنة موجبة على وجه واحد أثناء التسخين، فسوف تولد شحنة سالبة هناك أثناء التبريد. تتبدد الشحنات تدريجياً إذا تم الحفاظ على البلورة عند درجة حرارة ثابتة.

الكهربية الحرارية ونسبتها الكهربائية الضغطية تمت دراستها باستخدام طريقة ابتكرها الفيزيائي الألماني August A. Kundt. خليط من مسحوق الكبريت الناعم والرصاص الأحمر من خلال شاشة من القماش على بلورة مشحونة. من خلال الاحتكاك، تكتسب جزيئات الكبريت شحنة سالبة وتنجذب إلى الشحنات الموجبة على البلورة، بينما يذهب الرصاص الأحمر موجب الشحنة إلى الشحنات السالبة للبلورة.

يمكن لمقياس حرارة كهربي حراري أن يحدد التغيير عن طريق قياس الجهد الناتج عن فصل الشحنات.

2-3 السماحية النسبية للكوارتز:

السماحية مقياس يميز التغيرات في كثافة المجال الكهربائي E عندما يتم وضع مادة في مجال كهربائي. وحدتها هي رقم العزل εr (يسمى أحيانًا ثابت العزل). يمكن استخدام رقم العازل لتقدير مقدار الاستقطاب الكهربائي لمادة ما في مجال كهربائي تقريبًا: قيم البنزين والإيثانول والميثانول والماء هي 2.28 و25.1 و33.5 و81 على التوالي، حيث تتكون هذه السوائل بشكل متزايد من الجزيئات القطبية التي تعيد توجيه نفسها في مجال كهربائي.

تتراوح قيمة εr للكوارتز بين 4.69 موازية للمحور a و5.06 موازية للمحور c، وهي خاصية فيزيائية أخرى متباينة الخواص. لا يختلف عدد العزل الكهربائي للكوارتز كثيرًا عن عدد الزجاج (3-15) أو الخشب (3-5) أو البلاستيك (2-5). نظرًا لكونه خامل كيميائيًا ودائمًا ميكانيكيًا للغاية، فهو مع ذلك عازل جذاب، ويستخدم، على سبيل المثال، لفصل عناصر الدائرة الكهربائية داخل رقائق الكمبيوتر.

References:
[1] P.W. Krempl , AVL List GmbH, 8020 Graz, Austria , Piezoelectricity in quartz
analogues.
[2] Lesley Northam Gladimir V. G. Baranoski , Technical Report CS-2008-20, Natural
Phenomena Simulation Group School of Computer Science University of Waterloo 200
University Avenue West Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1, A Study on the Appearance
of Quartz.
[3] L, W. MCKEEHAN , THE CRYSTAL STRUCTURE OF QUARTZ.
[4] M A U R I C E L. H U G G I N S , THE CRYSTAL STRUCTURE OF QUARTZ
[5] Wikipedia , https://en.wikipedia.org/wiki/Quartz , Quartz
[6] H. Jaina) and A. S. Nowick , Henry Krumb School 0/Mines. Columbia University. New
York. New York 10027 (Received 9 February 1981; accepted for publication 12 May 1981),
Electrical conductivity of synthetic and natural quartz crystals

إيثار كريم مناحي 

مدرس فيزياء / ماجستير فيزياء المواد المكثفة