“电子产品的新“黄金”时代”

热损伤电子设备的一种形式是使部件以不同的速度膨胀，引起微裂纹和变形的力。 由于加热和冷却循环中的体积变化，塑料零件和电路板特别容易损坏。 但是，如果能够在补偿膨胀的部件中装入材料，则应力会减少，寿命会变长。

任何材料都知道液态水在冻结时膨胀，而冰块在融化时收缩。 但是，液态水和电子产品的混合并不好。 相反，需要具有负热膨胀( nte )的固体。

这些材料从20世纪60年代就开始为人所知，但在概念广泛有用且在商业上可行之前，必须克服许多课题。 在材料和功能方面，这些努力只取得了有限的成功。 尽管实验材料是在专业实验室的条件下使用昂贵的设备生产的，但这些表明了nte的温度和压力范围远远超过了正常的日常条件。 另外，膨胀和收缩的量取决于方向，引起改变结构的内应力。 这意味着nte的性能不会比某些加热和冷却循环持续更久。

名古屋大学的竹中胜司率领的研究小组成功地克服了这些材料工程的挑战。 受名古屋大学noriaki sato的一系列工作的启发——他去年发现，准晶体中的超导性被物理世界杂志选为年度十大物理发现之一——竹中教授使用稀土元素钐其硫化物、单硫化钐( sms )，从黑相出发，体积较小的黄金相。 问题是如何调整相变发生的温度范围。 该小组的处理方案是将钐原子的一部分替换为其他稀土元素，得到sm1-xrxs。 在这里，r是任意的稀土类元素铈( ce )、钕) nd )、镨( pr )或钇) y )。 小组采用的分数x除钇外通常为0.2。 这些材料在普通室的压力下表现出高达8%的巨大负热膨胀，同时在室温以上的温度范围内是有用的温度范围(约150度)。 铈是这里的明星候补。 因为比较便宜。

根据相变的性质，材料可以粉碎成单侧约1微米的非常小的晶体尺寸，而不会失去负的膨胀特性。 它在工业上的应用，特别是在电子产品中正在扩展。

名古屋大学集团的项目成果令人印象深刻，但是负面的扩大是如何从基本的物理学观点得到喜爱的呢？ 黑-金转变期间，晶体结构不变，但原子更近。 单位晶胞的尺寸变小。 因为钐原子的电子结构发生变化，将它们变得更小的过程称为钐原子内的价变或价变。 我的印象中，takenaka教授说冥想的晶格体积和电子结构的关联性是通过实验验证的这样的硫化物。

更具体而言，在黑色(比较低温)相中，钐原子的电子配置为( 4f ) 6，这意味着在最外壳中它们在f轨道中具有6个电子(其中，填充有s、p、d轨道)； 在黄金阶段，电子构型为( 4f )5) 5d )1 -电子从4f轨道移动到5d轨道。 虽然更高的壳开始被占有，但事实表明——通过泡利排除原理上的毛病——在第二种情况下，原子尺寸更小，导致更小的晶体尺寸和负膨胀。

但这是基本情况的一部分。 在黑相中，硫化钐及其掺杂的分支是绝缘体，它们不导电； 在黄金阶段，它们变成导体，也就是金属。 这表明在黑金相变期间，晶体整体的能带结构影响着钐原子内的价态变化。 虽然没有人对takenaka教授的团队制作的钐硫化物进行理论计算，但以前的理论研究表明，电子远离钐原子的轨道时，会残留带正电荷的空孔，其本身与空孔相互作用？ 在晶体的传导带中，会影响它们的交换相互作用。 这是一种合作效应，驱动钐原子中价态的变化。 但是，确切的机制还不清楚。

但是，名古屋大学指导小组的成立是工学，不是纯粹的物理学。 takenaka教授解释说，对许多工程师来说，采用这种材料减少热膨胀导致的设备故障是很重要的。 简单地说，一定的温度范围内——设备预计运转的温度范围，一般是几十度或者越来越多的间隔，体积随着温度的升高而逐渐降低，随着温度的降低而需要增加。 当然，我们也知道相变期间冷却时的体积膨胀[像水一样冷冻]是多种材料的一般情况。 但是，如果在非常狭窄的温度范围内体积发生变化，就没有工程价值。 是物质工程的结果，不是纯粹的物理学。

也许预示着电子产品新的黄金时代。

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