Материал: Презентация УФЭ (10)

Устройства функциональной

электроники

1

Функциональная электроника

Хемотроника

До сих пор мы рассматривали явления и процессы, протекающие в твердых телах, на основе которых созданы разнообразные элементы и устройства функциональной электроники.

Мы не рассматривали процессы, происходящие в жидкостях и на границе жидких фаз, которые, на самом деле, широко используются для создания информационных и управляющих систем. основанных на процессах.

Это направление функциональной электроники называют хемотроникой, или ионикой,

подчеркивая, что носителями информации в жидких системах являются ионы.

Хемотроника, как научно-техническое направление, возникла на стыке электроники и электрохимии. Ее главная задача сводится к созданию принципиально новых

электрохимических преобразователей информации, использующих закономерности электроники и физико-химии поверхностных явлений.

2

Функциональная электроника

Хемотроника

Подвижность ионов в растворе много меньше, чем подвижность электронов в твердом теле, поэтому электрохимические устройства по своей физической природе являются низкочастотными. Тем не менее системы на жидкостной основе имеют ряд важных и принципиальных преимуществ перед электронными устройствами:

1)компактность многофункциональных элементов жидкостных систем, в которых в небольшом объеме может одновременно протекать с разной скоростью множество разнообразных физико-химических процессов. Именно это позволяет реализовать компактные многофункциональные управляющие системы на водной основе;

2)возможность перестройки своей внутренней структуры (возможностью внутреннего управления системой). Это свойство жидкой среды может быть использовано для создания управляющих и информационных систем, систем надежных и устойчивых;

3)информационные и управляющие системы на жидкостной основе весьма близки к биосистемам.

В настоящее время разработаны различные хемотронные – электрохимические элементы и устройства, которые по физико-химическому действию можно условно разбить на две большие группы:

устройства, механизм работы которых основан на изменении ионного тока под влиянием каких-либо внешних факторов. При этом предполагается, что

электроды в жидкой среде являются инертными;

устройства, в которых используются обратимые и необратимые фазовые

Функциональная электроника

Физические основы хемотронных устройств

При растворении многие вещества распадаются (диссоциируют) на ионы.

Молекулы кислот распадаются на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка.

Молекулы солей распадаются на положительные ионы металла и отрицательные ионы кислотного остатка.

Распад молекул происходит под влиянием растворителя. В молекулах растворителя центры тяжести положительных и отрицательных зарядов смещены по отношению друг к другу, т. е. молекулы имеют вид диполей. Такая структура приводит к высокой диэлектрической проницаемости растворителя, поэтому при растворении происходит сильное ослабление молекулярных и ионных связей растворяемого вещества и молекулы легко распадаются на ионы. Хорошим растворителем во

многих случаях является вода, обладающая высокой диэлектрической постоянной

~ 80.

Движение ионов в растворе является беспорядочным, напоминающим хаотическое тепловое движение свободных электронов в металлах и полупроводниках. При воздействии на раствор внешнего электрического поля на хаотическое движение ионов накладывается упорядоченное смещение ионов вдоль поля. Подвижность ионов значительно меньше подвижности свободных электронов:

1)ионы имеют значительно большую массу, чем электроны,

2)ионы в растворе окружены оболочкой из полярных молекул растворителя. Электропроводность раствора зависит от концентрации диссоциированных ионов,

скорости их движения и температуры.

4

Функциональная электроника

Физические основы хемотронных устройств

Вещества, обладающие ионной проводимостью, называются электролитами.

При прохождении тока через электролит ионы на электроде

либо отдают электроны (ионы окисляются),

либо их принимают (восстановление ионов).

Связанное с этим процессом изменение химического состава раствора, электролита, называется электролизом. Электролиз всегда связан с окислительновосстановительными процессами на электродах.

Пример.

При прохождении тока через раствор медного купороса положительные ионы меди, двигаясь к катоду, при соприкосновении с электродом захватывают электроны и становятся нейтральными атомами меди – происходит восстановительный процесс. Атомы меди осаждаются на катоде.

На аноде же при протекании тока происходит окислительный процесс. Если анодный электрод инертный и не участвует в электрохимической реакции, на нем выделяется газообразный кислород, образовавшийся в результате

разложения воды, а водород соединяется с отрицательными ионами кислотного остатка, образуя серную кислоту 2 4.

Если же анод медный, то состав электролита практически не изменяется за счет того, что происходит растворение анода – медь переходит в раствор, а на катоде выделяется такое же ее количество.

5