Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Фізика твердого тіла



План:


Введення

Фізика твердого тіла - розділ фізики конденсованого стану, завданням якого є опис фізичних властивостей твердих тіл з точки зору їх атомарного будови. Інтенсивно розвивалась в XX столітті після відкриття квантової механіки. Розвиток стимулювалася широким спектром важливих завдань прикладного характеру, зокрема, розвитком напівпровідникової техніки.

В даний час фізика твердого тіла розбилася на велику кількість дрібніших напрямів.


1. Історія

Зовнішній вигляд алмазу
і схематичне зображення його кристалічної решітки

Кристали багатьох мінералів і дорогоцінних каменів були відомі і описані ще кілька тисячоліть тому. Одна з найбільш ранніх замальовок кристалів міститься в китайській фармакопеї одинадцятого століття нашої ери. Кристали кварцу з імператорської корони, що збереглися з 768 року нашої ери, знаходяться в Сесоїн, скарбниці японських імператорів в Нара. Кристалом називали спочатку тільки лід, а потім і кварц, який вважався скам'янілим льодом. В кінці епохи середньовіччя слово "кристал" стало вживатися в більш загальному сенсі.

Геометрично правильна зовнішня форма кристалів, що утворюються в природних або лабораторних умовах, наштовхнула вчених ще у сімнадцятому столітті на думку, що кристали утворюються за допомогою регулярного повторення в просторі одного і того ж структурного елементу. При зростанні кристала в ідеальних умовах форма його протягом всього зростання залишається незмінною, як якщо б до зростаючого кристалу безперервно приєднувалися б елементарні цеглинки. Зараз відомо, що такими елементарними цеглинками є атоми або групи атомів. Кристали складаються з атомних рядів, що періодично повторюються в просторі і утворюють кристалічну решітку. У вісімнадцятому столітті мінералогами було зроблено важливе відкриття. Виявилося, що індекси, що визначають положення в просторі будь-якої грані кристала, суть цілі числа. Гаюї показав, що це можна пояснити розташуванням ідентичних частинок в ряди, періодично повторювані у просторі. У 1824 р. Зібер з Фрайбурга припустив, що елементарні складові кристалів ("цеглинки", атоми) є маленькими сферами. Він запропонував емпіричний закон межатомной сили з урахуванням як сил тяжіння, так сил відштовхування між атомами, що було необхідно для того, щоб кристалічна решітка була стабільним рівноважним станом системи ідентичних атомів.

Мабуть, найбільш важливою датою в історії фізики твердого тіла є 8 червня 1912 Цього дня в Баварської Академії наук у Мюнхені слухався доповідь " Інтерференція рентгенівських променів ". У першій частині доповіді Лауе виступив з викладом елементарної теорії дифракції рентгенівських променів на періодичному атомному ряду. У другій частині доповіді Фрідріх і Кніппінг повідомили про перших експериментальних спостереженнях дифракції рентгенівських променів у кристалах. Цією роботою було показано, що рентгенівські промені є хвилями, тому що вони здатні діфрагувати. Робота незаперечно довела також, що кристали складаються з періодичних рядів атомів. З цього дня почалася та фізика твердого тіла, якою ми знаємо її сьогодні. У роки, безпосередньо наступні за 1912 роком, у фізиці твердого тіла було зроблено багато важливих піонерських робіт. Першими кристалічними структурами, визначеними У. Л. Брегг у 1913 р. за допомогою рентгенівського дифракційного аналізу, були структури кристалів KCl, NaCl, KBr і KI.

Після відкриття дифракції рентгенівських променів і публікації серії простих і досить успішних робіт з розрахунками та прогнозами властивостей кристалічних речовин почалося фундаментальне вивчення атомної структури кристалів.

У 30-e роки XX століття роботами В. Гейзенберга, Паулі, М. Бopна були створені основи квантово-механічної теорії твердого тіла, що дозволило пояснити і прогнозувати цікаві фізичні ефекти в твердих тілах. Прискорювали формування фізики твердого тіла потреби народжується твердотільної електроніки в нових надчистих матеріалах. Тут можна вказати найважливіша подія - відкриття в 1948 р. У. Шоклі, У. Браттейном і Дж. Бардіном підсилювальних властивостей транзистора.

В даний час методи та теорія твердого тіла, розвинені для опису властивостей і структури монокристалів, широко застосовуються для отримання і дослідження нових матеріалів: композитів і наноструктур, квазикристаллов і аморфних твердих тіл. Фізика твердого тіла служить основою для вивчення явищ високотемпературної надпровідності, гігантського магнітоопору і багатьох інших перспективних сучасних наукоємних технологій.

Фізика твердого тіла зводиться, по суті, до встановлення зв'язку між властивостями індивідуальних атомів і молекул і властивостями, які виявляються при об'єднанні атомів або молекул в гігантські асоціації у вигляді регулярно-впорядкованих систем - кристалів. Ці властивості можна пояснити, спираючись на прості фізичні моделі твердих тіл. Реальні кристали і аморфні тверді тіла значно складніше, але ефективність і корисність простих моделей навряд чи можна переоцінити. Предметом даної галузі науки є, насамперед, властивості речовин у твердому стані, їх зв'язок з мікроскопічним будовою і складом, евристичне прогнозування і пошук нових матеріалів та фізичних ефектів в них. Фактично фізика твердого тіла служить базою для фізичного матеріалознавства.


2. Кристалофізика

Кристали - це тверді речовини, в яких атоми розташовуються правильним чином відносно один одного. Цю правильність їх відносного взаємного розташування можна описати на основі понять симетрії; елементи симетрії кристала визначають симетрію його фізичних властивостей. Зазвичай вважається, що кристали мають правильну форму з плоскими гранями і прямими ребрами. Симетрія і правильність зовнішньої форми кристалічних багатогранників відмінна, але не обов'язкова їх особливість. У заводських і лабораторних умовах часто вирощують кристали не багатогранні, що, однак, не змінює їх властивостей.

З усіх станів речовини тверде тіло має найменшу вільну енергію, і тому є рівноважним при помірних і низьких температурах. Частинки твердого тіла поєднуються один з одним за допомогою хімічних зв'язків. Рівняння для енергії зв'язку будь-якого типу може бути представлено у вигляді двухчленное висловлювання, що містить члени, відповідальні за енергію тяжіння і енергію відштовхування. Сумарна енергія зв'язку для кристала має вигляд кривої, що має єдиний мінімум. Тому в кожному напрямку частинки твердого тіла розташовуються в єдино можливих рівноважних положеннях, які відповідають мінімуму енергії в даному напрямку. Виникає сувора тривимірна періодичність положення частинок, що утворюють тверде тіло. Ця періодичність пояснює ограновування кристалів і анізотропію їх властивостей.

Ідеальний кристал твердого тіла можна отримати шляхом нескінченного повторення в просторі певної групи атомів або молекул даної речовини. У найбільш простому випадку така структурна одиниця складається з одного атома. У більш складних речовинах така структурна одиниця містить десятки і сотні, а в кристалах білків - тисячі атомів або молекул.

Кристалічну структуру описують за допомогою періодично повторюється в просторі елементарної комірки, що має форму паралелепіпеда, і базису - набору координат атомів в межах елементарної комірки. Кожна з таких елементарних осередків може бути віднесена до однієї з сингоний (за формою елементарної комірки) або кристалічних систем (залежно від набору елементів симетрії кристала). Залежно від набору елементарних трансляцій кристалічні решітки поділяються на чотирнадцять решіток Браве.


2.1. Зворотній решітка

Просторова решітка кристалу непридатна для аналізу хвильових процесів в кристалі. Для опису періодичного розподілу відбивної здатності кристала по відношенню до рентгенівським променям вводять поняття зворотного решітки. Основні вектори оберненої гратки у фізиці твердого тіла вводяться співвідношеннями:

\ Mathbf {b_ {1}} = 2 \ pi \ frac {\ mathbf {a_ {2}} \ times \ mathbf {a_ {3}}} {\ mathbf {a_ {1}} \ cdot (\ mathbf {a_ {2}} \ times \ mathbf {a_ {3}})}
\ Mathbf {b_ {2}} = 2 \ pi \ frac {\ mathbf {a_ {3}} \ times \ mathbf {a_ {1}}} {\ mathbf {a_ {2}} \ cdot (\ mathbf {a_ {3}} \ times \ mathbf {a_ {1}})}
\ Mathbf {b_ {3}} = 2 \ pi \ frac {\ mathbf {a_ {1}} \ times \ mathbf {a_ {2}}} {\ mathbf {a_ {3}} \ cdot (\ mathbf {a_ {1}} \ times \ mathbf {a_ {2}})}

Дані вектори мають розмірність зворотнього довжини. У кристалографії зазвичай опускають в цих співвідношеннях множник , А більшість фізиків множник залишають. Іноді це питання стає предметом суперечок між кристаллографами і твердотельщікамі [1]. Насправді тут немає протиріччя, це питання зручності, відсутність множника може спростити деякі математичні обчислення.

Кристалічна решітка - решітка в звичайному, реальному просторі. Зворотній грати - грати в просторі Фур'є. Іншими словами зворотній решітка (зворотне простір, імпульсне простір) є Фур'є-образом прямий кристалічної решітки (прямого простору).



2.2. Дефекти кристала

Усі реальні тверді тіла, як монокристалічні, так і полікристалічні, містять так звані структурні дефекти, типи, концентрація, поведінка яких вельми різноманітні і залежать від природи, умов отримання матеріалів і характеру зовнішніх впливів. Більшість дефектів, створених зовнішнім впливом, термодинамічно нестійка, а стан системи в цьому випадку є порушеними (нерівноважних). Таким зовнішнім впливом може бути температура, тиск, опромінення частинками і квантами високих енергій, введення домішок, фазовий наклеп при поліморфних та інших перетвореннях, механічна дія і т.п. Перехід у рівноважний стан (релаксація) може проходити різними шляхами і, як правило, реалізується за допомогою ряду метастабільних станів [2].

Дефекти одних типів, взаємодіючи (рекомбініруя) з дефектами того ж або іншого типів, можуть анігілювати або утворювати нові асоціації дефектів. Ці процеси супроводжуються зменшенням енергії системи.

За кількістю напрямів N, в яких простирається порушення періодичного розташування атомів в кристалічній решітці, викликане даним дефектом, виділяють дефекти:

  • Точкові (нульмерние, N = 0);
  • Лінійні (одномірні, N = 1);
  • Поверхневі (двомірні, N = 2);
  • Об'ємні (тривимірні, N = 3);

У кристалах елементарних речовин до точкових дефектів відносять вакансії і межузельние атоми. У кристалах сполук також можливі так звані антиструктурних дефекти. У разі наявності в кристалі домішок, виникають також дефекти пов'язані з атомами домішки. Точкові дефекти, не пов'язані з наявністю домішок називають власними, пов'язані з наявністю домішок - домішковими. Для позначення точкових дефектів найчастіше використовують систему символів, що складається з великої літери, що позначає тип дефекту, нижнього індексу, що позначає положення дефекту, верхній індекс, що позначає зарядове стан дефекту.

  • Вакансією ( \ Mathbf {V} ) Називають вільний вузол решітки, який в ідеальній гратах зайнятий атомом.
  • Межузельних атом ( \ Mathbf {A_ {i}} ) - Атом, розташований в межатомной порі (але не в вакансії).
  • Антиструктурних дефект ( \ Mathbf {A_ {B}} ) - Атом одного компонента сполуки, що займає вузол не в своїй підгратці ( \ Mathbf {A} , А в чужій (в підгратці компонента \ Mathbf {B} )
  • Домішковий атом заміщення - заміна атома одного типу, атомом іншого типу у вузлі кристалічної решітки. У позиціях заміщення можуть перебувати атоми, які за своїми розмірами і електронним властивостям відносно слабко відрізняються від атомів основи.
  • Домішковий атом впровадження - атом домішки розташовується в міжвузлі кристалічної решітки. У металах домішками впровадження зазвичай є водень, вуглець, азот і кисень. У напівпровідниках - це домішки, що створюють глибокі енергетичні рівні в забороненій зоні, наприклад, мідь і золото в кремнії.

Точкові дефекти можуть утворювати кластери (наприклад: пара Френкеля \ Mathbf {V + A_ {i}} , Дефект Шотки - атом, який пішов на поверхню або в дислокацію з утворенням вакансії - \ Mathbf {V + A_ {s}} та багато інших. ін), скупчення (наприклад, дві розташовані поруч вакансії - бівакансія), переходити в заряджене стан (іонізовиваться), тобто грати роль донорів або акцепторів.

До лінійних дефектів відносять дислокації і дісклінаціі.

  • Дислокація (кристалографія) - межа області незавершеного зсуву в кристалі. Дислокації виникають в процесі росту кристалу; при його пластичної деформації і в багатьох інших випадках. Їх розподіл і поведінка при зовнішніх впливах визначають найважливіші механічні властивості, зокрема такі як міцність, пластичність та ін
  • Дісклінація - межа області незавершеного повороту в кристалі.

До двомірним недосконалостей відносять внутріфазние і міжфазні кордону.

До об'ємним (тривимірним) дефектів відносять скупчення вакансій, створюючі пори і канали; частинки, що осідають на різних дефектах (декоруючі), наприклад бульбашки газів, бульбашки маткового розчину; скупчення домішок у вигляді секторів (пісочного годинника) і зон зростання. Як правило, це пори або включення домішкових фаз. Представляють собою конгломерат з багатьох дефектів. Походження - порушення режимів росту кристала, розпад пересиченого твердого розчину, забруднення зразків. У деяких випадках (наприклад, при дисперсійному твердінні) об'ємні дефекти спеціально вводять у матеріал, для модифікації його фізичних властивостей.

Дефекти ділять на термодинамічно рівноважні і термодинамічно нерівноважні.

До термодинамічно рівноважним відносять точкові дефекти, при наявності яких енергія системи менше, ніж у їх відсутність. Це зменшення енергії здійснюється за рахунок збільшення ентропії. До таких дефектів ставляться тільки ті, енергія яких може бути забезпечена флуктуаціями теплової енергії системи.

Всі інші точкові дефекти, а також всі одно-, дво-і тривимірні дефекти відносяться до термодинамічно нерівноважних, і кристал принципово може бути отриманий без них


3. Електропровідність

Магнетизм


4. Фазові переходи


Література

  • Ч. Киттель Введення в фізику твердого тіла - М .: Наука, 1978.
  • В.І. Зіненко Основи фізики твердого тіла - М .: Видавництво Фізико-математичної літератури, 2001. - 336 с. - ISBN 5-94052-040-5.
  • Я.С. Уманський, Ю.А. Скаков, А.Н. Іванов, Л.М. Расторгуєв Кристалографія, рентгенографія та електронна мікроскопія - М .: Металургія, 1982. - 632 с. - 13000 екз .
  • М.П. Шаськольськая Кристалографія: Навчальний посібник для втузів - М .: Вища школа, 1984. - 376 с. - 16000 екз .
  • С. С. Горелик, М. Я. Дашевський Матеріалознавство напівпровідників і діелектриків: Підручник для вузів. - М .: МІСіС, 2003. - 480 с.

Примітки

  1. Киттель Ч. Введення в фізику твердого тіла. - М.: ООО "Медіастар", 2006. - С. 78.
  2. Горелик С.С., Дашевський М. Я. Матеріалознавство напівпровідників і діелектриків. - М.: МІСіС, 2003. - С. 250.

7. См також


Основні розділи
Геометрична оптика Фізична оптика Хвильова оптика Квантова оптика Нелінійна оптика Теорія випускання світла Теорія взаємодії світла з речовиною Спектроскопія Лазерна оптика Фотометрія Фізіологічна оптика Оптоелектроніка Оптичні прилади
Суміжні напрями Акустооптики Крісталлооптіка
Загальна (фізична) акустика Геометрична акустика Психоакустики Біоакустики Електроакустика Гідроакустика Ультразвукова акустика Квантова акустика (акустоелектроніка) Акустична фонетика (Акустика мови)
Прикладна акустика Архітектурна акустика ( Будівельна акустика) Аероакустіка Музична акустика Акустика транспорту Медична акустика Цифрова акустика
Суміжні напрями Акустооптики
Класична радіофізика Квантова радіофізика Статистична радіофізика
Теорія атома Атомна спектроскопія Рентгеноспектральний аналіз Радіоспектроскопія Фізика атомних зіткнень
Прикладна фізика
Термодинаміка газів Термодинаміка розчинів
Фізика плазми Фізика атмосфери Лазерна фізика
Пов'язані науки Агрофізики Фізична хімія Математична фізика Астрофізика Геофізика Біофізика Метрологія Матеріалознавство
Див також Космологія Нелінійна динаміка
Портал "Фізика"
QSicon Formatierung Grey.svg Це службовий список статей, створений для координації робіт з розвитку теми.
Дане попередження не встановлюється на інформаційні списки та глосарії.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Хімія твердого тіла
Кінематика твердого тіла
Хімія органічного твердого тіла
Інститут фізики твердого тіла РАН
Температура тіла
Кетонові тіла
Тіла обертання
Аморфні тіла
Каталанови тіла
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru