Szilárdtestfizika

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. február 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .

A szilárdtestfizika a kondenzált anyag fizikának  egy ága , melynek feladata a szilárd testek fizikai tulajdonságainak atomi szerkezetük szempontjából történő leírása. Intenzíven fejlődött a XX. században a kvantummechanika felfedezése után . A fejlődést számos fontos alkalmazott probléma ösztönözte, különösen a félvezető technológia fejlődése .

Jelenleg a szilárdtestfizika számos kisebb területre szakadt.

Történelem

Sok ásvány és drágakő kristályait több évezreddel ezelőtt ismerték és leírták. Az egyik legkorábbi kristályvázlatot a Kr.u. 11. századi kínai gyógyszerkönyv tartalmazza. A császári koronából származó kvarckristályok , amelyeket i.sz. 768 -ból őriztek meg, Shosoinban , a japán császárok narai kincstárában találhatók . Először csak a jeget nevezték kristálynak, majd a kvarcot , amelyet megkövesedett jégnek tekintettek. A középkor végén a "kristály" szót általánosabb értelemben kezdték használni.

A természetes vagy laboratóriumi körülmények között kialakult kristályok geometriailag helyes külső formája már a 17. században késztette a tudósokat arra az elképzelésre, hogy a kristályok ugyanazon szerkezeti elem térben történő rendszeres ismétlődésével jönnek létre. Amikor egy kristály ideális körülmények között növekszik, alakja növekedése során változatlan marad, mintha folyamatosan elemi téglákat erősítenének a növekvő kristályhoz. Ma már ismert, hogy az ilyen elemi építőelemek atomok vagy atomcsoportok. A kristályok atomsorokból állnak, amelyek periodikusan ismétlődnek a térben és kristályrácsot alkotnak. A 18. században az ásványkutatók fontos felfedezést tettek: kiderült, hogy a kristály bármely lapjának térbeli helyzetét meghatározó indexek egész számok . Hayuy kimutatta, hogy ez azzal magyarázható, hogy az azonos részecskék sorokban helyezkednek el, és periodikusan ismétlődnek a térben. 1824- ben Freiburgi Sieber azt javasolta, hogy a kristályok elemi alkotóelemei (a "téglák", atomok) kis gömbök. Javaslatot tett az atomközi erő empirikus törvényére, amely figyelembe veszi az atomok közötti vonzás és taszító erőket is, amely szükséges ahhoz, hogy a kristályrács egy azonos atomrendszer stabil egyensúlyi állapota legyen.

A szilárdtestfizika történetének talán legfontosabb dátuma 1912. június 8 .. Ezen a napon a müncheni Bajor Tudományos Akadémián meghallgatták a " Röntgensugarak interferenciája " című jelentést . A jelentés első részében Laue bemutatta a periodikus atomsorok röntgendiffrakciójának elemi elméletét . A jelentés második részében Friedrich és Knipping beszámolt a kristályok röntgendiffrakciójának első kísérleti megfigyeléseiről. Ez a munka megmutatta, hogy a röntgensugarak hullámok, mivel képesek diffrakcióra. A munka cáfolhatatlanul bebizonyította, hogy a kristályok periodikus atomsorokból állnak. Ettől a naptól kezdve kezdődött az a szilárdtestfizika, ahogyan ma ismerjük. Az 1912-t közvetlenül követő években számos fontos úttörő munkát végeztek a szilárdtestfizikában. A W. L. Bragg által 1913 -ban röntgendiffrakciós elemzéssel azonosított első kristályszerkezetek a KCl , NaCl , KBr és KI kristályok voltak .

A röntgendiffrakció felfedezése és a kristályos anyagok tulajdonságainak számításait és előrejelzéseit tartalmazó egyszerű és nagyon sikeres munkák sorozatának publikálása után megkezdődött a kristályok atomszerkezetének alapvető vizsgálata.

Az 1930-as években W. Heisenberg , Pauli , M. Born munkái megteremtették a szilárd testek kvantummechanikai elméletének alapjait, amelyek lehetővé tették a szilárd testekben jelentkező érdekes fizikai hatások magyarázatát és előrejelzését. Az új, ultratiszta anyagokban megjelenő szilárdtest-elektronika iránti igény felgyorsította a szilárdtest-fizika kialakulását. Itt jelezheti a legfontosabb eseményt - W. Shockley , W. Brattain és J. Bardeen 1948 - as felfedezését a tranzisztor erősítő tulajdonságaira .

Jelenleg az egykristályok tulajdonságainak és szerkezetének leírására kifejlesztett szilárd anyagok módszereit és elméletét széles körben használják új anyagok előállítására és tanulmányozására: kompozitok és nanoszerkezetek , kvázikristályok és amorf testek . A szilárdtestfizika alapul szolgál a magas hőmérsékletű szupravezetés , az óriási mágneses ellenállás és sok más ígéretes modern tudományintenzív technológia jelenségeinek tanulmányozásához.

A szilárdtestfizika lényegében az egyes atomok és molekulák tulajdonságai közötti kapcsolat megteremtésén alapul, valamint azon tulajdonságok között, amelyek akkor jönnek létre, amikor az atomok vagy molekulák hatalmas asszociációkat alkotnak, szabályosan rendezett rendszerek - kristályok - formájában. Ezek a tulajdonságok a szilárdtestek egyszerű fizikai modelljei alapján magyarázhatók. A valódi kristályok és amorf szilárd anyagok sokkal összetettebbek, de az egyszerű modellek hatékonyságát és hasznosságát aligha lehet túlbecsülni. Ennek a tudományterületnek a tárgya mindenekelőtt a szilárd halmazállapotú anyagok tulajdonságai, kapcsolata a mikroszkópikus szerkezettel és összetétellel, a heurisztikus előrejelzés, valamint az új anyagok és fizikai hatások keresése bennük. Valójában a szilárdtestfizika szolgál a fizikai anyagtudomány alapjául .

Kristályfizika

A kristályok olyan szilárd anyagok, amelyekben az atomok egymáshoz képest megfelelő módon helyezkednek el. Relatív kölcsönös elrendeződésük helyessége a szimmetria fogalmai alapján írható le; a kristály szimmetriaelemei meghatározzák fizikai tulajdonságainak szimmetriáját.

A kristályokat általában szabályos alakúnak tekintik, lapos felülettel és egyenes élekkel. A kristályos poliéderek külső formájának szimmetriája és szabályszerűsége megkülönböztető, de nem kötelező jellemző. A nem poliéderes kristályokat gyakran gyári és laboratóriumi körülmények között termesztik, ami azonban nem változtat a tulajdonságaikon.

Az összes halmazállapot közül a szilárd testnek van a legalacsonyabb szabadenergiája, ezért közepes és alacsony hőmérsékleten egyensúlyban van. A szilárd test részecskéi kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A tetszőleges típusú kötési energia egyenlete kéttagú kifejezésként ábrázolható, amely a vonzás és a taszítás energiájáért felelős kifejezéseket tartalmazza. A kristály teljes kötési energiája görbe formájú, egyetlen minimummal. Ezért minden irányban a szilárd test részecskéi az egyetlen lehetséges egyensúlyi pozícióban helyezkednek el, amely az ebben az irányban minimális energiának felel meg. A szilárd testet alkotó részecskék helyzetében szigorú háromdimenziós periodicitás érvényesül. Ez a periodicitás magyarázza a kristályok fazettását és tulajdonságaik anizotrópiáját.

Egy szilárd test ideális kristályát úgy kaphatjuk meg, hogy egy adott anyag atomjainak vagy molekuláinak bizonyos csoportját a térben végtelenül ismételjük. A legegyszerűbb esetben egy ilyen szerkezeti egység egy atomból áll. Az összetettebb anyagokban egy ilyen szerkezeti egység tíz és száz, a fehérjekristályokban pedig több ezer atomot vagy molekulát tartalmaz.

A kristályszerkezetet egy, a térben periodikusan ismétlődő paralelepipedon alakú elemi cella és egy bázis - az elemi cellán belüli atomok koordinátáinak halmaza - segítségével írják le. Ezen elemi cellák mindegyike hozzárendelhető valamelyik szingóniához (az elemi cella alakja szerint) vagy kristályrendszerekhez (a kristályszimmetriaelemek halmazától függően). Az elemi fordítások halmazától függően a kristályrácsokat tizennégy Bravais -rácsra osztják .

Inverz rács

A kristály térhálója alkalmatlan a kristályban zajló hullámfolyamatok elemzésére. Egy kristály reflektivitásának a röntgensugárzáshoz viszonyított periodikus eloszlásának leírására bevezetjük a reciprok rács fogalmát. A reciprok rács fő vektorait a szilárdtestfizikában a következő összefüggések vezetik be:

Ezek a vektorok reciprok hosszúságú dimenzióval rendelkeznek. A krisztallográfiában ezekben az arányokban általában kihagyják a faktort ; a legtöbb fizikus elhagyja a szorzót. Néha ez a kérdés viták tárgyává válik a krisztallográfusok és a szilárdtest-tudósok között [1] . Igazából itt nincs ellentmondás, ez kényelmi kérdés, a szorzó hiánya leegyszerűsít néhány matematikai számítást.

A kristályrács egy rács a közönséges, valós térben. A reciprok rács egy rács a Fourier-térben. Más szóval, a reciprok rács (reciprok tér, impulzustér) a közvetlen kristályrács (előre tér) Fourier-transzformációja .

Kristályhibák

Minden valódi szilárd anyag, mind az egykristályos, mind a polikristályos, tartalmaz úgynevezett szerkezeti hibákat, típusokat, koncentrációt, amelyek viselkedése nagyon változatos, és függ a természettől, az anyagok beszerzésének feltételeitől és a külső hatások természetétől. A külső hatás által létrehozott hibák többsége termodinamikailag instabil, és a rendszer állapota ilyenkor gerjesztett (nonequilibrium). Ilyen külső hatás lehet hőmérséklet, nyomás, részecskékkel és nagyenergiájú kvantumokkal történő besugárzás, szennyeződések bejutása, fáziskeményedés polimorf és egyéb átalakulások során, mechanikai hatás stb. Az egyensúlyi állapotba való átmenet (relaxáció) különböző körülmények között történhet módokon, és rendszerint számos metastabil állapoton keresztül valósul meg [2] .

Az egyik típusú hibák az azonos vagy más típusú hibákkal kölcsönhatásba lépve (újrakombinálódva) megsemmisíthetik vagy új hibatársulásokat alkothatnak. Ezeket a folyamatokat a rendszer energiájának csökkenése kíséri.

Azon N irányok száma szerint, amelyekben a kristályrácsban az atomok periodikus elrendezésének e hiba által okozott megsértése kiterjed, a hibákat megkülönböztetik:

Az elemi anyagok kristályaiban az üresedéseket és az intersticiális atomokat ponthibáknak nevezik. A vegyületek kristályaiban úgynevezett szerkezetellenes hibák is előfordulhatnak. Abban az esetben, ha a kristályban szennyeződések vannak jelen, a szennyező atomokhoz kapcsolódó hibák is fellépnek. Azokat a ponthibákat, amelyek nem kapcsolódnak szennyeződések jelenlétéhez, belső hibáknak, a szennyeződések jelenlétével kapcsolatosakat szennyeződéseknek nevezzük. A ponthibák jelölésére leggyakrabban szimbólumrendszert használnak, amely a hiba típusát jelző nagybetűből, a hiba helyét jelző alsó indexből és a hiba töltöttségi állapotát jelző felső indexből áll.

A ponthibák klasztereket alkothatnak (például: Frenkel-pár , Schottky-defektus  - egy atom, amely a felszínre került vagy diszlokációba került üresedés kialakulásával - és sok más), klasztereket (például két szomszédos üresedés - bivacancia), töltött állapotba kerül (ionizálódik), azaz donor vagy akceptor szerepét tölti be.

A lineáris hibák közé tartoznak a diszlokációk és diszlinációk.

A kétdimenziós tökéletlenségek közé tartoznak a fázison belüli és a fázisok közötti határok.

A tömeges (háromdimenziós) hibák közé tartozik a pórusokat és csatornákat képező üres helyek felhalmozódása; különböző hibákon (díszítés) leülepedő részecskék, például gázbuborékok, anyalúgbuborékok; szennyeződések felhalmozódása szektorok (homokórák) és növekedési zónák formájában. Általában ezek pórusok vagy szennyeződési fázisok zárványai. Sok hiba halmaza. Eredet - a kristálynövekedési rend megsértése, a túltelített szilárd oldat bomlása, a minták szennyeződése. Egyes esetekben (például csapadékos edzés során) szándékosan térfogati hibákat visznek be az anyagba, hogy megváltoztassák annak fizikai tulajdonságait.

A hibákat termodinamikailag egyensúlyi és termodinamikailag nem egyensúlyi állapotokra osztjuk.

A ponthibákat termodinamikai egyensúlynak nevezzük, amelynek jelenlétében a rendszer energiája kisebb, mint hiányuk esetén. Ez az energiacsökkenés az entrópia növekedésének rovására megy. Ilyen hibák csak azok közé tartoznak, amelyek energiáját a rendszer hőenergiájának ingadozása biztosítja.

Az összes többi ponthiba, valamint az összes egy-, két- és háromdimenziós hiba termodinamikailag nem egyensúlyi állapotú, és elvileg nélkülük is előállítható kristály.

Elektromos vezetőképesség

Mágnesesség

Fázisátmenetek

Irodalom

Jegyzetek

  1. ↑ Kittel C. Bevezetés a szilárdtestfizikába. - M .: MediaStar LLC, 2006. - S. 78.
  2. ↑ Gorelik S. S., Dashevsky M. Ya. Félvezetők és dielektrikumok anyagtudománya. - M.: MISiS, 2003. - S. 250.

Lásd még

 Statisztikai fizika szakaszai
Kondenzált anyag fizika
 Anyagtudományi szekciók
Alapvető definíciók
Fő irányok
Általános szempontok
Egyéb fontos útmutatások
Kapcsolódó tudományok