Fasta tillståndets fysik

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 februari 2021; kontroller kräver 6 redigeringar .

Fasta tillståndets fysik  är en gren av den kondenserade materiens fysik , vars uppgift är att beskriva de fysiska egenskaperna hos fasta ämnen utifrån deras atomstruktur . Intensivt utvecklad under XX-talet efter upptäckten av kvantmekaniken . Utvecklingen stimulerades av ett brett spektrum av viktiga tillämpade problem, i synnerhet utvecklingen av halvledarteknologi .

För närvarande har fasta tillståndets fysik brutit upp i ett stort antal mindre områden.

Historik

Kristaller av många mineraler och ädelstenar var kända och beskrevs för flera årtusenden sedan. En av de tidigaste skisserna av kristaller finns i den kinesiska farmakopén från 1000-talet e.Kr. Kvartskristaller från den kejserliga kronan, bevarade från 768 AD, finns i Shosoin , de japanska kejsarnas skattkammare i Nara . Till en början kallades bara is en kristall, och sedan kvarts , som ansågs vara förstenad is. I slutet av medeltiden började ordet "kristall" användas i en mer allmän betydelse.

Den geometriskt korrekta yttre formen av kristaller som bildas under naturliga eller laboratorieförhållanden fick forskare redan på 1600-talet att tänka att kristaller bildas genom regelbunden upprepning av samma strukturella element i rymden. När en kristall växer under idealiska förhållanden förblir dess form oförändrad under hela dess tillväxt, som om elementära tegelstenar kontinuerligt fästs vid den växande kristallen. Det är nu känt att sådana elementära byggstenar är atomer eller grupper av atomer. Kristaller består av atomrader, som periodvis upprepas i rymden och bildar ett kristallgitter. På 1700-talet gjorde mineraloger en viktig upptäckt: det visade sig att indexen som bestämmer positionen i rymden av en kristalls yta är heltal . Hayuy visade att detta kan förklaras av arrangemanget av identiska partiklar i rader, som periodvis upprepas i rymden. 1824 föreslog Sieber av Freiburg att de elementära beståndsdelarna i kristaller ("tegelstenarna", atomer) är små sfärer. Han föreslog en empirisk lag för interatomisk kraft, med hänsyn till både attraktionskrafterna och repulsionskrafterna mellan atomer, vilket var nödvändigt för att kristallgittret skulle vara ett stabilt jämviktstillstånd för ett system av identiska atomer.

Det kanske viktigaste datumet i fasta tillståndets fysiks historia är den 8 juni 1912 . Den här dagen på den bayerska vetenskapsakademin i München lyssnade på rapporten " Interference of X-rays ". I den första delen av rapporten presenterade Laue den elementära teorin om röntgendiffraktion genom den periodiska atomserien. I den andra delen av rapporten rapporterade Friedrich och Knipping de första experimentella observationerna av röntgendiffraktion i kristaller. Detta arbete visade att röntgenstrålar är vågor, eftersom de kan diffraktera. Arbetet bevisade också ovedersägligt att kristaller är sammansatta av periodiska rader av atomer. Från den dagen började den fasta tillståndets fysik som vi känner den idag. Under åren omedelbart efter 1912 gjordes många viktiga banbrytande arbeten inom fasta tillståndets fysik. De första kristallstrukturerna som identifierades av W. L. Bragg 1913 med användning av röntgendiffraktionsanalys var de av KCl- , NaCl- , KBr- och KI - kristaller .

Efter upptäckten av röntgendiffraktion och publiceringen av en serie enkla och mycket framgångsrika verk med beräkningar och förutsägelser av egenskaperna hos kristallina ämnen, började en grundläggande studie av kristallernas atomära struktur.

På 1930 -talet skapade verk av W. Heisenberg , Pauli , M. Born grunden för den kvantmekaniska teorin om fasta ämnen, vilket gjorde det möjligt att förklara och förutsäga intressanta fysiska effekter i fasta ämnen. Behovet av framväxande solid state elektronik i nya ultrarena material påskyndade bildningen av solid state fysik. Här kan du ange den viktigaste händelsen - upptäckten 1948 av W. Shockley , W. Brattain och J. Bardeen av transistorns förstärkande egenskaper .

För närvarande används metoderna och teorin om fasta ämnen, utvecklade för att beskriva egenskaperna och strukturen hos enkristaller, i stor utsträckning för att erhålla och studera nya material: kompositer och nanostrukturer , kvasikristaller och amorfa kroppar . Fasta tillståndets fysik fungerar som grunden för att studera fenomenen med högtemperatursupraledning , jättemagnetoresistans och många andra lovande moderna vetenskapsintensiva teknologier.

Fasta tillståndets fysik handlar i huvudsak om upprättandet av ett samband mellan egenskaperna hos enskilda atomer och molekyler och de egenskaper som hittas när atomer eller molekyler kombineras till gigantiska associationer i form av regelbundet ordnade system - kristaller. Dessa egenskaper kan förklaras utifrån enkla fysikaliska modeller av fasta ämnen. Riktiga kristaller och amorfa fasta ämnen är mycket mer komplexa, men effektiviteten och användbarheten av enkla modeller kan knappast överskattas. Ämnet för detta vetenskapsområde är först och främst egenskaperna hos ämnen i fast tillstånd, deras förhållande till den mikroskopiska strukturen och sammansättningen, heuristisk förutsägelse och sökandet efter nya material och fysiska effekter i dem. I själva verket tjänar fasta tillståndets fysik som grunden för fysisk materialvetenskap .

Kristallfysik

Kristaller är fasta ämnen där atomerna är ordnade på rätt sätt i förhållande till varandra. Denna riktighet av deras relativa inbördes arrangemang kan beskrivas utifrån begreppen symmetri; symmetrielementen i en kristall bestämmer symmetrin hos dess fysikaliska egenskaper.

Kristaller anses generellt vara regelbundna i form med plana ytor och raka kanter. Symmetrin och regelbundenhet hos den yttre formen av kristallina polyedrar är en distinkt, men inte obligatorisk egenskap. Kristaller som inte är polyedriska odlas ofta under fabriks- och laboratorieförhållanden, vilket dock inte förändrar deras egenskaper.

Av alla materiens tillstånd har en fast kropp den lägsta fria energin och är därför i jämvikt vid måttliga och låga temperaturer. Partiklarna i en fast kropp är förbundna med varandra med hjälp av kemiska bindningar. Ekvationen för bindningsenergin av vilken typ som helst kan representeras som ett tvåtermsuttryck som innehåller termer som är ansvariga för attraktionsenergin och avstötningsenergin. Den totala bindningsenergin för en kristall har formen av en kurva med ett enda minimum. Därför är partiklarna i en fast kropp i varje riktning placerade i de enda möjliga jämviktspositionerna som motsvarar minimienergin i denna riktning. Det finns en strikt tredimensionell periodicitet i positionen för partiklar som bildar en fast kropp. Denna periodicitet förklarar facetteringen av kristaller och anisotropin av deras egenskaper.

En idealisk kristall av en fast kropp kan erhållas genom ändlös upprepning i rymden av en viss grupp av atomer eller molekyler av en given substans. I det enklaste fallet består en sådan strukturell enhet av en atom. I mer komplexa ämnen innehåller en sådan strukturell enhet tiotals och hundratals, och i proteinkristaller tusentals atomer eller molekyler.

Kristallstrukturen beskrivs med hjälp av en parallellepipedformad elementarcell som periodiskt upprepas i rymden, och en bas - en uppsättning koordinater av atomer inom elementarcellen. Var och en av dessa elementära celler kan tilldelas en av syngonierna (enligt formen på den elementära cellen) eller kristallsystem (beroende på uppsättningen av kristallsymmetrielement). Beroende på uppsättningen av elementära översättningar är kristallgitter uppdelade i fjorton Bravais-gitter .

Omvänt gitter

En kristalls rumsliga gitter är olämpligt för analys av vågprocesser i en kristall. För att beskriva den periodiska fördelningen av en kristalls reflektionsförmåga med avseende på röntgenstrålar, introduceras konceptet med ett reciprokt gitter. Huvudvektorerna för det ömsesidiga gittret i fasta tillståndets fysik introduceras av relationerna:

Dessa vektorer har dimensionen reciprok längd. I kristallografi utelämnas faktorn vanligtvis i dessa förhållanden ; de flesta fysiker lämnar multiplikatorn. Ibland blir denna fråga föremål för kontroverser mellan kristallografer och solid state-forskare [1] . Egentligen finns det ingen motsägelse här, det är en fråga om bekvämlighet, frånvaron av en multiplikator kan förenkla vissa matematiska beräkningar.

Kristallgittret är ett galler i vanligt, verkligt utrymme. Ett reciprokt gitter är ett gitter i Fourierrymden. Med andra ord är det ömsesidiga gittret (reciprokt utrymme, momentumutrymme) Fouriertransformen av det direkta kristallgittret (framåtutrymmet).

Kristalldefekter

Alla verkliga fasta ämnen, både enkristallina och polykristallina, innehåller så kallade strukturella defekter, typer, koncentration, vars beteende är mycket varierande och beror på naturen, villkoren för att erhålla material och naturen av yttre påverkan. De flesta av defekterna som skapas av en yttre verkan är termodynamiskt instabila, och systemets tillstånd är i detta fall exciterat (ingen jämvikt). En sådan yttre påverkan kan vara temperatur, tryck, bestrålning med partiklar och högenergikvanta, införande av föroreningar, fashärdning vid polymorfa och andra transformationer, mekanisk verkan etc. Övergången till ett jämviktstillstånd (relaxation) kan ske i olika sätt och som regel realiseras genom ett antal metastabila tillstånd [2] .

Defekter av en typ, som interagerar (rekombinerar) med defekter av samma eller annan typ, kan förinta eller bilda nya associationer av defekter. Dessa processer åtföljs av en minskning av systemets energi.

Enligt antalet riktningar N, där kränkningen av det periodiska arrangemanget av atomer i kristallgittret, orsakat av denna defekt, sträcker sig, särskiljs defekter:

I kristaller av elementära ämnen kallas vakanser och interstitiella atomer som punktdefekter. I kristaller av föreningar är också så kallade antistrukturella defekter möjliga. I fallet med närvaron av föroreningar i kristallen uppstår också defekter associerade med föroreningsatomer. Punktdefekter som inte är förknippade med närvaron av föroreningar kallas inneboende defekter, de som är förknippade med närvaron av föroreningar kallas föroreningar. För att beteckna punktdefekter används oftast ett system av symboler, bestående av en stor bokstav som indikerar typen av defekt, en nedsänkt som indikerar defektens position och en upphöjd som indikerar defektens laddningstillstånd.

Punktdefekter kan bilda kluster (till exempel: ett Frenkel-par , en Schottky-defekt  - en atom som har gått till ytan eller in i en dislokation med bildandet av en vakans - och många andra), kluster (till exempel två intilliggande vakanser - en bivakans), gå in i ett laddat tillstånd (jonisera), det vill säga spela rollen som donatorer eller acceptorer.

Linjära defekter inkluderar dislokationer och disklinationer.

Tvådimensionella ofullkomligheter inkluderar intrafas- och interfasgränser.

Bulk (tredimensionella) defekter inkluderar ansamlingar av vakanser som bildar porer och kanaler; partiklar som sätter sig på olika defekter (dekorering), till exempel gasbubblor, moderlutbubblor; ansamlingar av föroreningar i form av sektorer (timglas) och tillväxtzoner. Som regel är dessa porer eller inneslutningar av föroreningsfaser. De är ett konglomerat av många defekter. Ursprung - brott mot kristalltillväxtregimer, sönderdelning av en övermättad fast lösning, kontaminering av prover. I vissa fall (till exempel under utfällningshärdning) införs volymetriska defekter avsiktligt i materialet för att modifiera dess fysikaliska egenskaper.

Defekter delas in i termodynamiskt jämvikt och termodynamiskt icke-jämvikt.

Punktdefekter hänvisas till som termodynamiskt jämvikt, i närvaro av vilken systemets energi är mindre än i deras frånvaro. Denna minskning av energi kommer på bekostnad av en ökning av entropin. Sådana defekter inkluderar endast de vars energi kan tillhandahållas av fluktuationer i systemets termiska energi.

Alla andra punktdefekter, liksom alla en-, två- och tredimensionella defekter, är termodynamiskt icke-jämviktsmässigt, och en kristall kan i princip erhållas utan dem.

Elektrisk konduktivitet

Magnetism

Fasövergångar

Litteratur

Anteckningar

  1. ↑ Kittel C. Introduktion till fasta tillståndets fysik. - M .: MediaStar LLC, 2006. - S. 78.
  2. ↑ Gorelik S. S., Dashevsky M. Ya. Materialvetenskap för halvledare och dielektrika. - M.: MISiS, 2003. - S. 250.

Se även

 Avsnitt av statistisk fysik
Fysik av kondenserad materia
 Avsnitt av materialvetenskap
Grundläggande definitioner
Huvudriktningar
Allmänna aspekter
Andra viktiga anvisningar
Relaterade vetenskaper