Faststoffysik

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. februar 2021; checks kræver 6 redigeringer .

Faststoffysik  er en gren af ​​det kondenserede stofs fysik , hvis opgave er at beskrive faste stoffers fysiske egenskaber ud fra deres atomstruktur . Intensivt udviklet i det XX århundrede efter opdagelsen af ​​kvantemekanikken . Udviklingen blev stimuleret af en lang række vigtige anvendte problemer, især udviklingen af ​​halvlederteknologi .

På nuværende tidspunkt er faststoffysik brudt ind i en lang række mindre områder.

Historie

Krystaller af mange mineraler og ædelstene var kendt og beskrevet for flere årtusinder siden. En af de tidligste skitser af krystaller er indeholdt i den kinesiske farmakopé fra det 11. århundrede e.Kr. Kvartskrystaller fra den kejserlige krone, bevaret fra 768 e.Kr., er i Shosoin , de japanske kejseres skatkammer i Nara . Først blev kun is kaldt en krystal, og derefter kvarts , som blev anset for at være forstenet is. I slutningen af ​​middelalderen begyndte ordet "krystal" at blive brugt i en mere generel betydning.

Den geometrisk korrekte ydre form af krystaller dannet under naturlige eller laboratorieforhold fik videnskabsmænd tilbage i det 17. århundrede til ideen om, at krystaller dannes ved regelmæssig gentagelse af det samme strukturelle element i rummet. Når en krystal vokser under ideelle forhold, forbliver dens form uændret gennem hele væksten, som om elementære mursten konstant var knyttet til den voksende krystal. Det er nu kendt, at sådanne elementære byggesten er atomer eller grupper af atomer. Krystaller består af atomare rækker, der periodisk gentages i rummet og danner et krystalgitter. I det 18. århundrede gjorde mineraloger en vigtig opdagelse: det viste sig, at de indekser, der bestemmer positionen i rummet af enhver overflade af en krystal, er heltal . Hayuy viste, at dette kan forklares ved arrangementet af identiske partikler i rækker, periodisk gentaget i rummet. I 1824 foreslog Sieber af Freiburg, at de elementære bestanddele af krystaller ("mursten", atomer) er små kugler. Han foreslog en empirisk lov om interatomisk kraft, der tog hensyn til både tiltrækningskræfterne og frastødningskræfterne mellem atomer, hvilket var nødvendigt for, at krystalgitteret kunne være en stabil ligevægtstilstand for et system af identiske atomer.

Den måske vigtigste dato i faststoffysikkens historie er den 8. juni 1912 . På denne dag på det bayerske videnskabsakademi i München lyttede til rapporten " Interference of X-rays ". I den første del af rapporten præsenterede Laue den elementære teori om røntgendiffraktion ved den periodiske atomserie. I anden del af rapporten rapporterede Friedrich og Knipping om de første eksperimentelle observationer af røntgendiffraktion i krystaller. Dette arbejde viste, at røntgenstråler er bølger, da de er i stand til at diffraktere. Værket beviste også uigendriveligt, at krystaller er sammensat af periodiske rækker af atomer. Fra den dag begyndte den faststoffysik, som vi kender den i dag. I årene umiddelbart efter 1912 blev der udført mange vigtige banebrydende værker inden for faststoffysik. De første krystalstrukturer identificeret af W. L. Bragg i 1913 ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse var dem af KCl- , NaCl- , KBr- og KI-krystaller .

Efter opdagelsen af ​​røntgendiffraktion og udgivelsen af ​​en række enkle og meget vellykkede værker med beregninger og forudsigelser af krystallinske stoffers egenskaber begyndte en grundlæggende undersøgelse af krystallernes atomare struktur.

I 1930'erne skabte værkerne af W. Heisenberg , Pauli , M. Born grundlaget for den kvantemekaniske teori om faste stoffer, som gjorde det muligt at forklare og forudsige interessante fysiske effekter i faste stoffer. Behovet for ny faststofelektronik i nye ultrarene materialer accelererede dannelsen af ​​faststoffysik. Her kan du angive den vigtigste begivenhed - opdagelsen i 1948 af W. Shockley , W. Brattain og J. Bardeen af ​​transistorens forstærkende egenskaber .

På nuværende tidspunkt er metoderne og teorien om faste stoffer, udviklet til at beskrive egenskaberne og strukturen af ​​enkeltkrystaller, i vid udstrækning brugt til at opnå og studere nye materialer: kompositter og nanostrukturer , kvasikrystaller og amorfe legemer . Faststoffysik tjener som grundlag for at studere fænomenerne højtemperatursuperledning , gigantisk magnetoresistens og mange andre lovende moderne videnskabsintensive teknologier.

Faststoffysik handler i bund og grund om etableringen af ​​en forbindelse mellem de enkelte atomers og molekylers egenskaber og de egenskaber, der findes, når atomer eller molekyler kombineres til gigantiske associationer i form af regelmæssigt ordnede systemer - krystaller. Disse egenskaber kan forklares ud fra simple fysiske modeller af faste stoffer. Ægte krystaller og amorfe faste stoffer er meget mere komplekse, men effektiviteten og anvendeligheden af ​​simple modeller kan næppe overvurderes. Emnet for dette videnskabsområde er først og fremmest egenskaberne af stoffer i fast tilstand, deres forhold til den mikroskopiske struktur og sammensætning, heuristisk forudsigelse og søgen efter nye materialer og fysiske effekter i dem. Faktisk tjener faststoffysik som grundlaget for fysisk materialevidenskab .

Krystalfysik

Krystaller er faste stoffer, hvor atomerne er arrangeret på den rigtige måde i forhold til hinanden. Denne rigtighed af deres relative indbyrdes arrangement kan beskrives ud fra symmetribegreberne; symmetrielementerne i en krystal bestemmer symmetrien af ​​dens fysiske egenskaber.

Krystaller anses generelt for at være regelmæssige i form med flade flader og lige kanter. Symmetrien og regelmæssigheden af ​​den ydre form af krystallinske polyedre er et karakteristisk, men ikke obligatorisk træk. Krystaller, der ikke er polyedriske, dyrkes ofte under fabriks- og laboratorieforhold, hvilket dog ikke ændrer deres egenskaber.

Af alle materiens tilstande har et fast legeme den laveste frie energi og er derfor i ligevægt ved moderate og lave temperaturer. Partiklerne i et fast legeme er forbundet med hinanden ved hjælp af kemiske bindinger. Ligningen for bindingsenergien af ​​enhver type kan repræsenteres som et to-term udtryk, der indeholder udtryk, der er ansvarlige for tiltrækningsenergien og frastødningsenergien. Den samlede bindingsenergi for en krystal har form af en kurve med et enkelt minimum. Derfor er partiklerne i et fast legeme i hver retning placeret i de eneste mulige ligevægtspositioner svarende til minimumsenergien i denne retning. Der er en streng tredimensionel periodicitet i positionen af ​​partikler, der danner et fast legeme. Denne periodicitet forklarer facettering af krystaller og anisotropien af ​​deres egenskaber.

En ideel krystal af et fast legeme kan opnås ved endeløs gentagelse i rummet af en bestemt gruppe af atomer eller molekyler af et givet stof. I det simpleste tilfælde består en sådan strukturel enhed af et atom. I mere komplekse stoffer indeholder en sådan strukturel enhed tiere og hundreder, og i proteinkrystaller tusindvis af atomer eller molekyler.

Krystalstrukturen er beskrevet ved hjælp af en parallelepipedumformet elementær celle, der periodisk gentager sig i rummet, og en basis - et sæt koordinater af atomer i den elementære celle. Hver af disse elementære celler kan tildeles en af ​​syngonierne (i henhold til formen af ​​den elementære celle) eller krystalsystemer (afhængigt af sættet af krystalsymmetrielementer). Afhængigt af sættet af elementære oversættelser er krystalgitter underopdelt i fjorten Bravais-gitre .

Omvendt gitter

En krystals rumlige gitter er uegnet til analyse af bølgeprocesser i en krystal. For at beskrive den periodiske fordeling af en krystals reflektivitet med hensyn til røntgenstråler introduceres begrebet et gensidigt gitter. Hovedvektorerne af det gensidige gitter i faststoffysik introduceres af relationerne:

Disse vektorer har dimensionen gensidig længde. I krystallografi er faktoren sædvanligvis udeladt i disse forhold ; de fleste fysikere forlader multiplikatoren. Nogle gange bliver dette spørgsmål genstand for kontrovers mellem krystallografer og solid state-videnskabsmænd [1] . Faktisk er der ingen modsigelse her, det er et spørgsmål om bekvemmelighed, fraværet af en multiplikator kan forenkle nogle matematiske beregninger.

Krystalgitteret er et gitter i almindeligt, virkeligt rum. Et gensidigt gitter er et gitter i Fourier-rummet. Med andre ord er det reciproke gitter (reciprokt rum, momentumrum) Fourier-transformationen af ​​det direkte krystalgitter (fremadrum).

Krystaldefekter

Alle rigtige faste stoffer, både enkeltkrystallinske og polykrystallinske, indeholder såkaldte strukturelle defekter, typer, koncentration, hvis adfærd er meget forskelligartet og afhænger af arten, betingelserne for at opnå materialer og arten af ​​ydre påvirkninger. De fleste af defekterne skabt af en ekstern handling er termodynamisk ustabile, og systemets tilstand er i dette tilfælde exciteret (ingen ligevægt). En sådan ydre påvirkning kan være temperatur, tryk, bestråling med partikler og højenergikvanter, indføring af urenheder, fasehærdning under polymorfe og andre transformationer, mekanisk påvirkning osv. Overgangen til ligevægtstilstand (afslapning) kan forekomme i forskellige måder og er som regel realiseret gennem en række metastabile tilstande [2] .

Defekter af en type, der interagerer (rekombinerer) med defekter af samme eller en anden type, kan tilintetgøre eller danne nye associationer af defekter. Disse processer er ledsaget af et fald i systemets energi.

I henhold til antallet af retninger N, hvori krænkelsen af ​​det periodiske arrangement af atomer i krystalgitteret, forårsaget af denne defekt, strækker sig, skelnes defekter:

I krystaller af elementære stoffer omtales ledige pladser og interstitielle atomer som punktdefekter. I krystaller af forbindelser er såkaldte antistrukturelle defekter også mulige. I tilfælde af tilstedeværelse af urenheder i krystallen opstår der også defekter forbundet med urenhedsatomer. Punktdefekter, der ikke er forbundet med tilstedeværelsen af ​​urenheder, kaldes iboende defekter, dem, der er forbundet med tilstedeværelsen af ​​urenheder, kaldes urenheder. Til at udpege punktdefekter bruges oftest et symbolsystem, der består af et stort bogstav, der angiver defektens type, et underskrift, der angiver defektens position, og en hævet skrift, der angiver defektens ladetilstand.

Punktdefekter kan danne klynger (for eksempel: et Frenkel-par , en Schottky-defekt  - et atom, der er gået til overfladen eller i en dislokation med dannelsen af ​​en ledig plads - og mange andre), klynger (for eksempel to tilstødende ledige - en bivacancy), gå i en ladet tilstand (ionisere), det vil sige spille rollen som donorer eller acceptorer.

Lineære defekter omfatter dislokationer og disklinationer.

Todimensionelle ufuldkommenheder omfatter intrafase- og interfasegrænser.

Bulk-defekter (tredimensionelle) omfatter ophobninger af ledige pladser, der danner porer og kanaler; partikler, der sætter sig på forskellige defekter (udsmykning), for eksempel gasbobler, moderludsbobler; ophobninger af urenheder i form af sektorer (timeglas) og vækstzoner. Som regel er disse porer eller indeslutninger af urenhedsfaser. De er et konglomerat af mange defekter. Oprindelse - krænkelse af krystalvækstregimer, nedbrydning af en overmættet fast opløsning, forurening af prøver. I nogle tilfælde (for eksempel under udfældningshærdning) indføres volumetriske defekter bevidst i materialet for at ændre dets fysiske egenskaber.

Defekter opdeles i termodynamisk ligevægt og termodynamisk ikke-ligevægt.

Punktdefekter omtales som termodynamisk ligevægt, hvor systemets energi er mindre end i deres fravær. Dette fald i energi kommer på bekostning af en stigning i entropi. Sådanne defekter omfatter kun dem, hvis energi kan tilvejebringes af fluktuationer i systemets termiske energi.

Alle andre punktdefekter, samt alle en-, to- og tredimensionelle defekter, er termodynamisk uligevægtige, og en krystal kan i princippet opnås uden dem.

Elektrisk ledningsevne

Magnetisme

Faseovergange

Litteratur

Noter

  1. ↑ Kittel C. Introduktion til faststoffysik. - M .: MediaStar LLC, 2006. - S. 78.
  2. ↑ Gorelik S. S., Dashevsky M. Ya. Materialevidenskab af halvledere og dielektriske stoffer. - M.: MISiS, 2003. - S. 250.

Se også

 Afsnit af statistisk fysik
Fysik af kondenseret stof
 Afsnit af materialevidenskab
Grundlæggende definitioner
Hovedretninger
Generelle aspekter
Andre vigtige retninger
Beslægtede videnskaber