Физика твёрдого тела: различия между версиями

Геометрически правильная внешняя форма кристаллов, образующихся в природных или лабораторных условиях, натолкнула ученыхучёных ещё в [[XVII век]]е на мысль, что кристаллы образуются посредством регулярного повторения в пространстве одного и того же структурного элемента. При росте кристалла в идеальных условиях форма его в течение всего роста остается неизменной, как если бы к растущему кристаллу непрерывно присоединялись бы элементарные кирпичики. Сейчас известно, что такими элементарными кирпичиками являются [[атом]]ы или группы атомов. Кристаллы состоят из атомных рядов, периодически повторяющихся в пространстве и образующих кристаллическую решетку. В [[XVIII век]]е минералогами было сделано важное открытие: оказалось, что индексы, определяющие положение в пространстве любой грани кристалла, суть [[целые числа]]. [[Гаюи, Рене Жюст|Гаюи]] показал, что это можно объяснить расположением идентичных частичек в ряды, периодически повторяющиеся в пространстве. В [[1824 год]]у Зибер из Фрайбурга предположил, что элементарные составляющие кристаллов («кирпичики», атомы) являются маленькими сферами. Он предложил эмпирический закон межатомной силы с учётом как сил притяжения, так и сил отталкивания между атомами, что было необходимо для того, чтобы кристаллическая решетка была стабильным равновесным состоянием системы идентичных атомов.

Пожалуй, наиболее важной датой в истории физики твердоготвёрдого тела является [[8 июня]] [[1912 год]]а. В этот день в Баварской Академии наук в [[Мюнхен]]е слушался доклад «[[Интерференция (физика)|Интерференция]] [[Рентгеновское излучение|рентгеновских лучей]]». В первой части доклада [[Лауэ, Макс фон|Лауэ]] выступил с изложением элементарной теории [[дифракция|дифракции]] рентгеновских лучей на периодическом атомном ряду. Во второй части доклада [[Фридрих, Вальтер|Фридрих]] и [[Книппинг, Пауль|Книппинг]] сообщили о первых экспериментальных наблюдениях дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. Этой работой было показано, что рентгеновские лучи являются волнами, так как они способны дифрагировать. Работа неопровержимо доказала также, что кристаллы состоят из периодических рядов атомов. С этого дня началась та физика твердоготвёрдого тела, какой мы знаем её сегодня. В годы, непосредственно следующие за 1912 годом, в физике твердоготвёрдого тела было сделано много важных пионерских работ. Первыми кристаллическими структурами, определенными [[Брэгг, Уильям Лоренс|У. Л. Брэггом]] в [[1913 год]]а с помощью рентгеновского дифракционного анализа, были структуры кристаллов [[KCl]], [[NaCl]], [[KBr]] и [[Иодид калия|KI]].

В [[1930-е годы]] работами [[Гейзенберг, Вернер|В. Гейзенберга]], [[Паули, Вольфганг|Паули]], [[Борн, Макс|М. БopнаБорна]] были созданы основы квантово-механической теории твёрдого тела, что позволило объяснить и прогнозировать интересные физические эффекты в твердыхтвёрдых телах. Ускоряли формирование физики твердоготвёрдого тела потребности нарождающейся твердотельной электроники в новых сверхчистых материалах. Здесь можно указать важнейшее событие — открытие в [[1948]] г. [[Шокли, Уильям Брэдфорд|У. Шокли]], [[Браттейн, Уолтер Хаузер|У. Браттейном]] и [[Бардин, Джон|Дж. Бардином]] усилительных свойств [[транзистор]]а.

Кристаллы — это твердыетвёрдые вещества, в которых атомы располагаются правильным образом относительно друг друга. Эту правильность их относительного взаимного расположения можно описать на основе понятий симметрии; элементы симметрии кристалла определяют симметрию его физических свойств.

Из всех состояний вещества твёрдое тело имеет наименьшую свободную энергию, и поэтому является равновесным при умеренных и низких температурах. Частицы твердоготвёрдого тела объединяются друг с другом с помощью химических связей. Уравнение для энергии связи любого типа может быть представлено в виде двучленного выражения, содержащего члены, отвечающие за энергию притяжения и энергию отталкивания. Суммарная энергия связи для кристалла имеет вид кривой, имеющей единственный минимум. Поэтому в каждом направлении частицы твердоготвёрдого тела располагаются в единственно возможных равновесных положениях, соответствующих минимуму энергии в данном направлении. Возникает строгая трехмернаятрёхмерная периодичность положения частиц, образующих твердоетвёрдое тело. Эта периодичность объясняет огранку кристаллов и анизотропию их свойств.

Идеальный кристалл твердоготвёрдого тела можно получить путемпутём бесконечного повторения в пространстве определенной группы атомов или молекул данного вещества. В наиболее простом случае такая структурная единица состоит из одного атома. В более сложных веществах такая структурная единица содержит десятки и сотни, а в кристаллах белков — тысячи атомов или молекул.

Для описания периодического распределения отражающей способности кристалла по отношению к рентгеновским лучам вводят понятие обратной решетки. Основные векторы обратной решетки в физике твердоготвёрдого тела вводятся соотношениями:

В кристаллографии обычно опускают в этих соотношениях множитель <math> 2 \pi </math>; большинство же физиков множитель <math> 2 \pi </math> оставляют. Иногда этот вопрос становится предметом споров между кристаллографами и твердотельщиками<ref>''Киттель Ч.'' Введение в физику твердоготвёрдого тела. — М.: ООО «МедиаСтар», 2006. — С. 78.</ref>.

Все реальные твердыетвёрдые тела, как монокристаллические, так и поликристаллические, содержат так называемые структурные дефекты, типы, концентрация, поведение которых весьма разнообразны и зависят от природы, условий получения материалов и характера внешних воздействий. Большинство дефектов, созданных внешним воздействием, термодинамически неустойчиво, а состояние системы в этом случае является возбужденнымвозбуждённым (неравновесным). Таким внешним воздействием может быть температура, давление, облучение частицами и квантами высоких энергий, введение примесей, фазовый наклепнаклёп при полиморфных и других превращениях, механическое воздействие и т. п. Переход в равновесное состояние (релаксация) может проходить разными путями и, как правило, реализуется посредством ряда метастабильных состояний<ref>''Горелик С. С., Дашевский М. Я.'' Материаловедение полупроводников и диэлектриков. — М.: МИСиС, 2003. — С. 250.</ref>.

* Объемные (трехмерныетрёхмерные, N=3);

К объемным (трехмернымтрёхмерным) дефектам относят скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например, пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердоготвёрдого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Все остальные точечные дефекты, а также все одно-, двух- и трехмерныетрёхмерные дефекты относятся к термодинамически неравновесным, и кристалл принципиально может быть получен без них.

| заглавие = Физика твердоготвёрдого тела: В двух томах

| заглавие = Введение в физику твердоготвёрдого тела

| заглавие = Основы физики твердоготвёрдого тела