Fyzika pevných látek

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. února 2021; kontroly vyžadují 6 úprav .

Fyzika pevných látek  je obor fyziky kondenzovaných látek , jehož úkolem je popsat fyzikální vlastnosti pevných látek z hlediska jejich atomové struktury. Intenzivně se rozvinul ve XX století po objevu kvantové mechaniky . Vývoj byl stimulován širokou škálou důležitých aplikovaných problémů, zejména rozvojem polovodičové technologie .

V současnosti se fyzika pevných látek rozpadla na velké množství menších oblastí.

Historie

Krystaly mnoha minerálů a drahých kamenů byly známy a popsány před několika tisíciletími. Jeden z prvních nákresů krystalů je obsažen v čínském lékopisu z 11. století našeho letopočtu. Krystaly křemene z císařské koruny, dochované z roku 768 našeho letopočtu, jsou v Shosoinu , pokladnici japonských císařů v Naře . Nejprve se krystalem nazýval pouze led a poté křemen , který byl považován za zkamenělý led. Na konci středověku se slovo „krystal“ začalo používat v obecnějším smyslu.

Geometricky správný vnější tvar krystalů vzniklých v přírodních nebo laboratorních podmínkách podnítil vědce již v 17. století k myšlence, že krystaly vznikají pravidelným opakováním stejného konstrukčního prvku v prostoru. Když krystal roste za ideálních podmínek, jeho tvar zůstává po celou dobu růstu nezměněn, jako by byly k rostoucímu krystalu průběžně připojovány elementární cihly. Nyní je známo, že takové základní stavební bloky jsou atomy nebo skupiny atomů. Krystaly se skládají z atomových řad, periodicky se opakujících v prostoru a tvořících krystalovou mřížku. V 18. století učinili mineralogové důležitý objev: ukázalo se, že indexy, které určují polohu libovolné plochy krystalu v prostoru, jsou celá čísla . Hayuy ukázal, že to lze vysvětlit uspořádáním identických částic v řadách, periodicky se opakujících v prostoru. V roce 1824 Sieber z Freiburgu navrhl, že základními složkami krystalů ("cihly", atomy) jsou malé koule. Navrhl empirický zákon meziatomové síly, zohledňující jak síly přitažlivosti, tak síly odpuzování mezi atomy, což bylo nezbytné pro to, aby krystalová mřížka byla stabilním rovnovážným stavem systému identických atomů.

Snad nejdůležitějším datem v historii fyziky pevných látek je 8. červen 1912 . V tento den si Bavorská akademie věd v Mnichově vyslechla zprávu " Rentgenové rušení ". V první části zprávy Laue představil elementární teorii difrakce rentgenového záření periodickou atomovou řadou. V druhé části zprávy Friedrich a Knipping uvedli první experimentální pozorování rentgenové difrakce v krystalech. Tato práce ukázala, že rentgenové záření jsou vlny, protože se mohou ohýbat. Práce také nezvratně prokázala, že krystaly jsou složeny z periodických řad atomů. Od toho dne začala fyzika pevných látek, jak ji známe dnes. V letech bezprostředně následujících po roce 1912 bylo provedeno mnoho důležitých průkopnických prací ve fyzice pevných látek. První krystalové struktury identifikované W. L. Braggem v roce 1913 pomocí rentgenové difrakční analýzy byly krystaly KCl , NaCl , KBr a KI .

Po objevu rentgenové difrakce a publikaci řady jednoduchých a velmi úspěšných prací s výpočty a předpověďmi vlastností krystalických látek začalo zásadní studium atomové struktury krystalů.

Ve 30. letech 20. století vytvořily práce W. Heisenberga , Pauliho , M. Borna základy kvantově mechanické teorie pevných látek, které umožnily vysvětlit a předpovědět zajímavé fyzikální jevy v pevných látkách. Potřeba nově vznikající elektroniky pevných látek v nových ultračistých materiálech urychlila formování fyziky pevných látek. Zde můžete uvést nejdůležitější událost - objev zesilovacích vlastností tranzistoru v roce 1948 W. Shockleym , W. Brattainem a J. Bardeenem .

V současné době se metody a teorie pevných látek, vyvinuté k popisu vlastností a struktury monokrystalů, široce používají k získávání a studiu nových materiálů: kompozitů a nanostruktur , kvazikrystalů a amorfních těles . Fyzika pevných látek slouží jako základ pro studium jevů vysokoteplotní supravodivosti , obří magnetorezistence a mnoha dalších slibných moderních vědecky náročných technologií.

Fyzika pevných látek v podstatě spočívá v navázání spojení mezi vlastnostmi jednotlivých atomů a molekul a vlastnostmi zjištěnými při spojení atomů nebo molekul do obřích asociací ve formě pravidelně uspořádaných systémů - krystalů. Tyto vlastnosti lze vysvětlit na základě jednoduchých fyzikálních modelů pevných látek. Skutečné krystaly a amorfní pevné látky jsou mnohem složitější, ale účinnost a užitečnost jednoduchých modelů lze jen stěží přeceňovat. Předmětem tohoto vědního oboru jsou především vlastnosti látek v pevném skupenství, jejich vztah k mikroskopické stavbě a složení, heuristická predikce a hledání nových materiálů a fyzikálních účinků v nich. Ve skutečnosti fyzika pevných látek slouží jako základ pro vědu o fyzikálních materiálech .

Fyzika krystalů

Krystaly jsou pevné látky, ve kterých jsou atomy vůči sobě uspořádány správným způsobem. Tuto správnost jejich vzájemného vzájemného uspořádání lze popsat na základě pojmů symetrie; prvky symetrie krystalu určují symetrii jeho fyzikálních vlastností.

Krystaly jsou obecně považovány za pravidelný tvar s plochými plochami a rovnými hranami. Symetrie a pravidelnost vnější formy krystalických mnohostěnů je výrazným, nikoli však povinným znakem. Krystaly, které nejsou polyedrické, se často pěstují v továrních a laboratorních podmínkách, což však nemění jejich vlastnosti.

Pevné těleso má ze všech skupenství hmoty nejnižší volnou energii, a proto je při středních a nízkých teplotách v rovnováze. Částice pevného tělesa jsou navzájem spojeny pomocí chemických vazeb. Rovnici pro vazebnou energii jakéhokoli typu lze reprezentovat jako dvoučlenný výraz obsahující členy, které jsou zodpovědné za energii přitažlivosti a energii odpuzování. Celková vazebná energie pro krystal má tvar křivky s jediným minimem. Proto se v každém směru částice pevného tělesa nacházejí v jediných možných rovnovážných polohách odpovídajících minimální energii v tomto směru. V poloze částic, které tvoří pevné těleso, je přísná trojrozměrná periodicita. Tato periodicita vysvětluje fasetování krystalů a anizotropii jejich vlastností.

Ideální krystal pevného tělesa lze získat nekonečným opakováním v prostoru určité skupiny atomů nebo molekul dané látky. V nejjednodušším případě se taková strukturní jednotka skládá z jednoho atomu. Ve složitějších látkách obsahuje taková strukturní jednotka desítky a stovky a v krystalech bílkovin tisíce atomů nebo molekul.

Krystalová struktura je popsána pomocí elementární buňky ve tvaru rovnoběžnostěnu periodicky se opakující v prostoru a základem - souborem souřadnic atomů v elementární buňce. Každá z těchto elementárních buněk může být přiřazena k jedné ze syngonií (podle tvaru elementární buňky) nebo krystalových soustav (v závislosti na množině prvků krystalové symetrie). V závislosti na sadě elementárních překladů jsou krystalové mřížky rozděleny do čtrnácti Bravaisových mřížek .

Inverzní mřížka

Prostorová mřížka krystalu je nevhodná pro analýzu vlnových procesů v krystalu. Pro popis periodického rozložení odrazivosti krystalu vzhledem k rentgenovému záření je zaveden koncept reciproké mřížky. Hlavní vektory reciproké mřížky ve fyzice pevných látek jsou zavedeny vztahy:

Tyto vektory mají rozměr reciproké délky. V krystalografii se faktor v těchto poměrech obvykle vynechává ; většina fyziků opouští násobitel. Někdy se tato otázka stává předmětem sporu mezi krystalografy a vědci v pevné fázi [1] . Ve skutečnosti zde není žádný rozpor, jde o pohodlnost, absence násobiče může některé matematické výpočty zjednodušit.

Krystalová mřížka je mřížka v běžném reálném prostoru. Reciproká mřížka je mřížka ve Fourierově prostoru. Jinými slovy, reciproká mřížka (reciproký prostor, prostor hybnosti) je Fourierova transformace přímé krystalové mřížky (dopředný prostor).

Vady krystalů

Všechny skutečné pevné látky, monokrystalické i polykrystalické, obsahují tzv. strukturní vady, druhy, koncentrace, jejichž chování je velmi různorodé a závisí na povaze, podmínkách získávání materiálů a povaze vnějších vlivů. Většina defektů vzniklých vnějším působením je termodynamicky nestabilní a stav systému je v tomto případě excitovaný (nerovnovážný). Takovým vnějším vlivem může být teplota, tlak, ozáření částicemi a vysokoenergetickými kvanty, vnášení nečistot, fázové vytvrzování při polymorfních a jiných přeměnách, mechanické působení apod. K přechodu do rovnovážného stavu (relaxaci) může dojít v různých způsoby a zpravidla se realizuje prostřednictvím řady metastabilních stavů [2] .

Vady jednoho typu, interagující (rekombinující se) s defekty stejného nebo jiného typu, mohou anihilovat nebo vytvářet nové asociace defektů. Tyto procesy jsou doprovázeny poklesem energie systému.

Podle počtu směrů N, ve kterých se prodlužuje narušení periodického uspořádání atomů v krystalové mřížce způsobené touto vadou, se rozlišují vady:

V krystalech elementárních látek se vakance a intersticiální atomy označují jako bodové defekty. V krystalech sloučenin jsou také možné tzv. antistrukturální defekty. V případě přítomnosti nečistot v krystalu vznikají i defekty spojené s atomy nečistot. Bodové vady, které nejsou spojeny s přítomností nečistot, se nazývají vnitřní vady, ty spojené s přítomností nečistot se nazývají nečistota. Pro označení bodových vad se nejčastěji používá systém symbolů složený z velkého písmene označujícího typ vady, dolního indexu označujícího polohu vady a horního indexu označujícího stav nabití vady.

Bodové defekty mohou tvořit shluky (například: Frenkelův pár , Schottkyho defekt  - atom, který se dostal na povrch nebo do dislokace s vytvořením vakance - a mnoho dalších), shluky (například dvě sousední vakance - bivakance), přejít do nabitého stavu (ionizovat), to znamená hrát roli dárců nebo akceptorů.

Mezi lineární vady patří dislokace a disklinace.

Mezi dvourozměrné nedokonalosti patří intrafázové a mezifázové hranice.

Hromadné (trojrozměrné) defekty zahrnují nahromadění prázdných míst, která tvoří póry a kanály; částice usazující se na různých defektech (zdobící), např. bublinky plynu, bublinky matečného louhu; hromadění nečistot ve formě sektorů (přesýpacích hodin) a růstových zón. Zpravidla se jedná o póry nebo inkluze fází nečistot. Jsou konglomerátem mnoha defektů. Vznik - porušení režimů růstu krystalů, rozklad přesyceného pevného roztoku, kontaminace vzorků. V některých případech (například při precipitačním vytvrzování) jsou do materiálu záměrně vnášeny objemové vady, aby se upravily jeho fyzikální vlastnosti.

Vady se dělí na termodynamicky rovnovážné a termodynamicky nerovnovážné.

Bodové defekty se označují jako termodynamicky rovnovážné, za jejichž přítomnosti je energie systému menší než za jejich nepřítomnosti. Tento pokles energie přichází na úkor zvýšení entropie. Mezi takové vady patří pouze ty, jejichž energie může být poskytnuta kolísáním tepelné energie systému.

Všechny ostatní bodové defekty, stejně jako všechny jedno-, dvou- a trojrozměrné defekty, jsou termodynamicky nerovnovážné a krystal lze v principu získat i bez nich.

Elektrická vodivost

Magnetismus

Fázové přechody

Literatura

Poznámky

  1. ↑ Kittel C. Úvod do fyziky pevných látek. - M.: MediaStar LLC, 2006. - S. 78.
  2. ↑ Gorelik S. S., Dashevsky M. Ya. Nauka o materiálech polovodičů a dielektrik. - M.: MISiS, 2003. - S. 250.

Viz také

 Úseky statistické fyziky
Fyzika kondenzovaných látek
 Sekce materiálové vědy
Základní definice
Hlavní směry
Obecné aspekty
Další důležité pokyny
Příbuzné vědy