Основы физики твердого тела. - Зиненко В.И.
Скачать (прямая ссылка):
указать важнейшее событие - открытие в 1948 г. У. Шокли, У.Браттейном и
Дж. Бардином усилительных свойств транзистора.
Следовательно, предметом данной области науки будут, прежде всего,
свойства веществ в твердом состоянии, их связь с микроскопическим
строением и составом, эвристическое прогнозирование и поиск новых
материалов и физических эффектов в них. Фактически физика твердого тела
служит базой для физического материаловедения.
Образование твердого состояния вещества обусловлено энергетической
выгодой относительно жесткой конфигурации атомов (молекул) и возможно
только в определенном интервале температур и давлений. В этом смысле
физика твердого тела есть развитие вполне классической области физической
науки - молекулярной физики.
Изучение физики твердого тела принято начинать с рассмотрения моделей
твердого тела в виде совершенных, беспримесных монокристаллов бесконечно
больших размеров. Влияние де-
8 Введение
фектов, примесей и границ зерен учитываются потом как малые возмущения.
Такой подход пригоден вплоть до микро- или суб-микроскопических размеров
исследуемых твердых тел. Крупные природные кристаллы давно известны
человеку, например, гор-
4
Рис. В.1. Алмаз "Горняк"
ный хрусталь (кварц SiC^) и его многочисленные разновидности, галит
(поваренная соль NaCl), драгоценные камни - рубин и сапфир (соединения
AI2O3 с добавками хрома или железа и титана), изумруд (прозрачная
разновидность берилла A^BesSigOis с примесью СГ2О3), алмаз (прозрачная
форма углерода С) (рис. В.1) и другие. В течение нескольких столетий
слово "кристалл" применялось исключительно для обозначения горного
хрусталя и обозначало "застывший лед", поскольку считалось, что в
условиях высокогорья лед мог "окаменеть". В настоящее время кристаллом
называют такое твердое тело, у которого расположение атомов строго
периодично в трехмерном пространстве. Наиболее характерным внешним
признаком кристалличности вещества является наличие естественных плоских
граней. Достаточно давно эмпирически были установлены два основных закона
огранения кристаллов.
В настоящее время методы и теория твердого тела, развитые для описания
свойств и структуры монокристаллов, широко применяются для получения и
исследования новых материалов: композитов и наноструктур, квазикристаллов
и аморфных твердых тел. Физика твердого тела служит основой для изучения
явлений высокотемпературной сверхпроводимости, гигантского магнетосо-
противления и многих других перспективных современых наукоемких
технологий.
Глава 1
СТРУКТУРА И СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ
1.1. Трехмерная периодичность кристаллической структуры
Кристаллы, как и жидкости, являются конденсированными системами. Силы
взаимодействия между атомами на расстояниях, превышающих равновесное
межатомное расстояние г0 (рис. 1.1), имеют характер притяжения (область
отрицательных значений потенциала межатомного взаимодействия на рис.
1.1). В области положительных значений U(r) притяжение сменяется резким
отталкиванием. Как правило, минимум кривой U(г) соответствует межатомным
расстояниям 1,5-3,5 А.
С другой стороны, атомы в кристалле совершают непрерывные тепловые
колебания и, соответственно, обладают кинетической энергией. Кинетическая
энергия W частиц с массой т и импульсом р выражается классическим
соотношением
Если кинетическая энергия больше потенциальной, то силы связей будут
преодолены. Тогда условие существования конденсированной системы и, в
частности, кристалла, может быть записано в виде
Условие (1.2) справедливо и для жидкости. Однако характер упорядочения
атомов при переходе от кристалла к жидкости резко меняется, поскольку с
возрастанием импульсов частиц средние расстояния между атомами растут,
они все чаще оказываются на
к <
(1.2)
Рис. 1.1. Потенциал межатомного взаимодействия
10
Гл. 1. Структура и симметрия кристаллов
дальнем крае минимума кривой U(r). В жидкости статистически образуютсн
некоторые преимущественные конфигурации атомов, однако, они все времн
разрушаютсн тепловым движением, и упо-рндочение тем ниже, чем выше
температура.
В твердых телах амплитуда колебаний атомов существенно меньше межатомных
расстонний, поэтому кристалл в равновесном состоннии характеризуетсн
определенным геометрически правильным расположением атомов или молекул.
1.2. Описание структуры кристаллов
При описании идеального кристалла будем предполагать, что он занимает все
бесконечное трехмерное пространство. Рассмотрим сначала транслнционную
симметрию кристалла.
Идеальный кристалл можно построить путем бесконечного закономерного
повторении в пространстве одинаковых структурных единиц. В наиболее
простых кристаллах (Au, Ag, Си, Na) струк-турнан единица состоит из
одного атома. В кристаллах сложных соединений структурнан единица может
содержать несколько атомов или молекулнрных групп. Кристалл может
состонть из атомов нескольких химических элементов или содержать
свнзанные группы одинаковых атомов (например, кристалл Н2).
