Fizyka ciała stałego - Solid-state physics

Fizyka ciała stałego zajmuje się badaniem sztywnej materii lub ciał stałych za pomocą metod takich jak mechanika kwantowa , krystalografia , elektromagnetyzm i metalurgia . Jest to największa gałąź fizyki materii skondensowanej . Fizyka ciała stałego bada, w jaki sposób wielkoskalowe właściwości materiałów stałych wynikają z ich właściwości w skali atomowej . Fizyka ciała stałego stanowi zatem teoretyczną podstawę nauki o materiałach . Ma również bezpośrednie zastosowania, np. w technologii tranzystorów i półprzewodników .

Tło

Materiały stałe powstają z gęsto upakowanych atomów, które intensywnie oddziałują. Oddziaływania te dają właściwości mechaniczne (m.in. twardość i elastyczność ), cieplne , elektryczne , magnetyczne i optyczne ciał stałych. W zależności od użytego materiału i warunków, w jakich powstał, atomy mogą być ułożone w regularny, geometryczny wzór ( krystaliczne ciała stałe , do których należą metale i zwykły lód wodny ) lub nieregularnie ( bezpostaciowe ciało stałe, takie jak zwykłe szkło okienne ).

Większość fizyki ciała stałego, jako ogólna teoria, koncentruje się na kryształach . Przede wszystkim dlatego, że okresowość atomów w krysztale — jego cecha definiująca — ułatwia modelowanie matematyczne. Podobnie materiały krystaliczne często mają właściwości elektryczne , magnetyczne , optyczne lub mechaniczne , które można wykorzystać do celów inżynieryjnych .

Siły między atomami w krysztale mogą przybierać różne formy. Na przykład w krysztale chlorku sodu (sól kuchenna) kryształ składa się z jonowego sodu i chloru i jest połączony wiązaniami jonowymi . W innych atomy dzielą elektrony i tworzą wiązania kowalencyjne . W metalach elektrony są wspólne dla całego kryształu w wiązaniu metalicznym . Wreszcie, gazy szlachetne nie podlegają żadnemu z tych rodzajów wiązania. W postaci stałej gazy szlachetne są utrzymywane razem z siłami van der Waalsa wynikającymi z polaryzacji chmury ładunku elektronowego na każdym atomie. Różnice pomiędzy rodzajami ciał stałych wynikają z różnic pomiędzy ich wiązaniem.

Historia

Właściwości fizyczne ciał stałych od wieków są powszechnym przedmiotem badań naukowych, ale osobna dziedzina o nazwie fizyka ciała stałego pojawiła się dopiero w latach 40. XX wieku, w szczególności wraz z utworzeniem Zakładu Fizyki Ciała Stałego (DSSP). w ramach Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego . DSSP był przeznaczony dla fizyków przemysłowych, a fizyka ciała stałego została powiązana z zastosowaniami technologicznymi możliwymi dzięki badaniom nad ciałami stałymi. Na początku lat sześćdziesiątych DSSP był największym oddziałem Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

Po II wojnie światowej w Europie , zwłaszcza w Anglii , Niemczech i Związku Radzieckim, pojawiły się duże społeczności fizyków ciała stałego . W Stanach Zjednoczonych i Europie ciało stałe stało się znaczącą dziedziną dzięki badaniom nad półprzewodnikami, nadprzewodnictwem, magnetycznym rezonansem jądrowym i różnymi innymi zjawiskami. Podczas wczesnej zimnej wojny badania w fizyce ciała stałego często nie ograniczały się do ciał stałych, co doprowadziło niektórych fizyków w latach 70. i 80. do stworzenia dziedziny fizyki materii skondensowanej , która zorganizowała się wokół powszechnych technik stosowanych do badania ciał stałych, cieczy, plazmy, i inne złożone sprawy. Obecnie fizyka ciała stałego jest powszechnie uważana za poddziedzinę fizyki materii skondensowanej, często określanej jako twarda materia skondensowana, która koncentruje się na właściwościach ciał stałych o regularnych sieciach krystalicznych.

Struktura i właściwości kryształów

Przykład sieci sześciennej

Na wiele właściwości materiałów wpływa ich struktura krystaliczna . Strukturę tę można badać za pomocą szeregu technik krystalograficznych , w tym krystalografii rentgenowskiej , dyfrakcji neutronów i dyfrakcji elektronów .

Rozmiary poszczególnych kryształów w krystalicznym materiale stałym różnią się w zależności od użytego materiału i warunków, w jakich został utworzony. Większość materiałów krystalicznych spotykanych w życiu codziennym to materiały polikrystaliczne , przy czym poszczególne kryształy mają mikroskopijną skalę, ale makroskopowe monokryształy można wytwarzać w sposób naturalny (np. diamenty ) lub sztucznie.

Prawdziwe kryształy mają defekty lub nieregularności w idealnych układach i to właśnie te defekty decydują o wielu właściwościach elektrycznych i mechanicznych rzeczywistych materiałów.

Właściwości elektroniczne

Właściwości materiałów, takie jak przewodnictwo elektryczne i pojemność cieplna, są badane przez fizykę ciała stałego. Wczesnym modelem przewodnictwa elektrycznego był model Drude , w którym zastosowano teorię kinetyczną do elektronów w ciele stałym. Zakładając, że materiał zawiera nieruchome jony dodatnie i „gaz elektronowy” klasycznych, nieoddziałujących elektronów, model Drudego był w stanie wyjaśnić przewodnictwo elektryczne i cieplne oraz efekt Halla w metalach, chociaż znacznie przeszacował elektronową pojemność cieplną.

Arnold Sommerfeld połączył klasyczny model Drudego z mechaniką kwantową w modelu swobodnych elektronów (lub modelu Drudego-Sommerfelda). Tutaj elektrony są modelowane jako gaz Fermiego , gaz cząstek, który podlega kwantowo-mechanicznej statystyce Fermiego-Diraca . Model swobodnych elektronów dał lepsze prognozy dotyczące pojemności cieplnej metali, jednak nie był w stanie wyjaśnić istnienia izolatorów .

Model prawie swobodnych elektronów jest modyfikacją modelu swobodnych elektronów, która obejmuje słabe zaburzenia okresowe, mające na celu modelowanie oddziaływania między elektronami przewodzącymi a jonami w krystalicznym ciele stałym. Wprowadzając ideę opasek elektronicznych , teoria wyjaśnia istnienie przewodników , półprzewodników i izolatorów.

Model prawie swobodnych elektronów przepisuje równanie Schrödingera dla przypadku okresowego potencjału . Rozwiązania w tym przypadku znane są jako stany Blocha . Ponieważ twierdzenie Blocha odnosi się tylko do potencjałów okresowych i ponieważ nieustanne przypadkowe ruchy atomów w okresowości zaburzania kryształu, to użycie twierdzenia Blocha jest tylko przybliżeniem, ale okazało się, że jest niezwykle cennym przybliżeniem, bez którego większość fizyki ciała stałego analiza byłaby niewykonalna. Odchylenia od okresowości są traktowane przez teorię zaburzeń kwantowo-mechanicznych .

Nowoczesne badania

Współczesne tematy badawcze w fizyce ciała stałego obejmują:

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura