Физика твердого тела
Покупка
Тематика:
Физика твердого тела. Кристаллография
Автор:
Винтайкин Борис Евгеньевич
Год издания: 2006
Кол-во страниц: 358
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 5-7038-2459-1
Артикул: 804702.01.99
Подробно изложены основы современной физики твердого тела. Большое внимание уделено описанию и формированию структуры твердых кристаллических и аморфных тел, дефектов строения твердых тел, спектров энергетических состояний в твердых телах, а также тепловым, электрическим, магнитным, оптическим свойствам твердых тел и вопросам сверхпроводимости. Кратко изложены основные физические методы исследования, используемые в физике твердого тела. Рассмотрено применение изучаемых явлений в устройствах современной техники, например в устройствах магнитной записи, в магнитострикционных преобразователях, различных устройствах на основе полупроводниковых p-n-переходов: свето- и лазерных диодах, полупроводниковых генераторах напряжения, транзисторах и др.
Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ЕГУ им. И.А. Бунина.
Для студентов технических университетов и вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 00.03.38: Физика
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- ВО - Специалитет
- 03.05.02: Фундаментальная и прикладная физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Б.Е. Винтайкин Физика твердого тела Издание второе, стереотипное Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки и специальностям Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2008
УДК 548.0(075.8) ББК 22.37 В50 Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России» Рецензенты: кафедра физики Московского энергетического института (Государственного технического университета), зав. кафедрой канд. физ.-мат. наук, доц. О.А. Евтихиева; В50 д-р физ.-мат. наук, проф. Р.Н. Кузьмин Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 360 с.: ил. (Физика в техническом университете / Под ред. Л.К. Мартинсона, А.Н. Морозова). ISBN 5-7038-2459-1 Подробно изложены основы современной физики твердого тела. Большое внимание уделено описанию и формированию структуры твердых кристаллических и аморфных тел, дефектов строения твердых тел, спектров энергетических состояний в твердых телах, а также тепловым, электрическим, магнитным, оптическим свойствам твердых тел и вопросам сверхпроводимости. Кратко изложены основные физические методы исследования, используемые в физике твердого тела. Рассмотрено применение изучаемых явлений в устройствах современной техники, например в устройствах магнитной записи, в магнитострикционных преобразователях, различных устройствах на основе полупроводниковых p–n-переходов: свето- и лазерных диодах, полупроводниковых генераторах напряжения, транзисторах и др. Содержание учебного пособия соответствует курсу лекций, который автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ЕГУ им. И.А. Бунина. Для студентов технических университетов и вузов. УДК 548.0(075.8) ББК 22.37 ISBN 5-7038-2459-1 © Винтайкин Б.Е., 2006 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 4
ПРЕДИСЛОВИЕ В учебном пособии «Физика твердого тела» компактно, но вместе с тем и достаточно полно изложены основы современной физики твердого тела. Его содержание соответствует курсу лекций, читаемых автором студентам Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Елецкого государственного университета им. И.А. Бунина. Книга включает в себя семь глав, в каждой из которых рассказывается об определенном круге явлений в твердых телах и применении их в технике. Наиболее подробно освещены разделы физики твердого тела, поясняющие физические свойства современных материалов с позиций квантовой, а где это возможно, и с позиций классической физики. Акцент делается не столько на изложение различных вопросов, сколько на их объяснение, чтобы читатель мог понять суть физического происхождения явлений и связанных с ними свойств материалов. Рассмотрены физические основы теории прочности материалов, принцип работы устройств магнитной записи, магнитострикционных преобразователей, различных устройств на полупроводниковых p–n-переходах: диодов, светодиодов, генераторов напряжения, полупроводниковых лазеров, транзисторов и многих других. Кратко изложены важнейшие применения изучаемых явлений в устройствах современной техники. В списке литературы указаны ссылки на книги, содержащие такую информацию. В книге не удалось подробно изложить физические методы исследования структуры веществ и их физических свойств; подробно рассмотрена лишь дифракция излучений и частиц кристаллической решеткой, поскольку теория этого процесса очень важна для всех глав книги. Тем не менее сравнительно краткое изложение многих других физических методов исследования 5
позволяет студенту получить о них достаточно полное представление. Автор выражает глубокую признательность сотрудникам кафедры физики МГТУ им. Н.Э. Баумана профессорам Л.К. Мартинсону и А.Н. Морозову, доценту Е.В. Смирнову, профессору кафедры физики Елецкого государственного университета им. И.А. Бунина О.В. Кондакову за сделанные замечания при прочтении и обсуждении рукописи, а также аспиранту М.В. Лелькову за помощь при оформлении рисунков. Автор благодарен рецензентам: профессору кафедры физики твердого тела физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Р.Н. Кузьмину и сотрудникам кафедры физики Московского энергетического института (Государственного технического университета), возглавляемой доцентом О.А. Евтихиевой, за всестороннее рассмотрение рукописи и полезные замечания, которые способствовали ее улучшению. Автор признателен сотрудникам Издательства МГТУ имени Н.Э. Баумана за большой труд по подготовке книги к изданию. 6
ВВЕДЕНИЕ Физика твердого тела изучает структуру и физические свойства твердых веществ, а также физические явления, протекающие в них. Важнейшая задача физики твердого тела — установление связи между структурой и свойствами твердых тел и предсказание на этой основе путей поиска новых и совершенствования существующих материалов. Главной отличительной особенностью твердых тел — способностью сохранять форму и противостоять деформациям сдвига — обладают почти все создаваемые детали машин и механизмов, искусственные и природные материалы. Это делает физику твердого тела важным разделом физики, пожалуй, самым близким к потребностям практической деятельности людей. Не случайно работа большинства физиков и инженеров непосредственно связана с физикой твердого тела. Большая часть твердых тел имеет кристаллическую структуру, в которой атомы и молекулы располагаются периодически, подобно строительным кирпичикам. Такое расположение атомов значительно облегчает изучение твердых тел, поскольку, например, для описания их структуры достаточно рассмотреть один «кирпичик», а остальную часть кристалла получить его тиражированием. Периодическое расположение распространяется на большие области, называемые кристаллическими зернами. Зерна содержат огромное число атомов и имеют размеры порядка микрометра. В случае поликристаллического вещества, как правило, эти зерна сориентированы случайно. Иногда зерна имеют почти одинаковую ориентацию, в этом случае говорят о монокристаллической структуре вещества, а зерна называют блоками. Такие монокристаллы обладают разными свойствами по различным направлениям — анизотропией физических свойств. Эта особенность монокристаллов позволяет на их основе создавать уникальные преобразователи, датчики и 7
другие устройства. Практически все свойства материалов сильно зависят от разнообразных дефектов кристаллической структуры. Физика твердого тела изучает эти дефекты, их влияние на физические свойства материала и определяет пути управления свойствами за счет использования особенностей различных дефектов. Физика твердого тела изучает и аморфные вещества, в которых нет периодического расположения атомов, как в кристаллах. Атомы в таких веществах сохраняют некоторые элементы периодического расположения только на малых расстояниях друг от друга. Такие вещества обладают особыми физическими свойствами, обусловленными их атомной структурой; области применения аморфных материалов постоянно расширяются. Для решения важнейшей задачи физики твердого тела — установления связи между структурой и свойствами твердых тел — применяются разнообразные методы структурных исследований и точные методики измерения физических свойств веществ, использующие последние достижения науки и техники. Современные электронные микроскопы позволяют различить детали структуры размером в несколько атомов. С использованием дифракционных методов в ряде случаев можно определять средние расстояния между атомами с точностью до 4–5 знака. Методы микрозондного анализа позволяют определить состав, а иногда и структуру областей вещества малого размера — доли микрометра. Различные резонансные методы, например ядерный магнитный и гамма-резонанс, применяют для выявления незначительных изменений электромагнитных кристаллических полей, вызванных перегруппировками атомов. Создание научных приборов для определения структуры веществ превратилось в особую отрасль промышленности. Физика твердого тела эффективно использует достижения и методы всех разделов физики и в первую очередь квантовой механики, молекулярной, атомной и статистической физики. Теория физики твердого тела базируется на современном математическом аппарате, причем многие разделы математики быстро развивались, отчасти, благодаря необходимости решать задачи физики твердого тела. Использование методов физики твердого тела в материаловедении позволило значительно облегчить трудоемкую задачу создания новых и совершенствования существующих материалов. К современному материалу предъявляются десятки различных требований, удовлетворить которые путем эмпирического перебора 8
вариантов составов и термообработок материала в разумные сроки невозможно. Решить эту задачу можно только путем направленного улучшения свойств материала на основе знания закономерностей явлений, изучаемых физикой твердого тела, и использования моделирования этих явлений. Многие успехи современной техники и технологии обязаны физике твердого тела. Так, пожалуй, главная, радикально изменившая нашу жизнь техническая революция XX в.: создание полупроводниковых микроэлементов электроники, произошла благодаря успешному развитию физики полупроводников — одного из разделов физики твердого тела. При использовании новых материалов появляется возможность проектирования новых машин с недостижимыми ранее параметрами. Удачными примерами могут служить авиационные и ракетные двигатели, параметры которых определяются свойствами применяемых материалов. Часто такие машины и материалы работают в экстремальных условиях: высокие давление и температура, повышенный фон радиации, большие нагрузки и др. Рациональное использование их возможностей требует от конструктора глубоких знаний в области физики твердого тела. Цель данного учебного пособия — помочь будущему инженеру получить представления о физике твердого тела, ее методах и методиках, о процессах, протекающих в современных материалах, физических принципах создания материалов с заданными свойствами, о физических ограничениях на параметры этих материалов. 9
1. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА Главная отличительная особенность кристаллических твердых тел — периодическое расположение в пространстве атомов, образующих пространственную трехмерную кристаллическую решетку. Периодическое, а значит, анизотропное расположение атомов в кристаллической решетке объясняет анизотропию многих физических свойств кристаллических твердых тел, широко используемую в технике. С периодическим расположением атомов связана естественная огранка кристаллов. Тепловые свойства твердого тела обусловлены колебаниями его кристаллической решетки. Движение электронов в поле периодического потенциала кристаллической решетки объясняет электрические свойства твердых тел. На атомах кристаллической решетки наблюдается дифракция всех частиц, движущихся внутри кристаллического твердого тела или попавших в него извне: электронов, фотонов, нейтронов. Дифракцией движущихся в нем электронов обусловлены особенности расположения энергетических уровней электронов. Для изучения структуры кристаллических твердых тел используют дифракцию пучков электронов, фотонов, нейтронов кристаллической решеткой. И наконец, дефекты (нарушения) кристаллической решетки очень сильно влияют на все физические свойства твердых тел. В этой главе изложены способы описания твердых тел с использованием понятия кристаллической решетки, физические причины их образования, анизотропии свойств, а также особенности дифракции частиц кристаллами. Анализ и объяснение в последующих главах различных физических свойств твердых тел, опираются на понятия и концепции, рассмотренные в этой главе. 10
1.1. Описание структуры кристаллических твердых тел Кристалл можно представить как периодически повторяющиеся в пространстве одинаковые элементарные структурные единицы — элементарные ячейки кристалла. Элементарная ячейка в общем случае имеет форму косоугольного параллелепипеда. Все расположенные в ней атомы называют базисом элементарной ячейки кристалла. Закономерностями строения элементарной ячейки и ее базиса, в частности степенью их симметричности, определяются многие свойства кристалла, в первую очередь, электрические, магнитные и механические. Элементарная ячейка может содержать один или несколько атомов. Так, у многих металлов, например железа, хрома, меди, серебра, она состоит из одного атома. В тех случаях, когда кристалл состоит из нескольких химических элементов, например натрия и хлора, элементарная ячейка будет содержать как минимум два атома: натрий и хлор. Широко распространены кристаллы с элементарной ячейкой, состоящей из нескольких сцепленных между собой молекулярных групп (кристаллы льда, многие магнитные материалы и др.). Существуют кристаллы, например белковые, в элементарной ячейке которых расположены молекулы, содержащие несколько тысяч атомов. Выбор элементарной ячейки. Чтобы описать структуру кристалла, необходимо охарактеризовать его элементарную ячейку. Ясно, что элементарную ячейку одного и того же кристалла можно выбрать несколькими способами (рис. 1.1). При этом стремятся выбрать наиболее простую форму ячейки, в частности, имеющую наибольшее число прямых углов, а также минимальный объем. Ячейку с наименьшим объемом называют примитивной элементарной ячейкой. Однако часто выбирают элементарную ячейку большего объема, но более простой формы, которая содержит несколько наборов атомов, формирующих базис элементарной ячейки. Кристаллическую решетку α-железа проще всего представить как пространство, заполненное кубиками, в углах 1 и центре 2 которых расположены атомы железа Fe (см. рис. 1.1, б). Такую решетку называют объемно-центрированной кубической (ОЦК). Элементарную ячейку можно также представить как косоугольный параллелепипед (см. рис. 1.1, а) с квадратным основанием. Однако в качестве элементарной принято выбирать ячейку в 2 раза боль 11
Рис. 1.1. Элементарная ячейка ОЦК решетки: а — примитивная; б — с базисом из двух атомов; в — векторы основных трансляций; • — атомы Fe шего объема, но со всеми прямыми углами (см. рис. 1.1, б), поскольку она наглядно отражает симметричность расположения атомов и ее значительно проще анализировать методами аналитической геометрии (см. далее задачи 1.1, 1.2). Элементарную ячейку характеризуют тремя векторами основных трансляций , , , a b c ! ! ! исходящими из одной точки и совпадающими с ее тремя ребрами (см. рис. 1.1, в). Две точки с радиус-векторами r ! и , r′ ! связанные соотношением 1 2 3 , r r n a n b n c ′ = + + + ! ! ! ! ! где 1 2 3 , , n n n — целые числа, описывают одну и ту же точку базиса, но в разных элементарных ячейках кристалла. В этом случае положение атомов базиса удобно рассмотреть в пределах одной элементарной ячейки, а всю структуру кристалла получить трансляцией (тиражированием) данной ячейки, осуществляя ее параллельные переносы на векторы 1 2 3 , T n a n b n c = + + ! ! ! ! ! называемые векторами трансляций. Можно сказать, что для описания структуры кристалла достаточно задать пространственную решетку, получаемую путем параллельных переносов одной точки на все векторы , T и базис элементарной ячейки. Пространственную решетку обычно характеризуют тремя векторами , , , a b c ! ! ! задавая их длины , , , a b c называемые периодами кристаллической решетки, и углы , , α β γ между парами векторов , ; , ; , b c a c a b ! ! ! ! ! ! соответственно; именно эти параметры содержатся во всех справочниках по структуре веществ. 12