ББК 22.37 В50 Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела
advertisement
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; д-р физ.-мат. наук, проф. Р.Н. Кузьмин В50 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 4 © Винтайкин Б.Е., 2006 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 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 2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ Кристаллы, атомы в которых расположены строго периодически, называют идеальными. Структура всех реальных кристаллов обязательно имеет отклонения от идеальной, такие отклонения принято называть дефектами структуры. Различают динамические и статические дефекты структуры. К динамическим дефектам относят искажения кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями атомов, а также колебаниями атомов в поле электромагнитной волны, проходящей через кристалл (подробно рассмотрены в гл. 3 и 7). Они существуют даже в идеальных кристаллах. Статические дефекты связаны с нарушениями расположения атомов в кристаллической решетке, например, один атом в узле решетки отсутствует или замещен другим, либо атомы перегруппировались и сформировали внутри кристаллической решетки более крупный дефект. Статические дефекты в зависимости от их конфигурации принято подразделять на четыре группы: 1 — точечные дефекты, например, отсутствие атома в узле решетки; 2 — линейные дефекты — дислокации, в которых сильные отклонения от периодичности наблюдаются вдоль линии; 3 — поверхностные дефекты, в которых сильные отклонения от периодичности наблюдаются вблизи поверхности, например, границы кристалла и зерен поликристалла; 4 — объемные дефекты, представляющие собой отклонения от периодичности в пределах объемной фигуры, например, поры, микротрещины или малые включения другой фазы. Многие физические свойства твердых тел в значительной степени обусловлены дефектами разных групп, например, прочность и пластичность материала — линейными, поверхностными и объемными дефектами; электрическое сопротивление — точечными дефектами. Коэффициент диффузии, теплопроводность, окраска кристаллов также сильно зависят от наличия дефектов. 83 3. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Как кристаллические, так и аморфные твердые тела представляют собой систему связанных атомов, обладающих массами. Между атомами действуют силы притяжения и отталкивания, уравновешивающие друг друга при определенных равновесных расстояниях между атомами. При отклонении атома от положения равновесия возникает возвращающая сила, противоположная смещению, которая зависит от типа атома, его окружения и направления смещения. Согласно классической теории колебаний в системе упругосвязанных масс, состоящей из N атомов, возникающие колебания можно представить как суперпозицию нормальных, или собственных колебаний, которые характеризуются собственными частотами ωi, где i = 1, 2, …, N — 4, N — 3, причем колебания с частотами ωi независимы друг от друга. Классическая теория удовлетворительно описывает тепловые свойства твердых тел при комнатной температуре и выше. Чтобы описать тепловые свойства твердых тел при температуре ниже комнатной используют квантовую теорию, основанную на квантовании энергии нормальных колебаний, при этом порцию энергии называют фононом и рассматривают как частицу. С помощью этой теории, называемой также фононной, можно рассчитать внутреннюю энергию и теплоемкость кристалла, а также объяснить многие явления, связанные с дифракцией излучений и частиц веществом, а также с передачей энергии и заряда. Взаимная независимость нормальных колебаний кристалла, а значит, и связанных с ними фононов, позволяет использовать для их описания теорию бозе-газа, в которой в качестве независимых бозе-частиц рассматриваются фононы. При учете взаимодействия между фононами удается объяснить и зависимость теплопроводности кристаллических твердых тел от температуры. 129 4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Кристаллические твердые тела различаются электрическими свойствами, одни из них (металлы) хорошо проводят электрический ток, их принято считать проводниками, а другие (диэлектрики) — практически не проводят, их принято считать изоляторами. Промежуточное положение между этими группами твердых тел по удельной электропроводности занимают вещества, называемые полупроводниками. Cпособность различных веществ по-разному проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля обусловлена главным образом особенностями распределения электронов по уровням энергии формирующих кристалл атомов. На вид этого распределения влияет периодическое расположение атомов вещества, формирующих в пространстве трехмерный электрический потенциал, в электростатическом поле которого движутся электроны. Характер движения электронов определяется их дифракцией на кристаллической решетке (см. гл. 1). Данная глава посвящена электрическим свойствам твердых тел. Особое внимание уделяется движению электронов в электростатическом поле кристаллической решетки, позволяющему объяснить электрические и тепловые свойства твердых тел. Подробно рассмотрены электропроводность, фотопроводимость и эффект Холла в полупроводниках, а также пьезоэлектрический эффект и свойства сегнетоэлектриков. Кроме того, описаны принципы работы многих важных для техники полупроводниковых устройств: диодов, стабилитронов, генераторов тока, охладителей, световых и лазерных диодов, транзисторов. 162 5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Магнитный момент атома (или иона) в зависимости от строения его электронных оболочек может быть равен или не равен нулю. В первом случае наблюдается диамагнетизм, который характеризуется отрицательной магнитной восприимчивостью χ вещества. Во втором — парамагнетизм, который характеризуется положительной магнитной восприимчивостью χ. Напомним, что ! величина χ связывает вектор намагниченности J и вектор напря! женности H внешнего магнитного поля (см. 1.4). Среди парамагнетиков — веществ, состоящих из атомов, которые обладают собственными магнитными моментами, выделяют магнитоупорядоченные вещества, например ферромагнетики, в которых магнитные моменты соседних атомов параллельны и одинаково ориентированы. Эта упорядоченность в расположении магнитных моментов обусловливает особенности как магнитных, так и многих других физических свойств, например теплоемкости. Магнитная проницаемость некоторых ферромагнетиков составляет 5 6 μ ∼ 10 ...10 , а значит, примерно во столько же раз они способны усиливать внешнее магнитное поле. Ферромагнетики (железо, никель, кобальт, их сплавы и др.) широко применяются в электротехнике, радиотехнике, электронике, приборостроении. 5.1. Диамагнетизм и парамагнетизм Квантовое рассмотрение диамагнетиков — веществ, атомы которых не обладают собственными магнитными моментами, несущественно отличается от классического, согласно которому диамагнетизм объясняется появлением прецессии Лармора, т.е. появлением дополнительного вращения системы электронов в атоме, 253 6. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Сверхпроводимость открыл Х. Камерлинг-Оннес в 1911 г. Он обнаружил полное исчезновение электрического сопротивления ртути при температуре ниже 4,12 K. Это явление и получило название сверхпроводимость, т.е. способность некоторых веществ обращать в нуль сопротивление постоянному току при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tкр перехода в сверхпроводящее состояние. Выше этой температуры вещество находится в нормальном состоянии, когда электрическое сопротивление постоянному току не равно нулю. Вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, называют сверхпроводниками. Сверхпроводимость была обнаружена у многих металлов и химических соединений при низкой температуре, например среди металлов наивысшую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние имеет ниобий (9 K), а среди химических соединений — до недавнего времени — Nb3Ge (23,3 K). В 1986 г. А. Беднорц и К. Мюллер открыли новый класс высокотемпературных сверхпроводников на основе керамических соединений меди, значения Tкр которых превысили 90 K, а спустя несколько лет их удалось увеличить до 130…134 K. Помимо полного исчезновения электрического сопротивления сверхпроводники обладают и рядом других свойств. Наиболее интересное из них — эффект Мейснера — связано с «выталкиванием» магнитного поля из сверхпроводника. Сверхпроводимость теоретически обосновали в 1957 г. американские физики Дж. Бардин, Л. Купер, Дж. Шриффер и советский физик-теоретик Н.Н. Боголюбов. Согласно современной теории сверхпроводимость — макроскопическое проявление микроскопического квантового явления, основанного на связывании двух электронов с противоположно направленными импульсами и спинами в пары (так называемые куперовские пары), это происходит за счет их взаимодействия друг с другом и кристаллической решеткой. 302 7. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ТВЕРДЫМИ ТЕЛАМИ Переменные электромагнитные поля, в частности поля световой волны, взаимодействуют с электронами, ионами и атомами кристалла. Некоторые вопросы теории этого взаимодействия можно рассматривать с помощью классической физики, например поглощение радиоволн или инфракрасного излучения. Однако к таким вопросам, как поглощение и излучение света полупроводниками и диэлектриками, следует подходить с позиций квантовой физики. 7.1. Поглощение электромагнитных излучений твердым телом (классическое рассмотрение) Строго говоря, взаимодействие электромагнитного излучения с твердым телом следует рассматривать с позиций квантовой физики, однако это весьма сложно для начального курса физики. Вместе с тем отдельные вопросы взаимодействия электромагнитного излучения с твердым телом можно удачно обсудить на качественном, наглядном уровне и в рамках классической теории. С позиций электродинамики электрическая составляющая силы взаимодействия частиц с электромагнитной волной превышает магнитную составляющую, если эти частицы движутся с нерелятивистскими скоростями, и поэтому при рассмотрении вопросов, связанных с воздействием электромагнитной волны на твердое тело, обычно учитывают только электрическое поле волны. Подход к вычислению показателя преломления. Чтобы проанализировать распространение и поглощение электромагнитных волн в твердом теле в соответствии с принципами классиче321 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Физика твердого тела — пожалуй, самая быстроразвивающаяся область физики, поэтому некоторые новые ее разделы еще не до конца изучены и осмыслены. К ним в первую очередь относятся теория аморфных веществ и некоторые вопросы высокотемпературной сверхпроводимости. В учебном пособии эти разделы изложены в соответствии с наиболее принятой в настоящее время точкой зрения без рассмотрения спорных вопросов, взгляды на которые могут быть скорректированы в будущем. В книге сознательно не освещаются некоторые вопросы, представляющие в основном интерес для физиков-исследователей, например квантовые осцилляции различных характеристик твердых тел при особо низких температурах, теория антиферромагнетизма, методы изучения поверхности Ферми и некоторые другие. Ознакомиться с ними можно в таких учебниках, как «Введение в физику твердого тела» Ч. Киттеля, «Физика твердого тела» Н. Ашкрофта, Н. Мермина и «Физика твердого тела» П.В. Павлова, А.Ф. Хохлова. Большое внимание было уделено вопросам физики твердого тела прикладного характера, непосредственно связанным с современными проблемами материаловедения и техники. В первую очередь это относится к материалам нанотехнологий и нанокристаллическим материалам. Создание и правильное применение таких материалов должно быть основано на глубоком понимании механизмов формирования физических свойств и различных характеристик твердых тел, а также путей создания необходимой структуры материала. В настоящее время многие материалы с уникальными свойствами создаются на основе систем наночастиц, образовавшихся в сплавах в результате фазовых превращений — особых перегруппировок атомов, самостоятельно формирующих требуемый вид, взаимное расположение и составы этих наночас346 тиц (объемных дефектов) под влиянием внешних воздействий. Именно на основе таких структур были получены новые классы материалов с уникальными прочностными, магнитными и электрическими свойствами. Это и жаропрочные материалы для авиационных турбин, работающие в струях газа, раскаленного до температур плавления почти всех конструкционных материалов, и высокопрочные магниты с особым распределением магнитного поля в магните, выдерживающие скорости вращения свыше 10 000 об/мин, и магнитомягкие материалы для магнитных головок, обеспечивающие возможность чтения субмикронных магнитных элементов записи на дисках современных компьютеров, и авиационные и сверхпроводящие композиционные материалы и многие другие. Проектирование уникальных машин и технологических процессов сдерживается отсутствием материалов с заданными комплексами свойств. Разработка таких новых материалов — одна из перспективных областей современной физики твердого тела. Уникальные свойства многих новых материалов еще не оптимизированы. Такую сложную оптимизацию невозможно выполнить вслепую, без глубокого знания законов физики твердого тела. Еще бóльшие горизонты открывает физика твердого тела для поиска новых подходов, принципов и путей создания многофазных и композиционных материалов, например на основе специально выращиваемых нанокристаллов. Сегодня, используя методы физики, можно проводить на компьютерах предварительное моделирование процессов формирования структуры и свойств таких сложных материалов, значительно уменьшая объем экспериментальной работы. В учебном пособии рассмотрены эти важные вопросы и на наиболее интересных примерах показаны возможности физики твердого тела для решения важнейших технических проблем. Такой подход, видимо, будет интересен будущим разработчикам новых материалов и технологий. В пособии наряду с изложением основ физики твердого тела описано техническое применение рассмотренных явлений и эффектов. Можно надеяться, что такой подход к раскрытию материала будет полезным и интересным студентам технических университетов и инженерам, работающим в прикладных областях современной науки и техники. 347 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Ашкрофт Н., Мермин Н. Квантовая теория твердых тел: Пер. с англ. В 2 т. М.: Мир, 1977. Т. 1. 400 с.; Т. 2. 399 с. Васильев Д.М. Физическая кристаллография: Учеб. пособие. М.: Металлургия, 1981. 248 с. Годжаев Н.М. Оптика: Учеб. пособие. М.: Высш. шк. 1977. 432 с. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: Учеб. пособие. М.: Металлургия, 1970. 360 с. Жданов Г.С., Илюшин А.С., Никитина С.В. Дифракционный и резонансный структурный анализ: Учеб. пособие. М.: Наука, 1980. 256 с. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела: Пер. с англ. М.: Наука, Физматлит, 1978. 792 с. Ландау А.Д., Лифшиц Е.М. Краткий курс теоретической физики: В 2 кн. Кн. 2.: Квантовая механика. М.: Наука, 1972. 260 с. Материаловедение: Учебник для вузов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. 7-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 648 с. Прецизионные сплавы: Справочник / Под ред. Б.М. Молотилова. М.: Металлургия, 1983. 440 с. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для вузов: В 5 кн. М.: Изд-во АСТ, 2002–2003. Кн. 2. Электричество и магнетизм. 2002. 336 с.; Кн. 4. Волны. Оптика. 2002. 256 с.; Кн. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. 2002. 368 с. Толмачев В.В. Квантовая физика полупроводников. М.: Эликс. 1997. 83 с. Томас Г., Гориндж М. Просвечивающая электронная микроскопия материалов: Пер. с англ. М.: Наука. 1983. 320 с. 348 Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. М.: Высш. шк. 2000. 494 с. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела: Пер. с англ. М.: Мир. 1966. 568 с. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. энциклопедия, 1984. Ципенюк Ю.М. Физические основы сверхпроводимости: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МФТИ. 1996. 93 с. 349 ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Акулов Николай Сергеевич (1900–1976) 297 Абрикосов Ал. Ал. (р. 1928) 312 Авогадро Амедео (1776–1856) 243 Бардин Джон (1883–1960) 302, 312 Беднорц Йоханнес Георг (р. 1950) 302 Блох Феликс (1905–1983) 164, 165, 174 Боголюбов Николай Николаевич (1909–1992) 302 Бозе Шатьендранат (1894–1947) 144, 145, 279, 280, 315 Больцман Людвиг (1844–1906) 40, 85, 130, 153, 229, 256 Бор Нильс Хенрик Давид (1885–1962) 255, 259, 261, 316 Борн Макс (1882–1970) 164 Браве Огюст (1811–1863) 15, 16, 18, 23, 24 Бриджмен Перси Уильямс (1882–1961) 36 Бриллюэн Леон (1889–1969) 53, 133, 138, 149, 175, 177, 180, 182, 184, 188, 258 Бройль Луи де (1892–1987) 41, 59, 175, 182, 245, 315 Брэгг Уильям Лоренс (1890–1971) 50, 133, 138, 174 Ван-дер-Ваальс Йоханнес Дидерик (1837–1923) 28, 34 Вейс Пьер Эрнест (1865–1940) 273 Вигнер Юджин Пол (1902–1995) 18, 19, 53, 63 Вульф Георгий Викторович (1863–1925) 50, 133, 138, 177 Гинзбург Вит. Лаз. (р. 1916) 312 Гук Роберт (1635–1703) 76, 106, 107 Дебай Петер (1884–1966) 130, 148, 149, 150, 151 Джозефсон Брайн (р. 1940) 316, 319, 320 Дирак Поль Адриен Морис (1902–1984) 222 Дюлонг Пьер Луи (1785–1838) 130, 151 Зееман Питер (1865–1943) 94, 163, 263 Камерлинг-Оннес Хейке (1853–1926) 302 350 Карман Теодор фон (1881–1963) 164 Купер Леон (р. 1930) 302, 312 Курнаков Николай Семенович (1860–1941) 124 Кюри Пьер (1859–1906) 247, 258, 271, 272, 273, 275, 280, 291, 297, 298 Ландау Лев Давыдович (1908–1968) 312 Лармор Джозеф (1857–1942) 253, 254 Ленц Эмилий Христианович (1804–1865) 304 Лоренц Хендрик Антон (1853–1928) 212, 214, 245 Максвелл Джеймс Клерк (1831–1879) 147 Мейснер Вальтер Фриц (1882–1974) 302, 303, 304, 305, 306, 312, 315 Менделеев Дмитрий Иванович (1834–1907) 32 Мюллер Карл Александрович (р. 1927) 302 Ньютон Исаак (1643–1727) 180, 188, 324 Ом Георг Симон (1787–1854) 199, 304 Паули Вольфганг (1900–1958) 191 Пауль Вольфганг (р. 1913) 335 Планк Макс (1858–1947) 130, 146 Пти Алекси Терез (1791–1820) 130, 151 Пуассон Симеон Дени (1781–1840) 79 Стокс Джорж Габриель (1819–1903) 341 Ферми Энрико (1901–1954) 173, 174, 175, 179, 181, 182, 184, 188, 195, 196, 201, 202, 204, 205, 219, 222, 223, 226, 243, 260, 314 Фраунгофер Иозеф (1787–1826) 47 Френкель Як. Ил. (1894–1952) 84, 86 Фурье Жан Батист Жозеф (1768–1830) 155 Холл Эдвин Герберт (1855–1938) 162, 212, 213, 214, 297 Шоттки Вальтер (1886–1976) 84 Шрёдингер Эрвин (1887–1961) 163, 164, 165 Шриффер Джон Роберт (р. 1931) 302, 312 Эвальд Пауль Петер (1888–1985) 48, 49, 50, 51, 52 Эйнштейн Альберт (1879–1955) 130, 144, 145, 147, 279, 280, 309, 315 Юнг Чарлз Огастес (1834–1908) 36, 79, 251 351 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Активаторы 340 Акцепторные примеси 200 Аморфизация поверхности 38 Аморфы 39, 60 Анализ микроспектральный 345 Ангармонические поправки 152 Ангармоническое приближение 152 Аннигиляция вакансии и междоузельного атома 84, 85 Анизотропия 63, 78, 265 – одноосная 67, 68 Антиферромагнетизм 268 Атом междоузельный 84 – примесный внедрения 85 – – замещения 85 – – – большей валентности 85 Атомный фактор рассеяния 57 Базис элементарной ячейки 11, 13 Вакансия 84, 87 Вектор Бюргерса 99, 102 – основных трансляций 12 – трансляций 12 Ветвь дисперсионной зависимости фонона акустическая 141 352 – – – – оптическая 141 Вибрационный магнетометр 296 Внутренний фотоэффект в полупроводнике 206 Водородная связь 33 Время релаксации 188 Высокотемпературные сверхпроводники 302 Выход люминесценции 345 Гармоническое приближение 152 Глубина проникновения внешнего магнитного поля 306 Дефект динамический 83, 189 – линейный 96 – объемный 112, 114 – по Френкелю 84 – по Шоттки 84 – поверхностный 112, 113 – статический 83, 189 – структуры 83, 189 – точечный 84, 86 – упаковки 25 Деформация однородная 76 – пластическая 106, 107 – точечная 84 Джозефсоновский контакт 316 Диаграмма состояния 120, 126 Диамагнетизм 253 Диамагнетики 253 Дислокация 96 – винтовая (линия винтовой дислокации) 98, 103, 111 – краевая (линия краевой дислокации) 96, 97 – криволинейная смешанного типа 101, 110 Дисперсионная зависимость фонона 134, 141 Дифференциальный трансформатор 294 Диффузия 86 Диэлектрик 185, 246 Длина когерентности в сверхпроводнике 310 Домен 249, 281 – сегнетоэлектрический 249 Доменная стенка 282 Донорные примеси 200 – полупроводники 200 Дрейфовая скорость 200 Дырка 180, 187, 211 Закон Видемана — Франца 245 – Гука 76, 107 – – обобщенный 76 – Дюлонга и Пти 130, 151 Залечивание дефектов 92 Зеркальная плоскость 15, 17 Зона Бриллюэна первая 53, 138, 175, 188 – валентная 183 – запрещенная 168, 194, 197, 206, 331 – проводимости 183 – энергетическая запрещенная 168 – – разрешенная 168 Излучение межзонное рекомбинационное 339 Изоляторы 162 Индексы Миллера 20 Источник тока на основе p–nперехода 236 Катодолюминесценция 338 Керамические материалы 39 Константа магнитострикции насыщения 267 – электрострикции 252 Контакт Джозефсона 316 Контактные явления 222, 228, 236 Координационная сфера первая 22, 37, 278 Координационное число 37, 278 Коэрцитивная сила 286, 299 – – сегнетоэлектрика 247 Коэффициент диффузии 88 – Пуассона 79 – теплового расширения 153 Кривая намагничивания 285 – распада твердого раствора 120 – спинодального распада твердого раствора 120 Кристаллизация направленная 36 Кристаллографическая плоскость 19, 50, 97 Кристаллы Ван-дер-Ваальса 34 – идеальные 83 353 – ионные 29 – ковалентные 31 – металлические 32, 172 – молекулярные с водородными связями 33 Критическая температура сверхпроводника 302 Критическая точка распада твердого раствора 120 Лазерный светоиспускающий диод 236 Ларморовская прецессия 253 Ловушки 208 Люминесценция 338 – антистоксова 341 Люминофор 345 Магнетометр Акулова 297 Магнитная анизотропия 67, 265 Магнитноупорядоченные вещества 253 Магнитные материалы магнитожесткие 288 – – магнитомягкие 288 Магнитный анизометр 287, 300 Магнитная проницаемость 287 – – максимальная 287 Магнитострикция 267 Масса электрона эффективная 180, 196, 218 Междоузлие 84 Межзеренная диффузия 113 Метод баллистический 300 – вращения кристалла 50 – качания кристалла 50 354 Механизм перемагничивания 284, 288, 290 Механическое сплавление 40 Модель Дебая 148 – Кронига — Пенни 163, 165 – Эйнштейна 144 Модуль сдвига 80, 108, 154 – Юнга 76, 79 Монокристаллические твердые тела (монокристаллы) 35 Наклеп материала 110 Намагниченность насыщения 257, 286 Направление в кристаллической решетке 19, 35, 66 – легкого намагничивания 266 – скольжения 107 Напряжение механическое 70 – пробоя n–p-перехода 232 Напряженность поля насыщения 286 Направленная кристаллизация 36 Нейтронография 59, 134, 270 Нормальное состояние сверхпроводника 302 Носители заряда неосновные 200 – – основные 200 Область спинодального распада твердого раствора 121 Обменный интеграл 265 Обменная энергия 265 Обратная решетка 46 Объемно-центрированная решетка 17 Остаточная намагниченность 286 Остаточная поляризация 247 Ось вращения 14, 15, 17 Парамагнетизм 253 Парамагнетик 253 Параметр дальнего порядка 123 Переползание дислокации 106 Переход внутризонный 332, 335 – межзонный 331 – межзонный рекомбинационный 339 – межзонный с зарождением фонона 332 – прямой межзонный 333 Период решетки кристаллической 12 – – – кубической 13 Петля гистерезиса 248, 287 – гистерезиса частная 287 Плазменная частота 323 Плазменные колебания 324 – – ионные 325 Плазмон 325 Плоскость симметрии (или зеркальная плоскость 14, 15, 17 – скольжения 97, 107 Поверхность Ферми 173, 187 Поворотная ось 15, 17 Подвижность носителя электрического тока 198, 213 Подрешетка 13 Поле Вейса 272 – деполяризации сегнетоэлектрика 247 – максимальной магнитной проницаемости 287 – молекулярное 272 – насыщения 286 Поликристалл 35 – идеальный 35 – текстурированный 35 Поликристаллические вещества 35, 52 Полоса энергетическая 168 Полупроводник 162, 185 – акцепторный 200 – вырожденный 205 – донорный 200 Полупроводниковый p–n-переход 228 Полупроводниковый диод 235 – охладитель 238 – светоиспускающий диод 235 – солнечный элемент 236 – тепловой элемент 236, 238 – транзистор 240 Порошковая металлургия 39 Порядок ближний 109, 122 – дальний 122 Постоянная Холла 213 Построение Эвальда 48, 51 Правило Стокса 341 – Юм-Розери 117 Предел прочности 107 – текучести 107 Приближение почти свободных электронов 162, 172 – свободных электронов 172 – сплошной среды 148 – сильной связи 162 Примитивная элементарная ячейка 11 Пробой p–n-перехода 232 Проводник 162, 183 355 Процессы нормальные (N-процессы) 158 – переброса 159 Пустоты 22, 23, 24, 29 Пьезоэффект 246, 249 Радиолюминесценция 338 Распад (расслоение) твердого раствора 119 – зародышевый 120 – спинодальный 119 Резонансные методы исследования 263, 336 Рекомбинация электрона и дырки 197 Рентгенолюминесценция 338 Решетка Браве 15, 21 – гранецентрированная кубическая 21 – обратная 46, 49, 51, 55 – объемно-центрированная кубическая 17, 21 Сверхпроводимость 302 Сверхпроводник 2-го рода 310, 312 – 1-го рода 310, 312 Сверхпроводящее состояние 30 Сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор 319 Сегнетоэлектрик 246, 247 Система гексагональная 17 – кубическая 17 – моноклинная 15 – ромбическая 17 – тетрагональная 17 – тригональная 17 356 – триклинная 15 Сквиды 319 Смещение доменных стенок 284 Спиновые волны 277, 278 Спинодальная область 118 Сплавы внедрения 116 – замещения 116 Среда анизотропная 64, 70 – изотропная 64 – линейная 64 Среднее время жизни носителей в полупроводнике 207 Средняя частота столкновений электрона 190 Стабилитрон 234 Стекла 39 Структура алмаза 23 – кристалла гексагональная 24, 66 – – гексагональная плотноупакованная 24 – – типа NaCl 23, 29 – – – ZnS 24 – – – CsCl 13 Структурный анализ 57 Структурный фактор базиса кристалла 54, 122, 128, 270 – – – с ГЦК решеткой 57 – – – с ОЦК решеткой 54 – – – элементарной ячейки 54, 122, 128 Сфера первая координационная 22, 37, 278 – Эвальда 48, 52 Твердые растворы внедрения 117 – – замещения 117 Текстура поликристалла 35, 72 Температура Дебая 149 – Курнакова 124 – Кюри 271 – Кюри сегнетоэлектрика 247 Тензор деформаций 74, 77 – механических напряжений 71, 77, 81 – модулей упругости 77, 154 – постоянных упругой податливости 77 Теорема Блоха 164 Триболюминесценция 339 Упорядочение атомное 122 – – ближнее 122 – – дальнее 122 Уравнения Лауэ 44, 45 Условия Борна — Кармана 164 Фаза 115, 119 Фазовый анализ 59, 115, 123 Ферримагнетизм 268 Феррит 268 Ферроэлектрики 247 Фонон 131, 134 – акустический 141 – оптический 141, 330 Фотолюминесценция 338 Фотопроводимость полупроводников 207 Фотон 131 Функция Блоха 165 Хемилюминесценция 339 Холловская разность потенциалов 212 Центр инверсии 14, 177 – симметрии 14 Число Лоренца 245 Ширина запрещенной зоны 184, 195, 207 Экситон 211, 333 Электролюминесценция 339 Электронный парамагнитный резонанс 263 Электронография 59 Электрострикция 251 Элемент симметрии 13 Элементарная ячейка кристалла 11, 15 – – – примитивная 11, 26 Энергия Ферми 173 – активации 87 Эффект Джозефсона 316 – Мейснера 302, 303 – Холла 212 Ядерный гамма-резонанс 263 – магнитный резонанс 263 – эффект Зеемана 263 Ячейка Вигнера — Зейтца 18, 53, 138, 175 357 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ...................................................................................... 5 Введение ............................................................................................. 7 1. Кристаллическая решетка ....................................................... 10 1.1. Описание структуры кристаллических твердых тел ........ 11 1.2. Физические механизмы образования кристаллических твердых тел .......................................................................... 28 1.3. Дифракция излучений и частиц твердыми телами ........... 40 1.4. Анизотропия физических свойств кристаллических твердых тел .......................................................................... 63 1.5. Механические свойства твердых тел ................................. 69 2. Дефекты кристаллической решетки ........................................ 83 2.1. Точечные дефекты ............................................................... 84 2.2. Линейные дефекты — дислокации .................................... 96 2.3. Поверхностные и объемные дефекты ............................... 112 2.4. Сплавы ................................................................................. 116 3. Тепловые свойства твердых тел ............................................ 129 3.1. Твердое тело как система независимых осцилляторов. Фононы ................................................................................ 130 3.2. Колебания атомов в кристаллической решетке ............... 135 3.3. Теплоемкость кристаллов .................................................. 144 3.4. Ангармоническое приближение ........................................ 151 4. Электрические свойства твердых тел ................................. 162 4.1. Электронные состояния в твердых телах ......................... 163 4.2. Проводники, полупроводники и диэлектрики ................. 183 4.3. Электропроводность проводников .................................... 187 4.4. Электрические свойства полупроводников ..................... 195 4.5. Контактные явления. Полупроводниковый переход ....... 222 4.6. Вклад электронов в тепловые свойства кристаллов ........ 241 4.7. Диэлектрические свойства кристаллов ............................. 246 5. Магнитные свойства твердых тел ......................................... 253 5.1. Диамагнетизм и парамагнетизм ........................................ 253 5.2. Природа магнитного упорядочения .................................. 264 358 5.3. Типы магнитного упорядочения ....................................... 5.4. Температура Кюри. Модель среднего поля ..................... 5.5. Спиновые волны и вклад магнитного упорядочения в теплоемкость .................................................................... 5.6. Домены, механизмы перемагничивания и магнитные свойства ............................................................................... 5.7. Методы измерения магнитных характеристик ................ 6. Сверхпроводимость .................................................................. 6.1. Свойства веществ в сверхпроводящем состоянии .......... 6.2. Теоретическое объяснение сверхпроводимости .............. 6.3. Применения сверхпроводимости в технике ..................... 7. Взаимодействие излучений с твердыми телами ................ 7.1. Поглощение электромагнитных излучений твердым телом (классическое рассмотрение) ................................. 7.2. Поглощение и излучение электромагнитных волн твердыми телами (квантовое рассмотрение) ................... 7.3. Излучение электромагнитных волн твердыми телами ... Заключение .................................................................................... Список рекомендуемой литературы ......................................... Именной указатель ....................................................................... Предметный указатель ................................................................ 268 271 276 281 292 302 303 312 317 321 321 331 337 346 348 349 350 359 Учебное издание ФИЗИКА В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Борис Евгеньевич Винтайкин Физика твердого тела Редактор Г.А. Нилова Художник Н.Г. Столярова Компьютерная графика М.А. Белявской Компьютерная верстка С.Ч. Соколовского Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.008880.09.06 от 29.09.2006 г. Подписано в печать 28.11.06. Формат 60×90/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печ. л. 22,5. Уч.-изд. л. 22,0. Тираж 3000 экз. Заказ Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5. Отпечатано с диапозитивов в ППП «Типография «Наука». 121099, Москва, Шубинский пер., 6. 360
