Физика твёрдого тела

Физика твёрдого тела — это раздел физики конденсированного состояния, изучающий структуру, свойства и поведение твёрдых тел. Основное внимание уделяется кристаллическим и аморфным материалам, их механическим, тепловым, электрическим, магнитным и оптическим характеристикам, а также квантовым явлениям, происходящим в них. Физика твёрдого тела является фундаментальной основой для материаловедения, электроники, нанотехнологий и многих инженерных дисциплин.

История

Зарождение и классический период

Начало физики твёрдого тела как самостоятельной науки относят к XIX веку. В 1824 году немецкий минералог Фридрих Моос разработал шкалу твёрдости. В 1850-х годах Огюст Браве математически описал 14 типов кристаллических решёток (решётки Браве). В 1895 году Вильгельм Рентген открыл рентгеновское излучение, а в 1912 году Макс фон Лауэ, Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг впервые получили дифракцию рентгеновских лучей на кристалле, что позволило экспериментально определять атомную структуру. В 1913 году Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг заложили основы рентгеноструктурного анализа.

Развитие квантовой теории

В 1920–1930-х годах с развитием квантовой механики были созданы теоретические модели, объясняющие свойства твёрдых тел. В 1928 году Феликс Блох разработал теорию электронных состояний в периодическом потенциале кристалла (теорема Блоха). В 1931 году Алан Уилсон и Фридрих Хунд ввели концепцию зонной структуры, разделив вещества на проводники, полупроводники и диэлектрики. В 1933 году Вальтер Шоттки предложил теорию точечных дефектов. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли изобрели транзистор, что дало мощный импульс прикладным исследованиям.

Современный этап

Во второй половине XX века физика твёрдого тела стала одной из наиболее быстро развивающихся областей. Были открыты высокотемпературная сверхпроводимость (1986, Георг Беднорц и Алекс Мюллер), квантовый эффект Холла (1980, Клаус фон Клитцинг), графен (2004, Андрей Гейм и Константин Новосёлов). В России и СССР значительный вклад внесли Яков Френкель (теория дефектов), Игорь Курчатов (сегнетоэлектричество), Александр Иоффе (физика полупроводников), Виталий Гинзбург (теория сверхпроводимости).

Структура твёрдых тел

Кристаллические тела

Твёрдые тела делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические тела характеризуются дальним порядком — периодическим расположением атомов или молекул в трёхмерной решётке. Элементарная ячейка — минимальный объём, повторением которого можно построить весь кристалл. Различают 7 кристаллических сингоний (кубическая, тетрагональная, гексагональная и др.) и 230 пространственных групп симметрии.

Аморфные тела

В аморфных телах (стёкла, полимеры, некоторые сплавы) дальний порядок отсутствует, атомы расположены хаотично, как в жидкости. Однако ближний порядок (упорядочение на расстоянии нескольких межатомных промежутков) сохраняется. Аморфные тела изотропны, не имеют чёткой температуры плавления и при нагреве размягчаются в интервале температур.

Дефекты кристаллической решётки

Реальные кристаллы всегда содержат дефекты, которые существенно влияют на свойства. Основные типы:

• Точечные: вакансии (отсутствие атома в узле), межузельные атомы, примеси замещения и внедрения.
• Линейные: дислокации (краевые, винтовые, смешанные).
• Поверхностные: границы зёрен, двойниковые границы, поверхность кристалла.
• Объёмные: поры, трещины, включения другой фазы.

Физические свойства

Механические свойства

Механические свойства твёрдых тел определяются типом межатомных связей и структурой. Основные характеристики: упругость (модуль Юнга, модуль сдвига), прочность (предел прочности при растяжении, сжатии, изгибе), пластичность, твёрдость, вязкость разрушения. Для металлов характерна высокая пластичность благодаря дислокациям, для керамики — хрупкость, для полимеров — вязкоупругость.

Тепловые свойства

Тепловые свойства включают теплоёмкость, теплопроводность, тепловое расширение. Классическая модель Дебая описывает теплоёмкость кристаллов через колебания решётки (фононы). При низких температурах теплоёмкость пропорциональна T³ (закон Дебая). Теплопроводность в диэлектриках осуществляется фононами, в металлах — преимущественно электронами.

Электрические свойства

Электрические свойства твёрдых тел определяются зонной структурой. В металлах валентная зона и зона проводимости перекрываются, электроны свободно движутся. В полупроводниках между ними существует запрещённая зона шириной от 0,1 до 3 эВ, проводимость можно изменять легированием. В диэлектриках ширина запрещённой зоны превышает 3 эВ, проводимость крайне мала. Особый класс составляют сверхпроводники — материалы, у которых при температурах ниже критической электрическое сопротивление исчезает полностью.

Магнитные свойства

Магнитные свойства обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов. Различают:

• Диамагнетики — слабо намагничиваются против внешнего поля (медь, висмут).
• Парамагнетики — слабо намагничиваются по полю (алюминий, платина).
• Ферромагнетики — обладают спонтанной намагниченностью (железо, никель, кобальт).
• Антиферромагнетики — магнитные моменты соседних атомов направлены антипараллельно (оксид никеля).
• Ферримагнетики — антипараллельные моменты не равны по величине (ферриты).

Оптические свойства

Оптические свойства включают поглощение, отражение, пропускание и преломление света. Металлы отражают свет благодаря свободным электронам (зеркальный блеск). Полупроводники и диэлектрики могут быть прозрачными в определённых диапазонах. В полупроводниках наблюдается край собственного поглощения, соответствующий ширине запрещённой зоны. Важное явление — фотолюминесценция (излучение света при облучении).

Методы исследования

Структурные методы

• Рентгеноструктурный анализ — определение кристаллической структуры по дифракции рентгеновских лучей.
• Нейтронография — дифракция нейтронов, позволяет изучать магнитные структуры.
• Электронная микроскопия — просвечивающая (ПЭМ) и сканирующая (СЭМ) для визуализации микроструктуры.
• Атомно-силовая микроскопия (АСМ) — исследование поверхности с атомным разрешением.

Спектроскопические методы

• Фотоэлектронная спектроскопия (XPS, UPS) — анализ электронной структуры.
• Рамановская спектроскопия — изучение колебательных мод.
• Инфракрасная спектроскопия — исследование фононных спектров.
• Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — локальное окружение атомов.

Электрофизические методы

• Измерение проводимости и эффекта Холла — определение концентрации и подвижности носителей.
• Вольт-амперные характеристики — для полупроводниковых приборов.
• Ёмкостная спектроскопия — исследование глубоких уровней.

Применение

Электроника

Физика твёрдого тела лежит в основе всей современной электроники. Полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, интегральные схемы) производятся из кремния, германия, арсенида галлия. В России крупнейшие центры — Научно-исследовательский институт физических проблем имени Ф. В. Лукина (Зеленоград), Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург).

Энергетика

• Солнечные батареи на основе кремния, перовскитов, тонкоплёночных материалов.
• Термоэлектрические генераторы — преобразование тепла в электричество (теллурид висмута, силициды).
• Топливные элементы — твёрдооксидные электролиты.

Материаловедение

• Конструкционные материалы — стали, сплавы, композиты, керамика.
• Функциональные материалы — сегнетоэлектрики (конденсаторы, пьезодатчики), магнитные материалы (постоянные магниты, головки записи), сверхпроводники (магниты для МРТ, ускорители).

Нанотехнологии

• Квантовые точки — полупроводниковые нанокристаллы для светодиодов и биомаркеров.
• Графен и углеродные нанотрубки — для гибкой электроники, сенсоров, композитов.
• Метаматериалы — структуры с необычными электромагнитными свойствами (отрицательный показатель преломления).

Перспективные направления

Топологические изоляторы

Материалы, которые внутри являются диэлектриками, а на поверхности — проводниками с особыми квантовыми состояниями (теллурид висмута, антимонид висмута). Потенциально применимы в спинтронике и квантовых вычислениях.

Многоферроики

Материалы, в которых одновременно существуют сегнетоэлектрические и магнитные свойства (например, манганат висмута). Позволяют создавать устройства с управлением электрическим полем магнитных свойств.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Поиск материалов, сверхпроводящих при комнатной температуре. В 2023 году сообщалось о сверхпроводимости в гидриде лютеция при 21 °C, но результаты не были воспроизведены независимыми группами. В России исследования ведутся в Институте физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина (Москва).

Квантовые вычисления

Физика твёрдого тела обеспечивает платформы для кубитов: сверхпроводящие контуры, квантовые точки, дефекты в алмазе (NV-центры). В России разработками занимаются Российский квантовый центр (Сколково) и Физический институт имени П. Н. Лебедева.

Известные учёные

• Александр Иоффе (1880–1960) — основатель советской школы физики полупроводников.
• Яков Френкель (1894–1952) — теория дефектов, экситонов, жидких кристаллов.
• Виталий Гинзбург (1916–2009) — теория сверхпроводимости (Гинзбург-Ландау), сегнетоэлектричество.
• Жорес Алфёров (1930–2019) — гетероструктуры в полупроводниковой электронике, Нобелевская премия 2000 года.
• Андрей Гейм (род. 1958) и Константин Новосёлов (род. 1974) — открытие графена, Нобелевская премия 2010 года.

Источники

• Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978.
• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твёрдого тела. — М.: Мир, 1979.
• Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твёрдого тела. — М.: Высшая школа, 2000.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Физматлит, 2001.
• Иоффе А. Ф. Физика полупроводников. — М.: Изд-во АН СССР, 1957.
• Гинзбург В. Л. О сверхпроводимости и сегнетоэлектричестве. — М.: Наука, 1977.