Физика твердого тела Курс лекций Содержание курса

Физика твердого тела Курс лекций

Содержание курса • Тема 1. Принципы строения конденсированных систем. Влияние новых материалов на развитие технологий • Тема 2. Точечная симметрия. Текстуры. Симметрия в науке, технике и технологиях • Тема 3. Симметрия строения кристалла • Тема 4. Индексы Миллера и Миллера-Браве кристаллографических направлений и плоскостей. Некоторые формулы структурной кристаллографии. Обратная решётка • Тема 5. Экспериментальные методы структурных исследований кристаллов • Тема 6. Основы рентгеноструктурного анализа • Тема 7. Химические связи в кристаллах инертных газов и ионных кристаллах. Ионные радиусы • Тема 8. Ковалентная, металлическая и водородная связь. Кристаллохимические радиусы. Образование и синтез кристаллов. • Тема 9. Фононы и колебания решетки. Один атом в базисе • Тема 10. Фононы и колебания решетки. Два атома в базисе • Тема 11. Методы исследований законов дисперсии фононов • Тема 12. Закон Гука для анизотропной сплошной среды • Тема 13. Упругие волны в кристаллах. Уравнение Кристоффеля. Кристаллы в акустоэлектронике и пьезотехнике • Тема 14. Температурная зависимость теплоемкости твердых тел. Модель Эйнштейна • Тема 15. Модель теплоемкости Дебая • Тема 16. Ангармонические эффекты в кристаллах • Тема 17. Типы поляризации твердых тел. Внутреннее поле в диэлектриках • Тема 18. Диэлектрическая релаксация. Уравнение Дебая

Основная и дополнительная литература, информационные ресурсы ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. —М. : Наука, 1978. 2. Ашкрофт Н. , Мермин Н. Физика твердого тела. Т. 1, 2. —М. : Мир, 1979. 3. Зиненко В. И. , Сорокин Б. П. , Турчин П. П. Основы физики твердого тела. — М. : Физматлит, 2001. 4. Павлов П. В. , Хохлов А. Г. Физика твердого тела – М: Высшая школа, 2000. 5. Физика твердого тела. Под редакцией И. К. Верещагина – М: Высшая школа, 2001. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 5. Шаскольская М. П. Кристаллография. —М. : Высшая школа, 1984. 6. Задачи по физике твердого тела. /Под. ред. Г. Дж. Голдсмита. —М. : Наука, 1976. 7. Переломова Н. В. , Тагиева М. М. Задачник по кристаллофизике. —М. : Наука, 1982.

Принципы строения конденсированных систем. Влияние новых материалов на развитие технологий Лекция 1 Почему только что выпавшие снежинки всегда шестиугольны, пушисты, как перышки, с шестью лучами? Почему точно также не выпадают пятиугольные или семиугольные … И. Кеплер

О физике твердого тела Предмет ФТТ- свойства веществ в твердом состоянии, их взаимосвязь с микроскопическим строением и составом, прогнозирование и поиск новых материалов и физических эффектов в Них ФТТ - это основа для физического материаловедения, физики металлов, физика проводников, физики диэлектриков и полупроводников, физики магнитных явлений, физики наноматериалов.

Физика твердого тела –изучает физические свойства веществ в твердом состоянии в зависимости от их атомно-молекулярного строения. Физика твердого тела -сравнительно новая дисциплина начала формироваться в начале 20 го века, однако ускоренное развитие получила во второй половине 20 века.

Предпосылками к возникновению ФТТ были: (1)кристаллография - наука о строении кристаллов. (2) квантовая физика. (3)практические потребности в объяснении свойств (4)материалов и необходимость направленного поиска (5)материалов с заданными свойствами.

Успешное развитие ФТТ тела привело к возникновению самостоятельных дисциплин : (1) физики диэлектриков и полупроводников, (2) физики магнитных явлений.

Образование твердого состояния вещества обусловлено энергетической выгодой. Твердые тела существуют только в определенном интервале температур и давлений.

Приближения используемые в ФТТ Кристалл рассматривается как • бесконечно протяженный • совершенный • беспримесный

Научный подход к изучению кристаллов начал формироваться в средние века. Закон огранки кристаллов • Закон постоянства двугранных углов: Углы между соответственными гранями кристаллов данного вещества постоянны и характерны для данных кристаллов (Никола Стенон -1669 г. ) • Закон рациональных параметров: взаимные наклоны граней таковы, что отрезки, отсекаемые плоскостями граней на кристаллографических осях (продолжениях ребер), относятся как целые числа. (Закон Р. Ж. Гаюи -1781 г. )

Периодичность внутреннего строения. Еще до появления экспериментальных методов изучения структуры кристаллографы пришли к заключению, что для кристаллов характерна пространственная трехмерная периодичность укладки образующих их элементов – минимальных блоков, содержащих атомы или молекулы. С точки зрения теории симметрии периодичность возникает под действием элементов симметрии – называемых трансляцией. Кристаллы дают многочисленные примеры проявлений геометрической симметрии, однако, число законов симметричного строения ограничено и их действие точно известно.

Равновесие системы с большим числом частиц n (n ) описывается термодинамикой и статистической механикой. Свободная энергия F системы определяется как: F = U – TS U - внутренняя энергия, S – энтропия, T – абсолютная температура Минимум F соответствует наиболее устойчивому состоянию системы и определяет ее конфигурацию. Система из n частиц характеризуется 6 n параметрами: компонентами векторов координат и импульсов. Взаимодействие частиц определяет внутреннюю энергию U. В низшем энергетическом состоянии (при T= 0) F = U и состояние системы частиц определяется минимумом внутренней энергии U(r). Многообразие типов атомов и сил, действующих между атомами определяет , громадное разнообразие конкретных кристаллических структур. Возникновение конкретных структур можно рассматривать как закон природы.

Применения ТТ и физических эффектов в практических целях оказало влияние на развития мировой цивилизации. Первый кристаллических резонатор - разработан в 1921 г. У. Кэди. В 1927 г. были созданы часы на основе кварца с частотой колебания 50 к. Гц.

Полупроводниковые материалы оказали решающее влияние на развитие в радиоэлектронике, Начиная с 50 -х гг. 20 в произошла замена электронных ламп на миниатюрные высокоэффективные полупроводниковые устройства, которые нашли широкое применение: в приборах связи, управляющих устройствах и компьютерной технике. В настоящее время в полупроводниковой электронике – диодах, транзисторах, микросхемах различной степени интеграции и т. п. используется преимущественно синтетический сверхчистый кремний, в светодиодах, инжекционных лазерах – материалы на основе арсенида галлия (и ему подобных).