Учебно-методический комплекс Тюменский государственный университет 2008 удк : 53 (075. 3) Ббк в 3р
1 чел. помогло. | скачать РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА МЕХАНИКИ МНОГОФАЗНЫХ СИСТЕМ А. В. Ширшова ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА Учебно-методический комплекс Тюменский государственный университет 2008 УДК: 53 (075.3) ББК В3р АЗ: С195 А.В. Ширшова. Физика твердого тела. Учебно-методический комплекс. Предназначен для студентов ОДО специальности 070700 - теплофизика. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2008, 152 с. УМК включает: рабочую программу дисциплины, методические указания к практическим занятиям, тесты для самоконтроля, конспект лекций. Рабочая учебная программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Физика [электронный ресурс] / Режим доступа: http: www.umk.utmn.ru., свободный. Рекомендовано к печати Учебно-методической комиссией физического факультета. Одобрено Учебно-методической секцией Ученого совета Тюменского государственного университета. ^ А. Б. Шабаров, д.т.н., профессор РЕЦЕНЗЕНТЫ: С.П. Родионов, д. ф.-м.н. Н.И. Шабаева, к. ф.–м.н. © ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2008. © Издательство Тюменского государственного университета,2008. © А.В. Ширшова, 2008. СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...………………………………………………….……..41 Глава 1. Азбука кристаллографии…………………………..…...….….43 1.1. Пространственная решетка …………………………………..……….43 1.2. Система координат………….……………………………….…...….….44 1.3. Индексы узлов, узловых прямых и узловых плоскостей…….…….45 1.4.  Элементарная ячейка кристалла…………….……………..……...…481.5. Элементы симметрии...……………....………..…………………….....511.6. Cингонии…………………………….……………………………........….52 1.7. Обратная решетка………….........……………………………………...57 Глава 2. Методы структурного анализа………………………….....….65 2.1. Общие положения………………………………………………..……...65 2.2. Дифракция Вульфа – Брэгга…………………………..……………….67 2.3. Метод Лауэ. Межатомное взаимодействие....…………….…….…..69 2.4. Метод вращения кристалла………………………………………..…..72 2.5. Порошковый метод Дебая – Шеррера…………………….………....74 Глава 3. Межатомное взаимодействие………………..……………….76 3.1. Классификация твердых тел. Типы связей……..…………………...76 3.2. Энергия связи……………………………………………..……………...79 3.3. Молекулярные кристаллы……………………………………..……….84 3.4. Ионные кристаллы………………………………..……………………..89 3.5. Ковалентные кристаллы……………………………………..…………93 3.6. Металлы……………………………………..…………………………….98 Глава 4. Элементы квантовой статистики…..……………………102 4.1. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения…….…………………………………………………….…..102 4.2. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака………………………………………………………………………....104 4.3. Вырожденный электронный газ в металлах……….…………..…..107 4.4. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы…………….110 4.5. Выводы квантовой теории электропроводности металлов…......112 4.6. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона……..…114 Глава 5. Электрические свойства твердых тел……………..…...117 5.1. Понятие о зонной теории твердых тел…………………………..…117 5.2. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории…...120 5.3. Собственная проводимость полупроводников…………………....123 5.4. Примесная проводимость полупроводников………………….…...128 5.5. Фотопроводимость полупроводников…………………………...….134 5 6. Люминесценция твердых тел…………………………….……….….137 5.7. Контакт двух металлов по зонной теории……………….…….…...141 5 8. Термоэлектрические явления и их применение……….…….…....144 ^ Пояснительная записка. Согласно ГОСТ МВПО направления «Техническая физика» курс «Физика твердого тела» входит в цикл дисциплин специализации. В результате изучения данного курса студенты должны приобрести теоретические знания и практические навыки решения задач по следующим разделам: основы кристаллографии; типы связей; зонная структура; электронные волны в кристалле; металлы, диэлектрики, полупроводники; упругие свойства кристаллов; динамика кристаллической решетки; тепловые свойства кристаллов; коллективные явления; сверхпроводимость. Данный курс предполагает знание студентами курса общей физики в рамках университетской программы по физическим специальностям и инженерно-технических специальностей с увеличенным числом часов по физике. Цели и задачи: сформировать у студентов современное представление о физике твердого тела, дать глубокие и прочные знания одной из важнейших областей экспериментальной и теоретической физики, подготовить их к самостоятельной практической деятельности. ^
Содержание дисциплины
1. Межатомные силы и энергия связи. 2. Структурная кристаллография. 3. Дифракция излучения в кристаллах. 4 Электронные волны в кристалле. 5. Элементы зонной теории, энергия Ферми, квазичастицы. 6. Свойства полупроводников. 7 Термоэлектрические явления. 8. Тепловые свойства кристаллов. 9. Сверхпроводимость. Темы семинаров. Контрольные вопросы к экзамену. 1.Общий вид потенциала межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Ленарда-Джонса. 2.Симметрия твердых тел, элементы симметрии. 3.Решетка Бравэ. Вектор трансляции. Типы решеток Браве. 4.Обозначение узлов, направлений и плоскостей в кристалле с помощью индексов Миллера. 5.Условие дифракции Вульфа-Брэгга. 6.Основные экспериментальные методы рентгеноструктурного анализа. 7.Обратная решетка. 8.Семейство атомных плоскостей и его связь с вектором обратной решетки. 9.Условие дифракции Вульфа-Брэгга в терминах обратной решетки и как форма закона сохранения импульса в кристалле. 10.Сфера Эвальда. 11.Модель твердого тела. Адиабатическое приближение. Введение самосогласованного поля. Приближение сильной связи и квазисвободных электронов. 12.Энергетические зоны в приближении сильной связи. Локальные уровни энергии. 13.Зонная структура металлов, полупроводников, диэлектриков. 14.Ионная связь, примеры. 15.Ковалентная связь, примеры. 15. Металлическая связь, примеры. 16.Водородная связь, примеры. 17. Ван-дер-Ваальсова связь, примеры. 18. Классификация твердых тел по типу энергетического спектра и типу межатомной связи. 19. Влияние поверхности на энергию связи электрона. Работа выхода. 20. Контактная разность потенциалов. 21. Термоэлектрические явления и их применение 22.Собственная и примесная проводимости полупроводников 23.Фотопроводимость полупроводников. 24. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n - переход) 25. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) 26. Дефекты и термодинамическое равновесие. 27. Дислокации и рост кристаллов. 28. Точечные дефекты и электропроводность ионных кристаллов 29. Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти. 30. Теплопроводность твердых тел. 31. Сверхпроводимость и критическая температура. 32. Магнитные свойства и идеальный диамагнетизм. 33. Качественная микроскопическая теория сверхпроводимости. Основная литература.
3. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела, 2001г. 4. Ширшова А.В. «Структурная кристаллография». Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физика твердого тела» для студентов физического факультета. ТГУ, 2005г. Дополнительная литература.
занятиям ^  1. Основные кристаллографические представления. 1.1. Пространственная решетка. Большинство твердых веществ находится в кристаллическом состоянии. Кристалл однороден по химическому составу и физическим свойствам, т. е. два его любых участка одинаковой формы, объема и ориентировки идентичны по своим свойствам. Однако многие физические характеристики (тепловые, электрические, магнитные, прочностные и некоторые другие) анизотропны, т.е. различны в зависимости от направления в кристалле. Важным свойством кристаллов является их способность образовывать при равномерных условиях правильные многогранники, форма которых характерна для каждого вещества. Это свойство является следствием периодической закономерности в расположении атомов, которая в каждом конкретном случае может быть описана некоторым математическим законом, отвечающим определенным закономерностям симметрии. Другим важным следствием правильной внутренней структуры является симметрия внешней формы кристаллов, которая проявляется в закономерном повторении граней определенной формы, размеров и ребер определенной длины. Трехмерная периодичность в расположении атомов (ионов, молекул или групп атомов) вещества позволяет построить связанную с этим расположением пространственную решетку. Повторяющиеся элементы («точки») этой решетки называются узлами. В наиболее простых случаях положение узлов решетки совпадает с положением центров атомов (ионов), в более сложных – узел может быть геометрическим центром или центром тяжести определенной атомной группировки. Прямые, проходящие через узлы пространственной решетки, называются узловыми прямыми; плоские сетки, образованные узловыми прямыми – узловыми плоскостями. Любое направление в кристалле, совпадающее с направлением узловой прямой, называется кристаллографическим направлением. Расстояние между двумя ближайшими однотипными узлами в данном кристаллографическом направлении называется периодом идентичности или периодом повторяемости. 1.2. Система координат. Для описания пространственной решетки вводят систему координатных осей следующим образом: начало координат помещают в один из узлов решетки, три координатных оси должны совпадать с тремя некомпланарными кристаллографическими направлениями. Описание решетки оказывается наиболее простым и удобным, если выбор осей соответствует симметрии кристалла и его пространственной решетки. Кристаллографические направления, совпадающие с выбранными осями координат, называются основными кристаллографическими осями. Углы между ними , и (рис.1) являются важными характеристиками пространственной решетки. Три вектора, направленные вдоль основных осей и равные по длине соответствующим периодам идентичности, принято называть основными векторами или элементарными трансляциями (  на рис.1). При таком описании положение любого узла может быть определено вектором   т.е. в любой узел решетки можно попасть из начало координат путем соответствующего числа (m, n, p) элементарных перемещений вдоль основных координатных осей. Такие элементарные перемещения также называются элементарными трансляциями.   Рис.1. Выбор системы координат в пространственной решетке. 1. 3. Индексы узлов, узловых прямых и узловых плоскостей. Если положение данного узла задано вектором  , то числа m, n и p по существу являются координатами узла решетки и называются индексами узла.В пространственной решетке можно провести бесконечное число узловых прямых. Узловые прямые, параллельные между собой, образуют семейство узловых прямых. Для характеристики направления прямых данного семейства достаточно определить направление одной из его прямых – той, которая проходит через начало координат. Положение её по отношению к основным кристаллографическим осям однозначно характеризуется координатами ближайшего к началу координат узла. Таким образом, координаты этого узла являются индексами узловой прямой. Индексы узловых прямых при написании отличают от индексов узлов тем, что первые условились заключать в квадратные скобки (например, u, v, w, а вторые - в двойные квадратные скобки - u, v, w ). Пространственная решетка кристалла характеризуется также различными совокупностями параллельных и равноотстоящих друг от друга узловых плоскостей, которые называются семействами узловых (атомных) плоскостей. d1 d2          d3   Рис. 2. Семейства плоскостей. Межплоскостные расстояния. Кратчайшее расстояние между соседними плоскостями данного семейства называется межплоскостным расстоянием и обозначается буквой d. На рис. 2 приведены проекции нескольких семейств плоскостей и указаны соответствующие межплоскостные расстояния. Пространственное расположение плоскостей данного семейства однозначно определяется расположением одной из параллельных плоскостей. Для определенности берут плоскость семейства, ближайшую к началу координат, но не проходящую через начало координат. В общем случае такая плоскость отсекает на координатных осях отрезки, величина которых может быть выражена в долях элементарных трансляций. Пусть, например, плоскость отсекает на осях отрезки a/h, b/k, c/l (рис.3).  ^ ксов плоскости. Числа h, k, l, характеризующие наклон плоскости по отношению к основным кристаллографическим осям, являются координатами или индексами данной плоскости и, в то же время, –индексами всего семейства параллельных плоскостей. Индексы плоскостей принято заключать в круглые скобки – (h k l), причем запятые между h,k,l не ставятся. По имени ученого, впервые предложившего такое определение индексов, они называются индексами Миллера. Если h, k, l являются дробными, то индексами семейства служат целые числа – числители, приведенных к общему знаменателю, дробей. Так, например, если плоскости отсекают по оси x отрезок a/2, по оси y – 2b/3, а по оси z –1, т.е. h=2, k=3/2, l=1, то индексы Миллера в данном случае есть (432). Если плоскость отсекает на какой- либо оси отрезок в отрицательном направлении, то над соответствующим индексом ставится знак минус (например, (  )). Если плоскости семейства параллельны какому-либо из основных кристаллографических направлений, т.е. пересекают его в бесконечности, то соответствующий индекс Миллера равен 0 (например, плоскости семейства (hk0) параллельны оси z). Если плоскости семейства параллельны какой-либо из координатных плоскостей, т.е. параллельны двум основным осям, то два соответствующих индекса равны 0 (так плоскости (00l) параллельны координатной плоскости xy, а (0k0) – плоскости xz). Легко убедится, что семейства плоскостей с небольшими межплоскостными расстояниями dhkl имеют сравнительно большие индексы Миллера, а семейства с большими dhkl - относительно малые индексы. Число узлов, приходящихся на единицу площади плоскости данного семейства, называется ретикулярной плотностью. Если рассматривать только такие семейства плоскостей, каждое из которых содержат все узлы решетки, то системы с наибольшими dhkl будут содержать плоскости с наибольшей ретикулярной плотностью (т.к. число атомов в данном кристалле постоянно). Геометрический смысл индексов плоскости (hkl) ясен из уравнения плоскости в отрезках, представленного в декартовых координатах X,Y,Z:  (4) Уравнение (4) есть уравнение первой от начало координат плоскости семейства hkl. 1 . 4. Элементарная ячейка кристалла.Параллелепипед, построенный на трёх основных векторах   и  , называется элементарной ячейкой кристалла. Поскольку основные векторы являются периодами идентичности в трёх основных кристаллографических направлениях, то элементарная ячейка является тем наименьшим «кирпичиком» структуры, путём многократного параллельного переноса которого вдоль трёх основных осей может быть мысленно построен весь кристалл. Доказано, что наиболее рациональным для описания атомной пространственной структуры данного кристалла является выбор основных векторов в соответствии со следующими правилами: 1) симметрия, получающаяся при этом элементарной ячейки, должна соответствовать симметрии решетки; 2) число равных ребер и число равных углов элементарного параллелепипеда должно быть по возможности максимальным; 3) при наличии прямых углов число их должно быть также по возможности максимальным. При соблюдении первых трех условий объем элементарной ячейки должен быть минимальным из всех возможных. Величины трех ребер элементарной ячейки (a, b, c), в совокупности с величинами трех углов между осями параллелепипеда (  ) называются параметрами элементарной ячейки. Элементарная ячейка называется простой или примитивной, если атомы (ионы) находятся только в ее вершинах. В сложных элементарных ячейках атомы могут находиться, кроме вершин, на гранях и в объеме. Число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, в кристаллах химических соединений может изменяться от одного (рис.4а) до десятков, сотен и даже тысяч (последнее - в случае сложных органических соединений).В непримитивных элементарных ячейках узлы, в которые возможен переход из данного узла путем элементарных трансляций, называется трансляционно-идентичными (в таких узлах обязательно должны располагаться атомы одного сорта), а узлы, в которые нельзя попасть путем таких трансляций – трансляционно-неидентичными между собой. Трансляционно- неидентичные атомы, приходящиеся на одну элементарную ячейку, называют базисными атомами, а совокупность координат всех базисных атомов (узлов)- базисом элементарной ячейки. Базис примитивной ячейки – (000) (рис. 4а). Базис ячейки, у которой, кроме атомов в вершинах имеется атом в центре объема (так называемая объемноцентрированная ячейка на рис. 4б) -   0 0 0 Базис ячейки, у которой кроме атомов в вершине, имеются атомы в центре каждой грани (т.н. гранецентрированная ячейка), рис.4в-   0 0 0 0 0 0 Рис.4. Типы элементарных ячеек: а) примитивная; б) объемноцентрированная; в) гранецентрированная ^ Симметрия – способность твердого тела совмещаться с самим собой в результате его движения или воображаемых операций над ним. Рассмотрим три основных операции симметрии. 1. Ось симметрии n-ого порядка. Если тело совмещается с самим собой при повороте на угол  вокруг оси, то ось называется осью симметрии n-ого порядка.2. Плоскость симметрии. Если тело совмещается с самим в результате зеркального отражения его точек в некоторой плоскости, то эта плоскость называется плоскостью симметрии. ^ Если тело совмещается с самим собой при инверсии относительно некоторой точки, то эта точка называется центром симметрии или центром инверсии. Комбинации этих основных элементов симметрии приводит к сложным элементам симметрии, например, к инверсионному повороту, т. е. комбинации поворота с одновременной инверсией и т.п. При преобразовании рассмотренных выше элементов симметрии хотя бы одна точка остается неподвижной. Поэтому они называются точечными элементами симметрии. В твердых телах и геометрических фигурах возможны оси симметрии любых порядков, в кристаллах же возможны только оси симметрии 1, 2, 3, 4, 6. В них невозможны оси симметрии 5-ого и порядка выше 6-ого. Это ограничение обусловлено тем, что кристаллическое вещество – бесконечная система материальных частиц, симметрично повторяющихся в пространстве. Такие симметричные бесконечные ряды, сетки, решетки, непрерывно заполняющие пространство, несовместимы с осями 5, 7, и других более высоких порядков. 1. 6. Cингонии. По характеру симметрии кристалла и его пространственной решетки, от которой зависят, в частности, соотношения между параметрами элементарной ячейки, все виды пространственных решеток могут быть отнесены к одной из семи систем или сингоний (триклинной, моноклинной, ромбической, ромбоэдрической, гексагональной, тетрагональной, кубической). Характерные особенности каждой сингонии и формулы, связывающие величины межплоскостных расстояний с индексами соответствующих семейств плоскостей и параметрами решетки, т.н. квадратичные формы, приведены в табл.№1. Пространственные решетки, в которых атомы расположены только в вершинах элементарных ячеек (узлах), называются простыми или примитивными. Решетки, в которых атомы расположены не только по вершинам, но и внутри ячеек и на их гранях, называются сложными. Очевидно, химические соединения не могут иметь простые решетки, Среди химических элементов простую (ромбоэдрическую) решетку имеет одна лишь ртуть. Для металлов характерны сложные плотно упакованные решетки. Наиболее распространены среди металлов решетки объемноцентрированная кубическая ( ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и компактная гексагональная. Помимо атомов в вершинах (узлах), ячейки этих решеток содержат по одному атому: ОЦК – в центре куба, ГЦК – в центрах каждой из шести граней куба, гексагональная компактная – в центре двух трехгранных призм, образующих параллелепипед. В простой пространственной решетке на долю одной элементарной ячейки приходится всего один атом (каждой из восьми атомов, расположенных в вершинах, принадлежит одновременно восьми соседним ячейкам 8  =1).В cложных пространственных решетках на долю элементарной ячейки приходится несколько атомов. Сложные решетки можно рассматривать как совокупность нескольких простых решеток, вставленных друг в друга. Число этих простых решеток равно числу атомов, приходящихся на долю сложной элементарной ячейки. Сложные решетки называются иногда решетками с базисом. Под базисом решетки понимают совокупность координат атомов, входящих в сложную элементарную ячейку, выраженных в осевых единицах. В таблице № 2 приведены данные о базисе основных решеток, коэффициенте заполнения  (отношения объема, занимаемого атомами, к объему элементарной ячейки) и координационном числе – к.ч. (число ближайших соседних атомов в решетке).(110). В кубической сингонии их называют плоскостями ромбического додекаэдра. Плоскости, пересекающие одну ось и параллельные двум другим (например, осям Y и Z) обозначают (100) и называют в кубической решетке плоскостями куба. ^ Под кристаллографическими индексами направления понимают три целых взаимно простых числа, пропорциональных координатам любого атома, лежащего на данном направлении, измеренным в осевых единицах. При установлении кристаллографических индексов данного направления его необходимо перенести параллельно самому себе в начало координат. Для кубической сингонии индексы направления  , перпендикулярного к плоскостям (001), численно равны индексам этой плоскости. Так индексы оси X равны  , а индексы плоскости, перпендикулярной оси Y, равны (010).Угол между двумя направлениями в кубической сингонии с индексами  и  может быть найден из уравнения cos =  (5)Совокупность семейств плоскостей, параллельных одному направлению  в решетке, называется кристаллографической зоной, а само направление осью зоны. Между индексами оси зоны и индексами (hkl) плоскостей, входящих в данную зону, имеет место следующая зависимость hu+kv +lv =0 (6) Уравнение (6) определяет таким образом условие зональности. Каждое семейство плоскостей с индексами (hkl) характеризуется также своим межплоскостным расстоянием d, то есть расстоянием между двумя соседними параллельными плоскостями В случае сложной решетки, состоящей как бы из нескольких простых, межплоскостное расстояние равно расстоянию между соседними параллельными плоскостями одной простой решетки. Так в случае ОЦК межплоскостное расстояние для плоскостей (100) равно периоду решетки а, но не а/2. Между индексами (hkl), величиной d и периодами решетки а,b,c, существует зависимость, различная для каждой сингонии. Приводим те из них, которые часто используются в рентгеноструктурном анализе поликристаллов. Все кристаллографически идентичные семейства плоскостей образуют совокупность плоскостей, обозначаемую фигурными скобками {hkl}. Так в кубической сингонии совокупность плоскостей куба {100} содержит шесть кристаллографически идентичных семейств плоскостей  , , . Если, например, путем различных операций симметрии повернуть (001) в любое из остальных четырех семейств плоскостей, то новое положение решетки совпадет с начальным. В этом и заключается кристаллографическая идентичность.Важнейшим признаком кристаллографически идентичных плоскостей является то, что они обладают одинаковым межплоскостным расстоянием. Поэтому количество кристаллографически идентичных плоскостей (семейств плоскостей) для любой совокупности равно числу возможных перестановок местами и знаками индексов, входящих в данную совокупность, не изменяющих величины межплоскостного расстояния. В качестве примера рассмотрим те же шесть плоскостей. В случаи кубической сингонии согласно (7) для всех шести семейств плоскостей куба d=a,и они входят в одну совокупность. В случае тетрагональной сингонии (см. формулу (8)) эти шесть плоскостей разбиваются на две совокупности. В одну из них {100} входят четыре плоскости: (100),  Для них d=a.Во вторую совокупность {001} входят две плоскости (001) и  . Для них da.Приводим количество кристаллографически идентичных плоскостей P для совокупностей с разными индексами в кубической сингонии (таблица 4). В геометрической кристаллографии, изучающей формы кристаллов и многогранников, рассмотренному представлению о совокупности кристаллографически идентичных плоскостей соответствует представление о простой форме. Под простой формой понимают совокупность граней, которые может быть выведена из одной посредством разных операций симметрии. То же можно сказать и о совокупности кристаллографически идентичных семейств плоскостей. Рассмотрим шлиф поликристаллического образца металла с кубической решеткой, в которой зерна ориентированы беспорядочно. В различных зернах параллельными плоскостями шлифа окажутся разные кристаллографические семейства плоскостей. Если теперь каким либо методом (фигур травления, фигур давления и др.) определить эти плоскости, то окажется (при большом числе зерен), что число зерен, ориентированных параллельно плоскости шлифа плоскостям (100), (110), (111) будет относиться как P  : P : P =6: 12: 8.При наличии преимущественной ориентировки (текстуры) это отношение будет нарушено. ^
|
плохо
2хорошо
1отлично
2 