Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008)

ФИЗИКА В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Серия основана в 2003 году Научные редакторы д-р физ.-мат. наук, проф. Л.К. Мартинсон, д-р физ.-мат. наук, проф. А.Н. Морозов Москва Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана 2008 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 Реиензенизы: кафедра физики Московского энергетического института (Государственного технического университета), зав. кафедрой канд. фнз.-мат. наук, доц. О.А. Евтнхиева; д-р фнз.-мат. наук, проф. Р.Н. Кузьмин Виитайкин Б.К. Физика твердого тела: Учеб. пособие. — 2-е изд., стер. — М.: Изд-во МГТУ им.

Н.Э, Баумана, 2008. — 360 с.: ил. (Физика в техническом университете ! Под ред. Л.К. Мартинсона, А.Н. Морозова). В50 1БВ)х) 978-5-7038-2459-7 УДК 548,0(075.8) ББК 22.37 © Винтайкии Б.Е., 2006 © Оформление. Издательство МГТУ им, Ннй Баумана, 2006 1$ВХ 978-5-7038-2459-7 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 а устройствах магнитной записи, в магнитострикциониых преобразователях, различных устройствах на основе полупроводниковых р-л-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. 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 р — л-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.

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 вешеств, 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.