fizyka ciała stałego
 
Encyklopedia
fizyka ciała stałego,
dział fizyki, którego przedmiotem jest budowa atomowa i właściwości fiz. ciał stałych (krystalicznych i bezpostaciowych), a także zjawiska i procesy zachodzące w ich wnętrzu i na powierzchni pod wpływem różnych czynników zewnętrznych.
Przedmiotem zainteresowań fizyki ciała stałego są gł. ciała stałe krystal., charakteryzujące się uporządkowanym, okresowym rozmieszczeniem atomów tworzących tzw. sieć krystal., a także ciała stałe bezpostaciowe, które takiego uporządkowania nie wykazują. Ze względu na klasy ciał stałych, będących przedmiotem badań, rozróżnia się szczegółowe działy fizyki ciała stałego, np. fizykę metali, fizykę półprzewodników, fizykę magnetyków i in.; wyodrębnia się także fizykę defektów zajmującą się zakłóceniami idealnej budowy ciał stałych i wpływem tych zakłóceń na ich właściwości (defekty struktury krystalicznej).
Za okres narodzin właściwej fizyki ciała stałego można uważać pierwsze dziesięciolecia bieżącego stulecia, kiedy opierając się na powstającej wówczas teorii kwantów zaczęto rozumieć podstawowe właściwości ciał stałych. A. Einstein (1906), a następnie nieco dokładniej P.P. Debye (1911), wyjaśnili „anomalną” zależność ciepła właściwego ciał stałych od temperatury w obszarze niskich temperatur występowaniem efektów kwantowych. Odkrycie dyfrakcji promieni rentgenowskich na kryształach (1912 M. von Laue oraz 1913 W.H. i W.L. Braggowie) umożliwiło określanie struktury krystal. ciał stałych. Dzięki pracom A. Sommerfelda, F. Blocha, A.H. Wilsona i L. Brillouina na przeł. lat 20. i 30. zrozumiano, korzystając z mechaniki kwantowej, właściwości elektr. wszystkich klas ciał stałych (pasmowa teoria ciała stałego). W 1934 G.J. Taylor, E. Orowan i M. Polanyi wykazali, że plast. odkształcenie kryształu jest związane przede wszystkim z wytworzeniem i ruchem defektów struktury krystal. zw. dyslokacjami. Niezwykle intensywny rozwój fizyki ciała stałego, a zwłaszcza fizyki półprzewodników, rozpoczął się po II wojnie świat. i trwa do dziś. Wynalezienie tranzystora (1948 J. Bardeen i W.H. Brattain, 1949 W.B. Shockley) zapoczątkowało zupełnie nową erę w elektronice.
Do współcz., kwantowego opisu wielu właściwości ciał stałych stosuje się język teorii tzw. wzbudzeń elementarnych, tj. kolektywnych wzbudzeń elektronów lub atomów całego kryształu. Kwantami takich wzbudzeń, tj. kwazicząstkami, są np. fonony dla fal sprężystych (drgań sieci krystal.), magnony dla fal spinowych, plazmony dla fal zagęszczeń ładunku. Współczesna f.c.s. rozszerzyła zakres swoich badań na nowe, nie znane wcześniej obiekty, jakimi są m.in. struktury dwu- i wielowarstwowe. Na bazie struktur wielowarstwowych wytwarza się obecnie i bada układy mezoskopowe lub nanostruktury o nowych interesujących właściwościach elektr., opt. i magnet.; znajdą one prawdopodobnie zastosowania w mikroelektronice kolejnej generacji. Wykrycie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (J.G. Bednorz i K.A. Müller) zapoczątkowało lawinowy rozwój badań mających na celu wyjaśnienie mechanizmu zjawiska oraz ewentualne znalezienie materiałów wykazujących nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej. Prowadzi się intensywne badania nowych krystalicznych postaci węgla (fulerytów), zbudowanych z molekuł węgla C60, C70 i in. (fulereny), bada się nanorurki węglowe o interesujących właściwościach mech. i elektrycznych.
Fizyka ciała stałego posługuje się bardzo różnorodnymi metodami badawczymi: mech., elektr., opt., magnet., kalorymetrycznymi, dyfrakcji promieni rentgenowskich i elektronów. Nowoczesne metody badania ciała stałego wykorzystują promieniowanie mikrofalowe i synchrotronowe oraz liczne zjawiska, takie jak rezonans magnet., dyfrakcja i rozpraszanie neutronów, rozpraszanie szybkich jonów oraz ich tzw. kanałowanie, efekt Mössbauera, tunelowanie elektronów. Badania są prowadzone często w skrajnych warunkach eksperymentalnych, tj. w najniższych temperaturach, bardzo wysokich ciśnieniach, silnych polach magnet., bardzo wysokich próżniach. Badanie struktury ciał stałych w skali atomowej umożliwia mikroskopia elektronowa. Fizyka ciała stałego jest podstawą innych dziedzin nauki, takich jak krystalografia, chemia ciała stałego, metaloznawstwo, elektronika, inżynieria materiałowa.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia