Szilárdtestfizika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Lapcentrált köbös rács elemi cellája.

A szilárdtestfizika a kondenzált anyagok fizikájának egyik ága, a szilárd anyagok tanulmányozásának tudománya, melynek legáltalánosabb elméleti és gyakorlati eszközei a kvantummechanika és a kristálytan. A szilárd anyag makroszkopikus elektromos, mechanikai tulajdonságait magyarázza az azt felépítő atomok elemi tulajdonságaiból és az anyag szerkezetéből kiindulva. A kristályrácsban található atomok periodicitása miatt olyan modellek alkothatók, melyekben a tömbi anyag sok tapasztalt jellemzője (többek között elektromos, mágneses, mechanikai, optikai, spintronikai stb. szempontok szerint) megmagyarázható.

A szilárdtestfizika adja az elméleti hátteret az anyagtudományhoz, melynek számos gyakorlati alkalmazása van például a félvezetőiparban és a nanotechnológiában.

Történet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az anyagok vizsgálatának története régi múltra nyúlik vissza, azonban szilárdtestfizikáról, mint tudományterületről csak az 1940-es évektől beszélhetünk. Tekinthetjük a szilárdtestfizika kezdőpontjának az Amerikai Fizikai Társaság DSSP (Department of Solid State Physics) osztályának létrejöttét, melyet azért hoztak létre, hogy ipari eredmények kellő elméleti hátterét alkossa meg és további alkalmazásoknak nyisson utat.

A második világháború után Európa is bekapcsolódott a szilárdtestfizikai kutatásokba, főleg Anglia, Németország és a Szovjetunió részvételével.[1]

A szilárdtestfizika témái[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A grafén Brillouin-zónája körüli háromdimenziós sávdiagram. A Brillouin-zóna K-pontjában a vegyértéksáv és a vezetési sáv összeér, mely az anyagnak félfémes jelleget ad.
Példa egykristály, polikristályos és amorf szerkezetre. A kémiai összetétel mellett a szerkezeti jellemzők is nagyban befolyásolhatják az anyag tömbi viselkedését.

A szilárdtestfizika témakörébe egymáshoz kisebb-nagyobb mértékben kötődő fizikai modellek tartoznak, melyek közös vonása hogy alapjukat jellemzően kvantummechanikai elvek adják és következtetéseik az anyagtudományban nyerhetnek alkalmazást.

Rácsrezgések szilárdtestekben[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szilárdtestfizika egységes elméletet biztosít a rácsban terjedő akusztikus és optikai rezgések leírására. A rácsrezgések klasszikus leírása több ponton eltér a tapasztalatoktól (például a szilárdtest fajhőjének hőmérsékletfüggését illetően), a kvantummechanikai elveken alapuló Einstein-modell[2] és Debye-modell[3] pontosabb képet szolgáltat. A fononok, azaz a rácsrezgés kvantumainak koncepciója bevezetésével lehetővé válik, hogy egy elméletben írjuk le a rácsban többek között a termikus és diffúziós jelenségeket, a szóródási folyamatokat és az elektromágneses térrel való kölcsönhatásokat.

Szilárdtestek elektronszerkezete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szilárdtestfizika alapjait a kvantummechanika Schrödinger-féle formalizmusa alkotja. A szabad atomok körüli potenciáltér az elektronok számára diszkrét energianívókat ad, melyek az elektronok számára megengedett és tiltott energiasávokká alakulnak, ahogy az atomok egymáshoz közel kerülve egymás potenciálterébe érnek. A pusztán egy atomhoz tartozó elektronok, ahogy "érezni kezdik" a rács más atomjaihoz tartozó elektronok hatását, úgy rendeződnek át, hogy ne sértsék a Pauli-elvet.

A Bloch-tétel, amely leírja a sávelektronok hullámfüggvényét periodikus potenciálban, igen fontos kiindulópontja az elméleteknek. A Bloch-tétel csak periodikus potenciálokra érvényes, de az atomok folyamatos, véletlenszerű mozgása a kristályrácsban megtöri ezt a periodicitást. Ugyanígy az anyag más eredetű inhomogenitásai, például szennyezők az anyagban, rácshibák, külső hatások szintén eltéréseket okozhatnak egy leegyszerűsített elmélettől, ezért a szilárdtestfizika kísérletet tesz ezek leírására is.

Szerkezetfüggő jelenségek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Általános tapasztalat, hogy az anyagok tömbi viselkedését nem egyedül az határozza meg, hogy kémiai összetételük milyen, hanem egyes esetekben nagyon fontos lehet az anyag építőköveinek rendeződési elve, például hogy az adott anyag milyen kristályrácsban kristályosodik. A szilárdtestfizika magyarázatot ad arra, hogy miért különböznek az jellemzői a gyémántnak, a grafitnak, a grafénnek, a szén nanocsőnek[4] és egyéb fulleréneknek annak ellenére hogy mind csupán szén atomokból állnak, egymás allotrópjai.

Az alacsony dimenziós szilárdtestek (olyan testek, melyeknek legalább egy kiterjedése esik az atomi méretskála közelébe) a méretüknek köszönhetően különleges tulajdonságúak. A nagy felület-térfogat arány következtében felerősödnek a felületi jelenségek (pl szén nanocsövek[4] esetén már nem is beszélhetünk tömbi anyagról, az egész szerkezet tulajdonságait nagyban befolyásolja a csőfal viselkedése). Ha a szerkezet egyes méretei elérik a rendszer fizikai leírásánál alkalmazott modellbeli hullámhosszakat (például ha egy nanoszalag sélessége összemérhető a benne található sávelektronok hullámhosszával) akkor kvantumbezárási jelenségeket (angol kifejezéssel quantum confinement) tapasztalunk. Sok félvezető anyag esetén bizonyos alacsony dimenziós szerkezetben ez szobahőmérsékleten is bekövetkezik, részben ez az oka annak, hogy a félvezető nanoszerkezetekre nagyon sok gyakorlati alkalmazást találunk. Az ilyen szerkezetekkel a nanotechnológia és a felületfizika foglalkozik.

A szilárdtestfizika kísérleti módszerei[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Mivel a szilárdtestfizika az anyagtudomány elméleti hátteréül szolgál, nagyban támaszkodik annak kísérleti eredményeire, a szilárdtestfizikai kutatásokban sok anyagtudományos vizsgálati módszert alkalmaznak. Oly sok módszer és eljárás ismert, hogy felsorolásuk nem lehetséges, de néhány alapvető kategória megadható. A legtöbb vizsgálati módszert az alábbi négy kategóriába sorolhatjuk:[5][6][7]

Természetesen léteznek további, esetleg a fenti csoportosításba nem illeszthető méréstechnikai eljárások, illetve olyanok is, melyek több kategóriába is sorolhatók. Így például transzmissziós elektronmikroszkóp segítségével mikroszkópi leképezésre és elektron spektroszkópiai, vagy diffrakciós mérésre is lehetőségünk van.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Szilárdtestfizika témájú médiaállományokat.
  • Sólyom Jenő, A modern szilárdtest-fizika alapjai I-II-III. (ELTE Eötvös Kiadó 2009, 2010, 2011)
  • Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
  • Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 2004).
  • H. M. Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press: Oxford, 1995).
  • Out of the Crystal Maze. Chapters from the History of Solid State Physics, ed. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
  • M. A. Omar, Elementary Solid State Physics (Revised Printing, Addison-Wesley, 1993).
  • Dieter K. Schroder: Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd Edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2006. ISBN 9780471739067  
  • Robin F.C. Farrow: Molecular Beam Epitaxy: Applications to Key Materials. (hely nélkül): Elsevier Science. 2012. ISBN 9780080946115  
  • Thomas Ihn: Semiconductor Nanostructures: Quantum states and electronic transport. Oxford: Oxford University Press. 2009. ISBN 9780199534432  

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Hoffmann, D. (2013). Fifty years of physica status solidi in historical perspective. physica status solidi (b), 250(4), 871-887.
  2. A Einstein (1907.). „Planck’s theory of radiation and the theory of specific heat”. Annalen der Physik, 180–190. o.  
  3. P Debye (1912.). „On the theory of specific heats”. The Collected Papers of Peter JW Debye.  
  4. ^ a b Iijima, S. (1991). Helical microtubules of graphitic carbon. nature, 354(6348), 56-58.
  5. Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.
  6. Dieter K. Schroder: Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd Edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2006. ISBN 9780471739067
  7. Sólyom Jenő, A modern szilárdtest-fizika alapjai I-II-III. (ELTE Eötvös Kiadó 2009, 2010, 2011)
  8. Held, G. (1974). Low-energy electron diffraction.
  9. Ino, S. (1977). Some new techniques in reflection high energy electron diffraction (RHEED) application to surface structure studies. Japanese Journal of Applied Physics, 16(6), 891.
  10. Williams, D. B., & Carter, C. B. (1996). The transmission electron microscope. Springer Us.
  11. Binnig, G., & Rohrer, H. (1983). Scanning tunneling microscopy.(PDF) Surface science, 126(1), 236-244.
  12. Binnig, G., & Rohrer, H. (1987). Scanning tunneling microscopy—from birth to adolescence. (PDF) reviews of modern physics, 59(3), 615.
  13. Binnig, G., & Rohrer, H. (2000). Scanning tunneling microscopy. IBM Journal of research and development, 44(1/2), 279.
  14. Binnig, G., Quate, C. F., & Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. (PDF) Physical review letters, 56(9), 930.
  15. ^ a b Colthup, N. (2012). Introduction to infrared and Raman spectroscopy. Elsevier.
  16. Fujiwara, H. (2007). Spectroscopic ellipsometry: principles and applications. John Wiley & Sons.
  17. Chastain, J., & King, R. C. (Eds.). (1992). Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy: a reference book of standard spectra for identification and interpretation of XPS data. Eden Prairie, MN: Perkin-Elmer.
  18. ^ a b Briggs, D., & Seah, M. P. (1983). Practical surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy. D. Briggs, & M. P. Seah, (Editors), John Wiley & Sons, Chichester 1983, xiv+ 533.
  19. Carlson, T. (2013). Photoelectron and Auger spectroscopy. Springer Science & Business Media.
  20. Wilson, R. G., Stevie, F. A., & Magee, C. W. (1989). Secondary ion mass spectrometry: a practical handbook for depth profiling and bulk impurity analysis. Wiley-Interscience.
  21. Greenwood, N. N., & Gibb, T. C. (1971). Mössbauer spectroscopy (p. 241). London: Chapman and Hall.
  22. Wertz, J. (2012). Electron spin resonance: elementary theory and practical applications. Springer Science & Business Media.
  23. Poole, C. P. (1996). Electron spin resonance: a comprehensive treatise on experimental techniques. Courier Corporation.
  24. Andrew, E. R. (2009). Nuclear magnetic resonance. Nuclear Magnetic Resonance, by ER Andrew, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2009, 1.
  25. De Soete, D. (1972). Neutron activation analysis.
  26. ^ a b Smits, F. M. (1958). Measurement of sheet resistivities with the four‐point probe. Bell System Technical Journal, 37(3), 711-718.
  27. http://electron.mit.edu/~gsteele/vanderpauw/vanderpauw.pdf
  28. ^ a b http://www.nist.gov/pml/div683/hall_resistivity.cfm
  29. Blood, P., & Orton, J. W. (1992). The electrical characterization of semiconductors: majority carriers and electron states (Vol. 2). Academic Pr.
  30. http://www.nist.gov/pml/div683/hall_effect.cfm
  31. Boda, J., Ferenczi, G., Horvath, P., Mirk, Z., & Pavelka, T. (1995). U.S. Patent No. 5,406,214. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  32. Pavelka, T. (2003). U.S. Patent No. 6,653,850. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.