- •Глава 7. Элементы физики конденсированных состояний
- •§1. Кристаллы
- •1.1. Строение кристаллов
- •1.2. Типы кристаллов
- •1.3. Дефекты кристаллов
- •§2 . Тепловые свойства твердых тел
- •2.1. Характер теплового движения в кристаллах. Акустические и оптические колебания кристаллической решетки. Теплоемкость твердых тел. Фононы
1.3. Дефекты кристаллов
Всякий реальный кристалл имеет ряд нарушений идеальной пространственной решетки, которые называются дефектами кристаллов.
Типы дефектов: энергетические; электронные; структурные: атомные дефекты и дислокации.
Дефекты существенно влияют на физические свойства кристаллов (прочность пластичность, электросопротивление, диффузию и т.д.).
К энергетическим дефектам относятся:
1) временные изменения регулярности решетки кристалла, вызванные тепловым движением — фононы;
2) временные несовершенства решетки (возбужденные состояния), вызванные действием различных излучений: света, рентгеновского или γ-излучения, α-излучения, потока нейтронов.
К электронным дефектам относятся:
1) избыточные электроны;
2
) недостаток
электронов (незаполненные валентные
связи в
кристаллах).
К атомным дефектам относятся:
1
) дефекты
Шоттки – отсутствие атома в узле
–вакантные узлы (рис. 43)
2) дефекты Френкеля – смещение атома из узла в междоузлие (рис. 44)
3) дефекты внедрения – внедрение в решетку чужеродного атома или иона (рис. 45)
В ионных кристаллах для сохранения электронейтральности кристалла концентрации дефектов Шоттки и Френкеля должны быть одинаковыми как для катионов, так и для анионов.
К
линейным (одномерным) дефектам
кристаллической решетки относятся
дислокации – нарушения в пределах
одного или нескольких атомных слоев.
Простейшими видами дислокаций являются
краевая и винтовая дислокации.
Идеальный кристалл можно представить
в виде системы параллельных атомных
слоев (рис. 46 а). Краевая дислокация
образуется, когда одна из плоскостей
обрывается внутри кристалла (рис.46 б).
В случае винтовой дислокации обрыва
атомных плоскостей нет. Атомные плоскости
представляют собой систему, подобную
винтовой лестнице. По существу это одна
атомная плоскость, закрученная по
винтовой линии (рис.46 в).
§2 . Тепловые свойства твердых тел
2.1. Характер теплового движения в кристаллах. Акустические и оптические колебания кристаллической решетки. Теплоемкость твердых тел. Фононы
В кристаллах основную часть внутренней энергии составляет энергия колебаний частиц.
Колебания, которые могут быть возбуждены в кристалле, подразделяются на акустические (звуковой частоты – до 20 кГц) и оптические (ИК-область спектра, λ = 1-50 мкм).
При акустических колебаниях элементарные ячейки кристалла перемещаются как одно целое. При оптических колебаниях атомы смещаются друг относительно друга внутри каждой ячейки.
В тепловых свойствах кристаллов определяющую роль играют акустические колебания, обусловленные тепловым движением атомов.
Характер этих колебаний весьма сложен, так как колеблющаяся частица связана силами взаимодействия со своими соседями.
П
ри
описании акустических колебаний
кристаллов можно использовать следующую
физическую модель: шарики, представляющие
атомы, соединены пружинками, представляющими
силы взаимодействия между атомами
(рис. 47). При выведении одного шарика
из положения равновесия, по системе
побежит волна.
Л
юбое
колебание можно разложить на одно
продольное и два поперечных колебания
(рис. 48). Сложное колебательное
движение можно представить в виде суммы
гармонических колебаний с различными
циклическими частотами ωi
и амплитудами Аi.
Следовательно, колебание частиц в
кристалле можно представить в виде
суммы поперечных и продольных
синусоидальных волн. Механизм тепловых
упругих волн аналогичен механизму
звуковых волн, поэтому их называют
акустическими или звуковыми.
В кристалле могут распространяться
только волны с определенным соотношением
между длиной волны λ и циклической
частотой ω (или ω и волновым вектором
):
.
(1)
Соотношение, устанавливающее связь между ω и (1), называется законом дисперсии. Если известны силы, действующие между атомами, то закон дисперсии может быть рассчитан.
Закон дисперсии звуковых колебаний — основная характеристика движения атомов кристалла. Знание этого закона позволяет рассчитать многие свойства кристалла (теплоемкость, коэффициент теплового расширения и др.).
Скорость распространения тепловых волн совпадает со скоростью звука. Закон дисперсии этих волн имеет вид:
для продольных волн:
, (2)
для поперечных волн:
, (3)
где
и
–
соответственно скорости распространения
продольной и поперечной волн, причем
.
Границы спектра акустических волн определяются из соотношений:
(4)
где
– наибольший линейный размер тела;
(5)
где
– период кристаллической решетки.
Таким образом, тепловые колебания атомов
распространяются по кристаллу в виде
волн с волновыми векторами
и частотами
.
Отдельную волну можно рассматривать
как осциллятор, колеблющийся с частотой
.
Каждый осциллятор колеблется независимо
от других. Тогда энергия колебаний
атомов есть сумма энергий отдельный
осцилляторов.
Т
акая
модель использовалась Дебаем при расчете
температурной зависимости молярной
теплоемкости при постоянном объеме
твердых тел (рис. 49).
Как известно, энергия гармонического осциллятора:
(6)
М. Планком было показано, что средняя энергия i-го осциллятора:
, (7)
где
– энергия нулевых колебаний;
– среднее число осцилляторов с энергией
;
– постоянная Больцмана.
Дебай в приближении сплошной среды
рассчитал плотность состояний осцилляторов
(число колебаний, приходящихся на
интервал частот
).
При этом он предполагал, что при значениях
волнового числа
(
–
постоянная решетки) звуковые волны
распространяются в кристалле как в
сплошной среде. Им было получено следующее
выражение для плотности состояний:
(8)
где V – объем кристалла;
– средняя скорость тепловой волны,
определяемая из соотношения:
. (9)
Максимальная частота
акустических колебаний в кристалле
называется дебаевской частотой
.
Температура
,
соответствующая дебаевской частоте,
(10)
называется температурой Дебая.
Температура Дебая – это температура, ниже которой начинает проявляться квантовый характер тепловых волн.
С учетом соотношения (8) для энергии тепловых колебаний (внутренней энергии кристалла) можно записать соотношение:
(11)
где
и
.
Найдем число N осцилляторов (число атомов):
. (12)
Отсюда
, (13)
тогда
(14)
и
(15)
Для одного моля N = NA
(число Авогадро) и
(универсальная газовая постоянная).
Тогда молярная теплоемкость
:
. (16)
При
и
,
что совпадает со значением Сv,
полученным в рамках классической теории
теплоемкости (закон Дюлонга и Пти).
При
(в этом случае квантование играет
существенную роль) и
.
(17)
Таким
образом, Дебаю удалось объяснить
зависимость
в области низких температур. Однако
следует заметить, что формула Дебая
(16) хорошо согласуется с экспериментальными
данными лишь для тел с простыми
кристаллическими решетками.
Удельная теплоемкость твердого тела определяется колебаниями атомов кристаллической решетки, а характер этих колебаний зависит от структуры кристалла. Если при изменении температуры происходит изменение структуры, то его можно однозначно определить по нарушению монотонности зависимости .
Фононы. Как
отмечалось, тепловые колебания атомов
распространяются по кристаллу в виде
волн с волновыми векторами
и частотами
.
Но в соответствии с гипотезой де Бройля
каждой волне можно сопоставить частицу
с энергией
и импульсом
.
Звуковая волна не может существовать в вакууме, а только в вещественной среде.
Частица, соответствующая волне, которая не может существовать в вакууме, называется квазичастицей.
Квазичастица, соответствующая звуковой (а следовательно, и тепловой) волне, называется фононом. Таким образом, фонон - квант энергии тепловых колебаний.
