Твердые тела можно классифицировать в соответствии с различными критериями. Среди более важных из них — разделение твердых тел на кристаллические и аморфные. За период с середины 1940 г. по конец 1960 г. в физике твердого тела уделялось значительно больше внимания кристаллам, чем аморфным телам, изучение которых представляет собой более трудную задачу. Аморфные тела проявляют главным образом ближний порядок в связях между ближайшими соседями, а не дальний порядок, присущий периодической атомной решетке; примерами этого являются статистические полимеры, угольная сажа, аллотропные формы таких элементов, как селен и сурьма, а также стекла. Стекло можно представить себе как переохлажденную жидкость, вязкость которой слишком велика для того, чтобы расположение атомов могло принять более упорядоченную форму. Поскольку степень упорядоченности аморфных тел сильно зависит от условий их приготовления, можно предположить, что изучение аморфных тел в отличие от кристаллов относится скорее к области искусства, чем к науке. Похоже, однако, что начавшееся в 1960-х годах интенсивное изучение стекловидных твердых тел, таких, как аморфный кремний (интерес к нему вызван его электронными свойствами), привело к созданию основ для получения в большей степени количественной информации как об электронных, так и о структурных свойствах некристаллических материалов. В фундаментальной теории твердого тела принято начинать с рассмотрения моделей абсолютно чистых монокристаллов бесконечно больших размеров. Влияние примесей, дефектов, поверхностей и границ зерен учитывается затем как возмущения. Такой подход нередко оказывается плодотворным, даже когда изучаемое твердое тело имеет зерна микроскопического или субмикроскопического размера, при условии что дальний порядок существует на расстоя- 14 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел Рис. 1.1. Небольшой кристалл NiO с четко выраженными гранями. Снимок сделан с помощью сканирующего электронного микроскопа. (С любезного разрешения Л. Е. Марра, Орегонский учебный центр). При комнатной температуре антиферромагнитное упорядочение приводит к ромбоэдрическому искажению расположения атомов в NiO (изначально такого же, как у каменной соли). Рис. 1.2. Растущая поверхность кристалла тартрата кальция, выращиваемого в тартратовом геле, в который добавлен раствор хлорида кальция. (Из книги: Henisch Н. К. Crystal Growth in Gels, Perm., State Univ. Press, 1970. [Имеется перевод: Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях.—М.: Мир, 1973.]) Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел 15 ниях, которые значительно превышают межатомные. Однако экспериментальные исследования удобнее всего все же проводить на больших монокристаллах, если они доступны, т. е. либо встречаются в природе, либо их получают искусственным путем К На рис. 1.1 и 1.2 показаны примеры микроскопических и макроскопических синтетических кристаллов. Большие природные кристаллы различных твердых тел были известны человеку тысячелетия назад. Типичными примерами таких кристаллов являются кварц (Si02), каменная соль (NaCl), сульфиды металлов, таких, как цинк и свинец, и, несомненно, драгоценные камни, такие, как рубин (А120з) и алмаз (С). Некоторые из этих природных кристаллов обладают поразительной степенью чистоты и совершенством строения, добиться которого в лабораторных условиях удалось только в последние годы2. В течение нескольких столетий слово «кристалл» применялось исключительно по отношению к кварцу; оно имеет греческое происхождение и означает «похожий на лед». В настоящее время кристаллическим твердым телом называют твердое тело, у которого расположение атомов периодически повторяется и поверхностные грани которого, если исследуемый образец — монокристалл, с большой степенью вероятности располагаются относительно друг друга под вполне определенными углами. Сравнение двух монокристаллов одного и того же вещества показывает, что, как правило, соотношение между размерами поверхностных граней будет для них различным (т. е. эта характеристика меняется от кристалла к кристаллу). Однако углы между гранями кристаллов данного вещества Есегда одни и те же. Это явление было замечено еще в XVI в. и заложило основы изучения кристаллографии в течение последующих трех столетий. Однако свое объяснение эти наблюдения получили лишь с развитием концепции об атомарном строении кристаллов. В 1912 г. Фридрих, Книппинг и Лауэ показали, что кристаллы ведут себя как трехмерная дифракционная решетка для рентгеновских лучей, и тем самым представление о регулярном периодическом расположении атомов в кристалле получило убедительное экспериментальное подтверждение. Сравнительно недавно стало возможным непосредственно наблюдать периодиче- 1 Способы выращивания монокристаллов можно найти в литературе, приведенной в конце гл. 1. 2 Действительно, искусственно выращенные алмазы до сих пор не могут сравниться по качеству с лучшими природными образцами. Что касается качества большинства других синтетических драгоценных камней, то тут, по-видимому, люди научились делать по крайней мере не хуже, чем природа. 16 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел ское расположение атомов с помощью эмиссионной микроскопии3. Какие бы свойства кристаллов (механические, тепловые, оптические, электронные или магнитные) мы ни изучали, большая часть полученных результатов независимо от того, изучаем ли мы природные кристаллы, синтетические монокристаллы (такие, как Ge, Si, AI2O3, КВг, Си, А1) или поликристаллические образования, будет тесно связана с периодичностью расположения атомных ядер или со связанной с ней периодичностью электростатического потенциала. Существование периодического потенциала ведет к многочисленным следствиям, причем во многих случаях удается получить точные или приближенные решения. Этим следствиям будет посвящена большая часть данной книги.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Кристаллическая структура и форма твердых тел» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
