física de estado sólido - Solid-state physics


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Física do estado sólido é o estudo da rígida matéria , ou de sólidos , através de métodos tais como mecânica quântica , cristalografia , electromagnetismo e metalurgia . É o maior ramo da física da matéria condensada . Solid-state estudos física como as propriedades de grande escala de materiais sólidos resultam das suas atómicas propriedades -scale. Assim, física de estado sólido constitui a base teórica da ciência dos materiais . Ele também tem aplicações diretas, por exemplo na tecnologia de transistores e semicondutores .

fundo

Os materiais sólidos são formados a partir de átomos de densamente empacotadas, que interagem intensamente. Estas interacções produzir os mecânicos (por exemplo, dureza e elasticidade ), térmicas , eléctricas , magnéticas e ópticas propriedades dos sólidos. Dependendo do material em questão e das condições em que foi formado, os átomos podem ser dispostos em, um padrão geométrico normal ( sólidos cristalinos , os quais incluem metais e comum de gelado de água ) ou irregular (um sólido amorfo tal como janela comum de vidro ).

A maior parte física do estado sólido, como uma teoria geral, é focada nos cristais . Primariamente, isto é porque a periodicidade de átomos em um cristal - sua característica definidora - facilita a modelação matemática. Do mesmo modo, os materiais cristalinos têm, frequentemente, eléctricos , magnéticos , ópticos ou mecânicos propriedades que podem ser exploradas para engenharia fins.

As forças entre os átomos de um cristal pode tomar uma variedade de formas. Por exemplo, em um cristal de cloreto de sódio (sal comum), o cristal é composta de iónica de sódio e de cloro , e mantidas em conjunto com ligações iónicas . Em outros, os átomos compartilham elétrons e formam ligações covalentes . Em metais, os elétrons são compartilhados entre toda a cristal na ligação metálica . Finalmente, os gases nobres não sofrem qualquer um destes tipos de ligação. Na forma sólida, os gases nobres são mantidos juntos com van der Waals forças resultantes da polarização da nuvem de carga electrónica em cada átomo. As diferenças entre os tipos de sólido resultado das diferenças entre a sua ligação.

História

As propriedades físicas dos sólidos têm sido temas comuns de investigação científica ao longo dos séculos, mas um campo separado que vai pelo nome da física de estado sólido não surgiu até os anos 1940, em particular com a criação da Divisão de Física do Estado Sólido (PSSD) dentro da Sociedade americana de Física . O DSSP servidos para os físicos industriais, e da física de estado sólido tornou-se associado com as aplicações tecnológicas possibilitadas pela pesquisa sobre sólidos. Até o início dos anos 1960, o PSSD foi a maior divisão da American Physical Society.

Grandes comunidades de físicos de estado sólido também surgiu na Europa após a Segunda Guerra Mundial, em particular na Inglaterra, Alemanha e União Soviética. Nos Estados Unidos e na Europa, de estado sólido tornou-se um campo de destaque através de suas investigações sobre semicondutores, supercondutividade, ressonância magnética nuclear, e diversos outros fenômenos. Durante o início da Guerra Fria, a pesquisa em física do estado sólido, muitas vezes não se restringiu aos sólidos, o que levou alguns físicos na década de 1970 e 1980 para fundar o campo da física da matéria condensada , que organizou técnicas em torno comuns utilizados para investigar sólidos, líquidos, plasmas, e outro assunto complexo. Hoje, física de estado sólido é amplamente considerado o subcampo da física da matéria condensada que incide sobre as propriedades dos sólidos com estrutura de cristal regulares.

estrutura de cristal e propriedades

Um exemplo de uma simples rede cúbica

Muitas propriedades dos materiais são afectadas pela sua estrutura de cristal . Esta estrutura pode ser investigada através de uma gama de cristalográficas técnicas, incluindo a cristalografia de raios-X , de difracção de neutrões e de difracção de electrões .

Os tamanhos dos cristais individuais de um material sólido cristalino variam dependendo do material em questão e das condições em que foi formado. A maioria dos materiais cristalinos encontradas na vida cotidiana são policristalino , com os cristais individuais sendo microscópica em escala, mas macroscópicas cristais individuais podem ser produzidos quer naturalmente (por exemplo, diamantes ) ou artificialmente.

Cristais reais apresentam defeitos ou irregularidades nos arranjos ideais, e são esses defeitos que determinam criticamente muitas das propriedades elétricas e mecânicas dos materiais reais.

Propriedades eletrônicas

Propriedades de materiais, tais como a condução eléctrica e capacidade de calor são investigados por física do estado sólido. Um primeiro modelo de condução eléctrica foi o modelo de Drude , que aplicada a teoria cinética para os electrões na forma de um sólido. Ao assumir que o material contenha iões imóvel positivos e um "gás de electrões" de clássicos electrões, n interactuantes, o modelo de Drude foi capaz de explicar eléctrica e a condutividade térmica e o efeito de Hall em metais, embora sobrestimada grandemente a capacidade de calor electrónica.

Arnold Sommerfeld combinado o modelo clássico com Drude mecânica quântica no modelo de electrões livres (ou modelo Drude-Sommerfeld). Aqui, os elétrons são modelados como um gás de Fermi , um gás de partículas que obedecem as da mecânica quântica estatísticas de Fermi-Dirac . O modelo de elétron livre deu previsões para a capacidade térmica de metais melhorado, no entanto, foi incapaz de explicar a existência de isoladores .

O modelo de electrões quase livre é uma modificação do modelo de electrões livres que inclui um periódica fraca perturbação significava para modelar a interacção entre os electrões de condução e os iões na forma de um sólido cristalino. Ao introduzir a idéia de bandas eletrônicas , a teoria explica a existência de condutores , semicondutores e isolantes.

O modelo de electrões quase livre reescreve a equação de Schrödinger para o caso de um periódica potencial . As soluções neste caso são conhecidos como estados Bloch . Desde o teorema de Bloch aplica-se apenas aos potenciais periódicos, e desde incessante movimentos aleatórios de átomos em um cristal perturbar periodicidade, este uso do teorema de Bloch é apenas uma aproximação, mas tem provado ser uma aproximação tremendamente valioso, sem o qual a maioria de estado sólido física análise seria intratável. Os desvios de periodicidade são tratados por mecânica quântica teoria de perturbação .

A pesquisa moderna

tópicos de pesquisa em física do estado sólido incluem:

Veja também

Referências

Outras leituras

  • Neil W. Ashcroft e N. David Mermin , Física do Estado Sólido (Harcourt: Orlando, 1976).
  • Charles Kittel , Introdução à Física do Estado Sólido (Wiley: Nova Iorque, 2004).
  • HM Rosenberg, no estado sólido (Oxford University Press: Oxford, 1995).
  • Steven H. Simon , The Oxford Basics de estado sólido (Oxford University Press: Oxford, 2013).
  • Out of the Crystal Maze. Capítulos de História da Física do Estado Sólido , ed. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
  • MA Omar, Elementar Física do Estado Sólido (Revisto impressão, Addison-Wesley, 1993).