Фи́зика твёрдого те́ла — раздел физики конденсированного состояния, задачей которого является описание физических свойств твёрдых тел с точки зрения их атомного строения. Интенсивно развивалась в XX веке после открытия квантовой механики. Развитие стимулировалось широким спектром важных задач прикладного характера, в частности, развитием полупроводниковой техники.
Агрега́тное состоя́ние вещества — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.
Анизотропи́я — различие свойств среды в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.
Криста́ллы — твёрдые тела, в которых частицы расположены регулярно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Дефектами кристалла называют всякое устойчивое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. По числу измерений, в которых размеры дефекта существенно превышают межатомное расстояние, дефекты делят на нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объёмные) дефекты.
Твёрдое те́ло — одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.
Электростри́кция — это свойство всех непроводников, или диэлектриков, приводящее к изменению их размеров и формы при приложении к ним электрического поля.
Пьезоэлектричество — обратимая электромеханическая связь электрической поляризации (индукции) и механических деформаций (напряжений) в анизотропных диэлектрических средах, обладающих определённой кристаллической структурой и симметрией. Включает:
- прямой пьезоэлектри́ческий эффе́кт — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений;
- обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
Гиперзвук — упругие волны с частотами от 109 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от звуковых и ультразвуковых волн. Гиперзвук часто представляют как поток квазичастиц — фононов.
Кристаллиза́ция — процесс образования кристаллов из газов, растворов, расплавов или стёкол. Кристаллизацией называют также образование кристаллов с данной структурой из кристаллов иной структуры или процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое. Благодаря кристаллизации происходит образование минералов и льда, зубной эмали и костей живых организмов. Одновременный рост большого количества мелких кристаллов используется в металлургии и в других отраслях промышленности. В химической промышленности кристаллизация используется для получения веществ в чистом виде.
- Процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости до определённой температуры.
- Во время кристаллизации температура не меняется.
- Температура кристаллизации равна температуре плавления.
Двойниковыми кристаллами в кристаллографии принято называть закономерное непараллельное срастание кристаллических индивидов одного минерала, связанных друг с другом осью или плоскостью симметрии, которых нет в одиночных кристаллах. Благодаря этому двойники, как правило, имеют повышенную кристаллографическую симметрию. Двойник (двойниковый) кристалл распространён в щелочных полевых шпатах.
То́чка Кюри́, или температу́ра Кюри́, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества. Названа по имени П. Кюри.
Ферромагнетизм — появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу. Это основной механизм, с помощью которого определённые материалы образуют постоянные магниты или притягиваются к магнитам. Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов, называются ферромагнетиками.
Мартенситное превращение, полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решётки в микрообластях обычно сводится к деформации её ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путём образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, — сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы, мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большой скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Вследствие воздействия образовавшейся фазы на исходную фазу энергетический барьер для перемещения границы фаз существенно меньше, чем для однородного перехода; при небольших отклонениях от равновесия он исчезает — кристалл растет со скоростью порядка звуковой и без тепловой активации.
Магни́тные полупроводники́ — материалы, проявляющие как свойства ферромагнетиков, так и свойства полупроводников. Изменяя магнитное поле, мы можем изменять проводимость материала. Также существует возможность контроля квантового спинового состояния, что является важным свойством для нового направления в электронике — спинтроники.
Эффе́кт Я́на — Те́ллера — совокупность эффектов, связанных с взаимодействием орбитальных состояний электронов и искажений поля кристаллической решётки. Получил название по именам Г. Яна и Э. Теллера, сформулировавших в 1937 году теорему, согласно которой любая нелинейная конфигурация атомов, содержащая вырожденные состояния электронов, неустойчива по отношению к понижающим её симметрию деформациям. Вырождение электронных состояний может быть связано с наличием высокой симметрии в молекуле или кристаллической решётке, а искажение её поля — с колебательными движениями атомных ядер или искажениями самой решётки. Взаимодействие электронных состояний с искажениями приводит к снятию вырождения и понижению симметрии.
Теории деформации
Деформация в физике твёрдого тела — изменение положение точек тела, при котором меняется взаимные расстояния между ними. Причинами деформаций, сопровождающихся изменениями формы и размеров сплошного тела, могут служить механические силы, электрические, магнитные, гравитационные поля, изменения температуры, фазовые переходы и т. д.
Сегнетоэле́ктрик — материал, обладающий спонтанной поляризацией, ориентацию которой можно изменить посредством внешнего электрического поля. Такие вещества обладают сегнетоэлектрическим гистерезисом, когда поляризация материала зависит неоднозначно от внешнего электрического поля и определяется предысторией поляризации.
Я́дерный квадрупо́льный резона́нс (ЯКР) — резонансное поглощение радиоволн, обусловленное квантовыми переходами ядер между энергетическими состояниями с различной ориентацией электрического квадрупольного момента ядра в связи с наличием градиентов электрического поля в кристаллах. В отличие от ядерного магнитного резонанса (ЯМР) чистый ЯКР может наблюдаться и в отсутствие внешнего магнитного поля. Используется для определения квадрупольных моментов ядер, симметрии и структуры кристаллов. ЯКР может возникать также при резонансном поглощении ультразвука, модулирующего ядерные квадрупольные взаимодействия, что позволяет исследовать ядерное квадрупольное спин-решёточное взаимодействие.
Внутрикристаллическое поле — это электрическое поле внутри кристаллов, создаваемое расположением ионов, атомов или молекул в узлах или между узлами кристаллической решетки. Иногда под внутрикристаллическим полем понимают также магнитное поле внутри определенных кристаллов, например, содержащих парамагнитные ионы. В ионных кристаллах напряженность этого поля может достигать значений выше 1010 В/м. В идеальных кристаллах изменения напряженности поля происходят периодически, в то время как в реальных кристаллах с различными дефектами такая периодичность нарушается.