Solid state fysikkegenskaper, struktur, eksempler

De solid state fysikk er den grenen av fysikk som tar for seg studiet av materie når den er i lavenergitilstand, kalt fast tilstand, ved å bruke fysiske teorier som kvantemekanikk, statistisk fysikk, termodynamikk, elektromagnetisme og krystallografi.

I fast tilstand er den intermolekylære tiltrekningsenergien mindre enn den termiske energien, derfor kan molekylene knapt vibrere rundt mer eller mindre faste posisjoner. Noen faste stoffer er amorfe på molekylært nivå, mens andre har en mer ordnet struktur, for eksempel krystaller..

Noen eksempler på faste materialer er kiselsand, glass, grafitt (mineralskull), vanlig salt, raffinert sukker, jern, kobber, magnetitt, kvarts og mange flere.

Artikkelindeks

• 1 Solid State-egenskaper
• 2 Makroskopiske og mikroskopiske egenskaper
• 3 Struktur av faste stoffer
  • 3.1 Modeller av solid fysikk og deres egenskaper
• 4 Solid State-eksempler
  • 4.1 Høytemperatur superledere
  • 4.2 Sterkt korrelerte faste stoffer
• 5 Temaer av interesse
• 6 Referanser

Solid state egenskaper

Faste materialer har hovedkarakteristikken at de under normale forhold, dvs. hvis de ikke utsettes for store ytre påkjenninger, opprettholder volum og form..

Dette er i motsetning til væsker som, selv om de kan opprettholde volumet, endrer form ved å tilpasse seg beholderen som inneholder dem. Kontrasten er enda større med gasser, siden de kan komprimeres eller utvides ved å endre volum og form..

Imidlertid kan faste stoffer variere volumet når de blir utsatt for temperaturendringer som er tilstrekkelig til å ha bemerkelsesverdige effekter, men uten en faseovergang til en annen materietilstand..

Tørrstoffer kan være amorfe i sin indre molekylære struktur. For eksempel er glass et amorft materiale, selv av mange ansett for å være en overkjølt væske. Imidlertid har kvarts og diamant en krystallinsk struktur, det vil si atomene deres følger regelmessige og romlig periodiske ordninger..

Makroskopiske og mikroskopiske egenskaper

Fysisk tilstandsfysikk studerer forholdet mellom egenskaper i makroskopisk skala (tusenvis eller millioner av ganger større enn atomskalaen) og egenskaper på molekylær eller atomskala..

I et fast stoff er atomene veldig nær hverandre, og samspillet mellom dem bestemmer deres egenskaper på makroskala, for eksempel deres mekaniske egenskaper: stivhet og duktilitet, samt deres termiske, magnetiske, optiske og elektriske egenskaper..

For eksempel er ledningsevne, varmekapasitet og magnetisering makroskopiske egenskaper til faste stoffer som avhenger direkte av hva som skjer i molekylær eller atomskala..

Et klart eksempel på viktigheten av solid fysikk er halvledere. Å forstå deres egenskaper på mikroskopisk nivå muliggjør utvikling av enheter som transistorer, dioder, integrerte kretser og lysdioder, for bare å nevne noen applikasjoner..

Struktur av faste stoffer

Avhengig av trykk- og temperaturforholdene, samt prosessene som følges under dannelsen, får faste materialer en viss mikroskopisk struktur..

For eksempel er materialer som er forskjellige fra grafitt og diamant, bare sammensatt av karbonatomer. Men egenskapene deres er helt forskjellige, for til tross for at de består av samme type atomer, varierer deres mikroskopiske strukturer enormt..

Metallurgispesialister vet at, med utgangspunkt i samme materiale, med forskjellige varmebehandlinger, oppnås veldig forskjellige resultater ved fremstilling av stykker, som kniver og sverd. Ulike behandlinger fører til forskjellige mikroskopiske strukturer.

Avhengig av dannelsen kan faste stoffer i utgangspunktet presentere tre typer mikroskopiske strukturer:

• Amorf, hvis det ikke er romlig regelmessighet i arrangementet av atomer og molekyler.
• Monokrystallinsk, hvis atomene er ordnet i romlig rekkefølge, og danner matriser eller celler som gjentas på ubestemt tid i alle tre dimensjoner.
• Polykrystallinsk, sammensatt av flere regioner, ikke symmetriske til hverandre, hvor hver region har sin egen monokrystallinske struktur.

Modeller av solid fysikk og deres egenskaper

Solid fysikk er basert på grunnleggende prinsipper for å forklare egenskapene til faste materialer, som termisk ledningsevne og elektrisk ledningsevne..

For eksempel, ved å anvende kinetisk teori på frie elektroner i et metall, blir de behandlet som om de var en gass..

Og under forutsetningen om at ioner danner et urørlig substrat, er det mulig å forklare både den elektriske ledningsevnen og varmeledningsevnen til metaller. Selv om den termiske ledningsevnen til frie elektroner i den klassiske versjonen av denne modellen er større enn den som oppnås ved målinger i ledende materialer..

Ulempen løses ved å innføre kvantekorreksjoner til den frie elektronmodellen til et ledende faststoff. Videre, hvis de antas å følge Fermi-Dirac-statistikken, stemmer de teoretiske spådommene mer presist med de eksperimentelle målingene..

Den frie elektronmodellen kan imidlertid ikke forklare varmeledningsevnen til andre faste stoffer enn metaller..

I dette tilfellet må det tas hensyn til samspillet mellom elektronene og krystallgitteret, som er modellert av et periodisk potensial i Schrodinger-ligningen. Denne modellen forutsier energiavhengige ledningsbånd av elektroner og forklarer elektrisk ledningsevne i halvlederfaststoffer, en type fast mellomprodukt mellom isolator og ledende metall..

Solid State eksempler

Solid state fysikk har utviklet seg til det punktet at den har tillatt oppdagelsen av nye materialer som solide nanomaterialer med unike og ekstraordinære egenskaper.

Et annet eksempel på utvikling av fast fysikk er utviklingen av todimensjonale eller monolagsmaterialer, etterfulgt av forskjellige anvendelser som solceller og utvikling av halvlederintegrerte kretser..

Det klassiske eksemplet på et todimensjonalt materiale er grafen, som ikke er noe annet enn enkeltlags grafitt og som ble oppnådd for første gang i 2004.

Andre eksempler på todimensjonale faste stoffer er: fosfor, plumben, silisium og germacene.

Superledere med høy temperatur

Superledningsevne ble oppdaget i 1911 av nederlenderen Kamerlingh Onnes (1853-1926) da han utsatte ledende materialer som kvikksølv, tinn og førte til svært lave temperaturer (i størrelsesorden 4K)..

Superledningsevne har viktige teknologiske anvendelser, for eksempel magnetiske levitasjonstog, så lenge det kan oppnås ved forhøyede temperaturer (ideelt sett ved romtemperatur).

Solid fysikk er i dette søket etter superledere, som betyr høy temperatur over temperaturen på flytende nitrogen (77 K), en relativt enkel og billig temperatur å oppnå. Til dags dato er superlederen med høyeste temperatur et keramisk fast stoff som når denne tilstanden ved en temperatur på 138 K eller -135 ° C..

Sterkt korrelerte faste stoffer

Sterkt korrelerte faste stoffer er tunge fermioniske forbindelser som har uvanlige egenskaper og stort teknologisk potensiale. For eksempel kan de manipuleres til å gå fra isolatorer til ledere gjennom magnetfelt.

Utviklingen av denne typen faste stoffer har også tillatt at magnetiske informasjonslagringsenheter eksponentielt har økt kapasiteten de siste tiårene..

Temaer av interesse

Eksempler på faste stoffer.

Referanser

1. Martin, Joseph D. 2015. “Hva er det med en navneendring? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science ”(PDF). Fysikk i perspektiv. 17 (1): 3-32.
2. Kittel, Charles. 1995. Introduksjon til faststoffysikk. Redaksjonell Reverte.
3. Ashcroft og Mermin. 1976. Solid State Physics. Saunders College.
4. Sheng S. Li. 2000. Semiconductor Physical Electronics. Springer-Verlag.
5. Wikipedia. Solid State Physics. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.com