fizika čvrstog stanja

fizika čvrstog stanja, grana fizike koja proučava strukturu tvari u čvrstome stanju te s pomoću kvantne fizike istražuje svojstva i procese u kristalnome i amorfnom obliku tvari, svojstva kristalizirane tvari i pojave vezane uz promjene fizikalnih parametara (npr. temperature, tlaka, dimenzija i oblika mikrokristala, broja i vrste defekata u kristalnoj rešetki itd.). Zakonitosti utvrđene za kristaliziranu tvar primjenjuju se djelomično i na amorfne krutine ili smjese kristalne i amorfne tvari te visokoviskozne tekućine (npr. fotoosjetljiva stakla, krute polimere, keramiku itd.). Mikroskopska teorija čvrstog stanja primjena je kvantne mehanike na čvrsto stanje. Njezini rezultati uspješno tumače kvalitativne razlike među različitim čvrstim tijelima, a u mnogim slučajevima omogućuju i kvantitativni pristup svojstvima tih tijela. Budući da je čvrsto stanje sustav od velikog broja atoma, teorija čvrstog stanja služi se nizom aproksimacija. Tako se pretpostavlja da se ponašanje jezgara i elektrona može opisivati nezavisno. Pri razmatranju gibanja jezgara ne uzima se u obzir gibanje elektrona, tj. atomi se promatraju kao cjeline. Takav je pristup opravdan za objašnjenje nekih mehaničkih i termodinamičkih svojstava koja potječu od međusobnoga elastičnoga vezivanja atoma. Razmatraju li se elektronska stanja, uzima se da atomske jezgre miruju. Ta je pretpostavka u znatnoj mjeri opravdana jer se u normalnim okolnostima elektroni gibaju znatno brže nego jezgre koje su mnogo veće mase od elektrona. Kako su za svojstva čvrstog stanja najvažniji valentni elektroni, promatraju se samo ti elektroni, a utjecaj elektrona u dubljim elektronskim ljuskama uzima se u obzir kroz njihov doprinos električnom polju oko jezgara. Pretpostavlja se da u prvoj aproksimaciji svaki valentni elektron može biti opisan vlastitom valnom funkcijom. Razvile su se dvije metode u opisivanju interakcije valentnih elektrona: atomska aproksimacija i aproksimacija slobodnim elektronima.

U atomskoj aproksimaciji čvrsto tijelo promatra se kao agregat atoma koji su dovedeni na male udaljenosti jedni od drugih, ali su zadržali svoju punu individualnost. Valentni elektroni u toj aproksimaciji vezani su uz određene jezgre, a prema tome ona u osnovi opisuje stanje dielektrika, kao što su ionski kristali, ali i sva druga čvrsta tijela koja u nepobuđenom stanju nemaju vodljivih elektrona. Budući da se pretpostavlja gibanje valentnih elektrona po identičnim orbitama, njihovi se energetski spektri podudaraju. Model kojim se koristi atomska aproksimacija omogućava da se na osnovi poznatih elektrostatičkih sila među ionima u rešetki izračunaju energija veze ionskih kristala, mehanička i termodinamička svojstva i difuzija u ionskoj rešetki. Na osnovi tog modela dobro se opisuju i pobuđena stanja atoma u izolatoru. Izolator može apsorbirati svjetlost određene valne duljine, a da pritom ne postane fotovodljiv. No elektromagnetsko zračenje dovoljno velike energije (svakako konačne) oslobađa elektrone iz njihovih atomskih ili molekularnih orbitala na isti način kao pri ionizaciji atoma ili molekula. Tako se objašnjava fotovodljivost.

Izolator u čvrstom stanju može u kristalnoj rešetki sadržavati primjese stranih atoma ili neke druge defekte. Elektroni koji se nalaze uz defekte nisu vezani istim silama kao elektroni koji se nalaze uz regularne atome. Oni imaju drukčija pobuđena stanja i drukčije ionizacijske potencijale. Ako su ti ionizacijski potencijali niži nego ionizacijski potencijali elektrona u čistoj tvari, fotovodljivost supstancije koja sadrži primjese određena je u prvom redu prisutnim primjesama. Većina fotovodljivih čvrstih tvari koje se praktički upotrebljavaju tog su tipa. Ako je već termička energija dovoljna za oslobađanje elektrona primjesa, tvar se vlada kao poluvodič s primjesnom vodljivošću. Vladanje poluvodiča s vlastitom vodljivošću također se tumači na taj način: termičke fluktuacije na sobnoj temperaturi uzrokuju ionizaciju regularnih atoma rešetke.

U aproksimaciji slobodnim elektronima polazi se od pretpostavke da valentni elektroni u čvrstom stanju nisu lokalizirani uz pojedine atome, nego se gibaju po cijelome makroskopskom volumenu. Njihovo gibanje kroz periodički potencijal kristalne rešetke zapravo se sastoji od uzastopnih prolazaka kroz potencijalne barijere, pa ih za razliku od slobodnih elektrona u vakuumu treba karakterizirati efektivnom masom različitom od stvarne mase. Moguće energije tih elektrona tvore kvazikontinuirana područja, tzv. energetske zone, koje se tvore od velikog broja vrlo blizu raspoređenih energetskih nivoa. Energetske zone vuku podrijetlo od diskretnih nivoa individualnih atoma; kad se atomi približuju na razmak čvorova u kristalnoj rešetki, interakcije među atomima uzrokuju pomak i cijepanje energetskih nivoa elektrona, a također i njihovo širenje u zone, jer u kristalnoj rešetki s N jednakih i jednako raspoređenih atoma energetski su nivoi N puta degradirani. Zonama su obuhvaćena moguća energetska stanja elektrona; širina zona iznosi 1…10 eV. Iznos energije u svakom stanju određen je svojstvima kristala: simetrijom rešetke, međuatomskm razmacima i prostornim rasporedom potencijala u elementarnoj ćeliji. Moguća stanja čine tzv. dopuštene zone, a energetski intervali među njima nazivaju se zabranjenim zonama. Raspored elektrona po nivoima u zonama određen je Fermi-Diracovom statistikom; u nepobuđenu stanju (na temperaturi bliskoj 0 K) elektroni popunjavaju sve nivoe niže od Fermijeva nivoa. Potpuno pune i potpuno prazne zone ne mogu sudjelovati u vodljivosti, nego se vanjskim poljem mogu ubrzavati samo elektroni iz djelomično ispunjenih zona. Ispunjene zone nazivaju se i valentnim zonama, a prazna zona iznad valentnih zona naziva se vodljivom zonom.

Zonska teorija čvrstog stanja daje zadovoljavajuća objašnjenja za širok raspon vodljivosti čvrstih tijela (od 108 S/m za metale do 10–17 S/m za dobre izolatore), fotovodljivost, utjecaj primjesa na vodljivost poluvodiča, mehanička, optička i djelomično toplinska i magnetska svojstva čvrstih tijela. Tijela kojima je Fermijev nivo u dopuštenoj zoni vodiči su, jer je kod njih najviša zona uvijek samo djelomično ispunjena, tj. ta tijela uvijek imaju vodljive elektrone; tijela kojima Fermijev nivo pada u zabranjenu zonu ili su izolatori ili poluvodiči.

Defekti kristalne rešetke uzrokuju pojavu lokalnih energetskih nivoa u zabranjenoj zoni. Ako se pri neutralnom stanju defekta na njihovu lokalnom nivou nalazi elektron, nivo se naziva donornim, a ako se elektron ne nalazi akceptornim. Zbog termičkih gibanja donorni nivoi mogu davati elektrone u vodljivu zonu, a akceptorni nivoi primati elektrone iz valentne zone. Zato donorne primjese u poluvodičima uzrokuju elektronsku vodljivost, a akceptorne primjese šupljinsku vodljivost. Time se primjesna vodljivost razlikuje od vlastite vodljivosti, u kojoj sudjeluje uvijek isti broj elektrona i šupljina. Glavne pojave koje se ispituju u fizici čvrstog stanja promjene su vodljivosti u rasponu temperatura od apsolutne nule do tališta i usto vezani efekti (→ vodljivost; supravodljivost; poluvodiči; izolator; fotoelektrični efekt; magnetizam; kondenzirana tvar).

fizika čvrstog stanja. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 16.10.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=19793>.