Szilárdtestfizika
A szilárdtestfizika a kondenzált anyagok fizikájának egyik ága, a szilárd anyagok tanulmányozásának tudománya, melynek legáltalánosabb elméleti és gyakorlati eszközei a kvantummechanika és a kristálytan. A szilárd anyag makroszkopikus elektromos, mechanikai tulajdonságait magyarázza az azt felépítő atomok elemi tulajdonságaiból és az anyag szerkezetéből kiindulva. A kristályrácsban található atomok periodicitása miatt olyan modellek alkothatók, melyekben a tömbi anyag sok tapasztalt jellemzője (többek között elektromos, mágneses, mechanikai, optikai, spintronikai stb. szempontok szerint) megmagyarázható.
A szilárdtestfizika adja az anyagtudomány elméleti hátterét, melynek számos gyakorlati alkalmazása van például a félvezetőiparban, és a nanotechnológiában.
Történet
[szerkesztés]
Az anyagok vizsgálatának története régi múltra nyúlik vissza, azonban szilárdtestfizikáról, mint tudományterületről csak az 1940-es évektől beszélhetünk. Tekinthetjük a szilárdtestfizika kezdőpontjának az Amerikai Fizikai Társaság DSSP (Department of Solid State Physics) osztályának létrejöttét, melyet azért hoztak létre, hogy ipari eredmények kellő elméleti hátterét alkossa meg és további alkalmazásoknak nyisson utat.
A második világháború után Európa is bekapcsolódott a szilárdtestfizikai kutatásokba, főleg Anglia, Németország és a Szovjetunió részvételével.[1]
A szilárdtestfizika témái
[szerkesztés]
A szilárdtestfizika témakörébe egymáshoz kisebb-nagyobb mértékben kötődő fizikai modellek tartoznak, melyek közös vonása hogy alapjukat jellemzően kvantummechanikai elvek adják és következtetéseik az anyagtudományban nyerhetnek alkalmazást.
Rácsrezgések szilárdtestekben
[szerkesztés]
A szilárdtestfizika egységes elméletet biztosít a rácsban terjedő akusztikus és optikai rezgések leírására. A rácsrezgések klasszikus leírása több ponton eltér a tapasztalatoktól (például a szilárdtest fajhőjének hőmérsékletfüggését illetően), a kvantummechanikai elveken alapuló Einstein-modell[2] és Debye-modell[3] pontosabb képet szolgáltat. A fononok, azaz a rácsrezgés kvantumainak koncepciója bevezetésével lehetővé válik, hogy egy elméletben írjuk le a rácsban többek között a termikus és diffúziós jelenségeket, a szóródási folyamatokat és az elektromágneses térrel való kölcsönhatásokat.
Szilárdtestek elektronszerkezete
[szerkesztés]
A szilárdtestfizika alapjait a kvantummechanika Schrödinger-féle formalizmusa alkotja. A szabad atomok körüli potenciáltér az elektronok számára diszkrét energianívókat ad, melyek az elektronok számára megengedett és tiltott energiasávokká alakulnak, ahogy az atomok egymáshoz közel kerülve egymás potenciálterébe érnek. A pusztán egy atomhoz tartozó elektronok, ahogy "érezni kezdik" a rács más atomjaihoz tartozó elektronok hatását, úgy rendeződnek át, hogy ne sértsék a Pauli-elvet.
A Bloch-tétel, amely leírja a sávelektronok hullámfüggvényét periodikus potenciálban, igen fontos kiindulópontja az elméleteknek. A Bloch-tétel csak periodikus potenciálokra érvényes, de az atomok folyamatos, véletlenszerű mozgása a kristályrácsban megtöri ezt a periodicitást. Ugyanígy az anyag más eredetű inhomogenitásai, például szennyezők az anyagban, rácshibák, külső hatások szintén eltéréseket okozhatnak egy leegyszerűsített elmélettől, ezért a szilárdtestfizika kísérletet tesz ezek leírására is.
Szerkezetfüggő jelenségek
[szerkesztés]Általános tapasztalat, hogy az anyagok tömbi viselkedését nem egyedül az határozza meg, hogy kémiai összetételük milyen, hanem egyes esetekben nagyon fontos lehet az anyag építőköveinek rendeződési elve, például hogy az adott anyag milyen kristályrácsban kristályosodik. A szilárdtestfizika magyarázatot ad arra, hogy miért különböznek az jellemzői a gyémántnak, a grafitnak, a grafénnek, a szén nanocsőnek[4] és egyéb fulleréneknek annak ellenére hogy mind csupán szén atomokból állnak, egymás allotrópjai.
Az alacsony dimenziós szilárdtestek (olyan testek, melyeknek legalább egy kiterjedése esik az atomi méretskála közelébe) a méretüknek köszönhetően különleges tulajdonságúak. A nagy felület-térfogat arány következtében felerősödnek a felületi jelenségek (pl szén nanocsövek esetén már nem is beszélhetünk tömbi anyagról, az egész szerkezet tulajdonságait nagyban befolyásolja a csőfal viselkedése). Ha a szerkezet egyes méretei elérik a rendszer fizikai leírásánál alkalmazott modellbeli hullámhosszakat (például ha egy nanoszalag szélessége összemérhető a benne található sávelektronok hullámhosszával) akkor mezoszkopikus jelenségeket, például kvantumbezárást tapasztalunk. Sok félvezető anyag esetén bizonyos alacsony dimenziós szerkezetben ez szobahőmérsékleten is bekövetkezik, részben ez az oka annak, hogy a félvezető nanoszerkezetekre nagyon sok gyakorlati alkalmazást találunk. Az ilyen szerkezetekkel a nanotechnológia és a felületfizika foglalkozik.
A szilárdtestfizika kísérleti módszerei
[szerkesztés]| Nanotechnológia |
|---|
[[Fájl:
|
| Szakterületek |
|
Anyagtudomány, Szilárdtestfizika, Atomfizika, Mezoszkopikus fizika, Felületfizika, Félvezetők |
| Alapjelenségek |
|
Nanoszerkezet, Kvantumbezárás, Van Hove-szingularitás, Kétdimenziós elektrongáz, Ballisztikus vezetés, Önszerveződés, Alagúthatás |
| Eljárások |
|
Nanolitográfia, Atomerő-mikroszkóp, Pásztázó alagútmikroszkóp, Pásztázó elektronmikroszkóp, Transzmissziós elektronmikroszkóp, Mágneses magrezonancia |
 A Wikimédia Commons tartalmaz Nanotechnológia témájú médiaállományokat. |
Mivel a szilárdtestfizika az anyagtudomány elméleti hátteréül szolgál, nagyban támaszkodik annak kísérleti eredményeire, a szilárdtestfizikai kutatásokban sok anyagtudományos vizsgálati módszert alkalmaznak. Oly sok módszer és eljárás ismert, hogy felsorolásuk nem lehetséges, de néhány alapvető kategória megadható. A legtöbb vizsgálati módszert az alábbi négy kategóriába sorolhatjuk:[5][6][7]
- Diffrakciós módszerek. Ezen eljárások során az anyagjellemzőket szóródási folyamatokon alapuló jelenségekből nyerik. Ilyen például a röntgendiffrakciós krisztallográfia (XRD), illetve ennek egy gyakori speciális módszere, a Laue-szórás, továbbá a felületérzékeny kisenergiás és nagyenergiás elektron-visszaszórás (rövidítésük rendre LEED[8] illetve RHEED[9]), a Rutherford-visszaszórás spektroszkópia (RBS), a neutronszórás stb.
- Mikroszkópi módszerek. A mikroszerkezetek vizsgálata hagyományos fénymikroszkóppal is lehetséges, azonban a nanoszerkezetek és az atomi méretskála már más módszereket tesz szükségessé, ugyanis a fénymikroszkópokra vonatkozó diffrakciós határ korlátozza a felbontóképességet. A szilárdtesteket felépítő atomok jellemző távolsága a szerkezetben 0,1-1 nm körüli, így ha a mikroszkópban alkalmazott vizsgáló nyaláb hullámhosszát jóval ez alá csökkentjük, a leképezés lehetségessé válik. Ezt alkalmazzuk a pásztázó elektronmikroszkópokban (SEM), illetve a transzmissziós elektronmikroszkópokban (TEM),[10] ugyanis az elektronok hullámhossza jóval kisebb, mint a fénymikroszkópokban alkalmazott fotonoké. A speciális kialakítású és célú mikroszkópok között megemlítendő a fáziskontraszt-mokroszkóp, illetve a konfokális mikroszkóp. További mikroszkópi módszerek a felület letapogatásán alapuló mérések, például a pásztázó alagútmikroszkóp (SEM),[11][12][13] az atomerő-mikroszkóp (AFM),[14] illetve ezek számtalan változata.
- Spektroszkópiai módszerek. A spektroszkópiai eljárások az anyag egy tulajdonságának energiafüggését jellemzik, például hogy a rávetített fény- vagy részecskenyaláb milyen energián milyen jellegzetességeket mutat. A spektroszkópia általában a beeső nyalábnak a vizsgált próbatesten való reflexióját, abszorpcióját, transzmisszióját, szóródását stb. veszi figyelembe. A spektrális információkból gyakran anyagösszetételre, illetve felületi vagy tömbi jellemzőkre következtethetünk. Gyakori példák a Raman-spektroszkópia,[15] az infravörös spektroszkópia,[15] Spektroszkópiai ellipszometria (SE),[16] Röntgen-fotoelektron spektroszkópia (XPS),[17][18] Auger-spektroszkópia (AES),[18][19] szekunderion-tömegspektrometria (SIMS),[20] Mössbauer-spektroszkópia,[21] elektronspin-rezonancia spektroszkópia (ESR),[22][23] továbbá ide sorolhatók még bizonyos nukleáris méréstechnikai eljárások is, mint például a mágneses magrezonancia spektroszkópia (NMR-spektroszkópia),[24] vagy a neutronaktivációs analízis (NAA)[25] stb.
- Transzportmérések. Ezek kontakt, vagy érintésmentes eljárások, melyek során az anyag jellemzőit úgy mérjük, hogy benne elektromos vagy más transzportfolyamatot indukálunk, melyet az anyag lokális vagy globális jellemzői befolyásolnak. Ezekre egyszerű példa a kétpont- vagy négypont-ellenállásmérés,[26] illetve a van der Pauw-módszer,[27][28] de ide sorolhatók a C-V mérések,[29] a Hall-mobilitás mérése,[28][30] a töltéshordozó-élettartam mérése,[31][32] vagy a négyzetes ellenállás[26] (sheet resistance) mérése.
Természetesen léteznek további, esetleg a fenti csoportosításba nem illeszthető méréstechnikai eljárások, illetve olyanok is, melyek több kategóriába is sorolhatók. Például transzmissziós elektronmikroszkóp segítségével mikroszkópi leképezésre és elektron spektroszkópiai, vagy diffrakciós mérésre is lehetőségünk van, az AFM pedig lehetőséget ad a felületi elektronállapot-sűrűség spektroszkópiai vizsgálatára.
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ Hoffmann, D. (2013). Fifty years of physica status solidi in historical perspective. physica status solidi (b), 250(4), 871-887.
- ↑ A Einstein (1907). „Planck’s theory of radiation and the theory of specific heat”. Annalen der Physik, 180–190. o.
- ↑ P Debye (1912). „On the theory of specific heats”. The Collected Papers of Peter JW Debye.
- ↑ Iidzsma, Szumio (1991. november 7.). „Helical microtubules of graphitic carbon” (angol nyelven) (PDF). Nature 354 (6348), 56–58. o. DOI:10.1038/354056a0. (Hozzáférés: 2017. április 26.)
- ↑ Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.
- ↑ Dieter K. Schroder: Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd Edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2006. ISBN 9780471739067
- ↑ Sólyom Jenő: A modern szilárdtest-fizika alapjai I: Szerkezet és dinamika. Budapest: ELTE Eötvös Kiadó. 2009. ISBN 9789632840970
- ↑ Held, G. (1974). Low-energy electron diffraction.
- ↑ Ino, Shozo (1977). „Some New Techniques in Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) Application to Surface Structure Studies”. Japanese Journal of Applied Physics 16 (6), 891–908. o, Kiadó: Japan Society of Applied Physics. DOI:10.1143/jjap.16.891. (Hozzáférés: 2017. május 2.)
- ↑ Williams, David. Transmission Electron Microscopy : a Textbook for Materials Science. Boston, MA: Springer US (1996). ISBN 978-1-4757-2519-3
- ↑ Binnig, G., & Rohrer, H. (1983). Scanning tunneling microscopy.(PDF Archiválva 2014. augusztus 1-i dátummal a Wayback Machine-ben) Surface science, 126(1), 236-244.
- ↑ Binnig, Gerd (1987). „Scanning tunneling microscopy—from birth to adolescence”. Reviews of Modern Physics 59 (3), 615–625. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/revmodphys.59.615. (Hozzáférés: 2017. május 9.)
- ↑ Binnig, G., & Rohrer, H. (2000). Scanning tunneling microscopy. IBM Journal of research and development, 44(1/2), 279.
- ↑ Binnig, G., Quate, C. F., & Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. (PDF) Physical review letters, 56(9), 930.
- ↑ a b Colthup, N. (2012). Introduction to infrared and Raman spectroscopy. Elsevier.
- ↑ Fujiwara, H. (2007). Spectroscopic ellipsometry: principles and applications. Archiválva 2015. szeptember 26-i dátummal a Wayback Machine-ben John Wiley & Sons.
- ↑ Chastain, J., & King, R. C. (Eds.). (1992). Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy: a reference book of standard spectra for identification and interpretation of XPS data. Eden Prairie, MN: Perkin-Elmer.
- ↑ a b Briggs, D., & Seah, M. P. (1983). Practical surface analysis by Auger and X-ray photoelectron spectroscopy. Archiválva 2016. április 20-i dátummal a Wayback Machine-ben, John Wiley & Sons, Chichester 1983, xiv+ 533.
- ↑ Carlson, T. (2013). Photoelectron and Auger spectroscopy. Springer Science & Business Media.
- ↑ Wilson, R. G., Stevie, F. A., & Magee, C. W. (1989). Secondary ion mass spectrometry: a practical handbook for depth profiling and bulk impurity analysis. Wiley-Interscience.
- ↑ Greenwood, N. N., & Gibb, T. C. (1971). Mössbauer spectroscopy (p. 241). London: Chapman and Hall.
- ↑ Wertz, J. (2012). Electron spin resonance: elementary theory and practical applications. Springer Science & Business Media.
- ↑ Poole, C. P. (1996). Electron spin resonance: a comprehensive treatise on experimental techniques. Courier Corporation.
- ↑ Andrew, E. R. (2009). Nuclear magnetic resonance. Nuclear Magnetic Resonance, by ER Andrew, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2009, 1.
- ↑ De Soete, D. (1972). Neutron activation analysis.[halott link]
- ↑ a b Smits, F. M. (1958). Measurement of sheet resistivities with the four‐point probe. Archiválva 2015. november 14-i dátummal a Wayback Machine-ben Bell System Technical Journal, 37(3), 711-718.
- ↑ Archivált másolat. [2015. augusztus 24-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. október 30.)
- ↑ a b http://www.nist.gov/pml/div683/hall_resistivity.cfm
- ↑ Blood, P., & Orton, J. W. (1992). The electrical characterization of semiconductors: majority carriers and electron states (Vol. 2). Academic Pr.
- ↑ http://www.nist.gov/pml/div683/hall_effect.cfm
- ↑ Boda, J., Ferenczi, G., Horvath, P., Mirk, Z., & Pavelka, T. (1995). U.S. Patent No. 5,406,214. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
- ↑ Pavelka, T. (2003). U.S. Patent No. 6,653,850. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
Források
[szerkesztés]
- Sólyom Jenő, A modern szilárdtest-fizika alapjai I-II-III. (ELTE Eötvös Kiadó 2009, 2010, 2011)
- Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
- Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 2004).
- H. M. Rosenberg, The Solid State (Oxford University Press: Oxford, 1995).
- Out of the Crystal Maze. Chapters from the History of Solid State Physics, ed. Lillian Hoddeson, Ernest Braun, Jürgen Teichmann, Spencer Weart (Oxford: Oxford University Press, 1992).
- M. A. Omar, Elementary Solid State Physics (Revised Printing, Addison-Wesley, 1993).
- Dieter K. Schroder: Semiconductor Material and Device Characterization. 3rd Edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 2006. ISBN 978-0-471-73906-7
- Robin F.C. Farrow: Molecular Beam Epitaxy: Applications to Key Materials. (hely nélkül): Elsevier Science. 2012. ISBN 9780080946115
- Thomas Ihn: Semiconductor Nanostructures: Quantum states and electronic transport. Oxford: Oxford University Press. 2009. ISBN 9780199534432
