kietojo kūno fizika

ketojo kno fzika, fizikos šaka, tirianti kietųjų kūnų sandarą, elektroninę struktūrą ir fizikines savybes. Tiriamos kristalinės ir amorfinės, neorganinės ir organinės (pvz., polimerai), t. p. kompozicinės medžiagos. Kietojo kūno fizika glaudžiai siejasi su medžiagotyra ir yra labiausiai plėtojama kondensuotosios medžiagos fizikos sritis. Kietojo kūno fizika skirstoma į daugelį šakų pagal įvairius požymius, pvz., pagal kristalinę tvarką (kristalų fizika, netvarkiųjų medžiagų fizika), pagal elektrines savybes (metalų, dielektrikų, puslaidininkių, superlaidininkų fizika), pagal tiriamo objekto geometrinius požymius (plonųjų sluoksnių, kvantinių darinių, paviršiaus fizika), pagal aplinkos sąlygas (žemųjų ir aukštųjų temperatūrų, taip pat didelio slėgio fizika). Kietojo kūno fizika tiria kristalinę medžiagų sandarą, gardelės defektus (kristalų defektai), kristalinės sandaros bei elektroninio spektro pokyčius (faziniai virsmai), elektrines savybes (elektroninis bei joninis elektrinis laidumas), dielektrines savybes (feroelektra, piroelektra, pjezoelektra), optines savybes (atspindžio, sugerties, Ramano (kombinacinės sklaidos), liuminescencijos spektrai), magnetines savybes (diamagnetizmas, paramagnetizmas, feromagnetizmas, antiferomagnetizmas), šilumines savybes (šilumos laidumas, šiluminė talpa), mechanines savybes (tamprumas, plastiškumas), elektromagnetinės spinduliuotės sąveiką su medžiaga (fotolaidumas); temperatūros bei įvairių laukų poveikį medžiagos savybėms (šiluminis plėtimasis, magnetostrikcija, galvanomagnetiniai termoelektriniai, termomagnetiniai, reiškiniai ir kita). Kietojo kūno savybėms tirti naudojami įvairūs fizikiniai reiškiniai ir jais grindžiami tyrimo metodai ir, pvz., rentgeno spindulių, t. p. elektronų bei neutronų difrakcija (rentgenografija, rentgenostruktūrinė analizė, elektronografija, neutronografija) naudojama kristalinei sandarai tirti, atspindėtosios, sugertosios ar emituotosios šviesos spektrų tyrimas, fotoelektroninių žadinių ir rezonansinių reiškinių tyrimas (magnetinis branduolių rezonansas, paramagnetinis elektronų rezonansas, feromagnetinis rezonansas, Mössbauerio reiškinys) leidžia tyrinėti kietojo kūno atomų elektronines būsenas, pernašos reiškinių (pvz., elektrinio laidumo, Hallo reiškinio) tyrimų duomenys teikia žinių apie krūvininkų prigimtį, tankį, judrį ir sąveiką su gardelės defektais ir fononais. Kietųjų kristalinių kūnų savybes aiškina šiuolaikinė kvantinė kietojo kūno teorija (juostinė kietojo kūno teorija, kristalų lauko teorija). Kietojo kūno fizikos tyrimai įgalina gaminti naujas medžiagas, pvz., reikiamų mechaninių savybių polimerus, tam tikrų elektrinių savybių puslaidininkius, labai kietus, temperatūrai atsparius ar labai lydžius metalų lydinius ir kita. Kietojo kūno fizikos tyrimų duomenys naudojami įvairiose technikos srityse. Išaiškinti dėsningumai taikomi molekulinėje biologijoje, branduolio fizikoje, astrofizikoje, geologijoje ir kitose mokslo srityse.

Istorija

Kai kurios makroskopinės kietųjų kūnų (mineralų) savybės pradėtos tirti dar 17 a., pvz., 1669 Erasmusas Bartholinas (Danija) pastebėjo, kad islandiškojo špato kristalas dvejopai laužia šviesos spindulius. 1660 anglų fizikas R. Hooke’as atrado tampriojo kūno išilginių įtempių ir jo deformacijos proporcingumo dėsnį, Stephenas Gray (Jungtinės Amerikos Valstijos) 1731 nustatė, kad metalai nevienodai laidūs elektrai. 19 a. atrasta keletas empirinių dėsnių, pvz., Dulongo ir Petit dėsnis (1819), Ohmo dėsnis (1827), Wiedemanno ir Franzo dėsnis (1853). Augusteʼas Bravais (Prancūzija) 1848 pateikė kristalo, susidedančio iš tvarkingai erdvėje išsidėsčiusių atomų, modelį, 1890–91 J. Fiodorovas ir Arthuras Moritzas Shoenfliesas (Vokietija) įrodė, kad gali būti 230 skirtingų kristalų simetrijos erdvinių grupių. Kristalinių medžiagų tyrimai plėtoti 20 a. pradžioje atradus rentgeno spindulius. 1912 M. Th. F. von Laue, t. p. Paulius Knippingas ir Walteris Friedrichas (abu Vokietija) atrado rentgeno spindulių difrakciją kristaluose, o 1912 W. L. Braggas nustatė sąryšius, siejančius kristalo gardelės periodą ir rentgeno spindulių bangos ilgį. Kietojo kūno elektroninės teorijos pagrindus sukūrė P. K. L. Drude (1900), H. A. Lorentzas (1904), A. Sommerfeldas ir J. Frenkelis (1928). A. Einsteinas 1907, P. J. W. Debye 1912 pritaikė kvantinio osciliatoriaus modelį kristalo gardelei ir paaiškino daugelį kietojo kūno šiluminių savybių. 20 a. 3–4 dešimtmečiais remiantis kvantinės mechanikos laimėjimais buvo pradėta kurti juostinė kietojo kūno teorija (F. Blochas, Alanas Herriesas Wilsonas, Didžioji Britanija, N. F. Mottas, L. Brillouinas, J. Frenkelis ir I. Tammas). 20 a. pirmoje pusėje sukūrus tranzistorių (J. Bardeenas, W. H. Brattainas ir W. B. Shockley, 1948), vėliau kietojo kūno lazerį, mikrograndyną, labai išsiplėtojo puslaidininkių tyrimai. 21 a. pradžioje plačiai tiriami nanometrinių matmenų kietojo kūno dariniai (nanomokslas, nanotechnologijos).

Lietuvoje

Kietojo kūno fizikos tyrimai pradėti 20 a. pradžioje. A. Puodžiukynas Vienos universitete 1923–27 pradėtus paladžio vielos sandaros ir elektrinės varžos tyrimus tęsė Vytauto Didžiojo universitete, vėliau – atkurtame Vilniaus universitete. 1938 A. Jucys (Vytauto Didžiojo universitetas) paskelbė teorinį straipsnį apie metališkąjį kalį. P. Brazdžiūnas su Alfonsu Misiuku-Misiūnu prieš pat II pasaulinį karą Vilniaus universitete buvo pradėję tirti vario‑aliuminio kietųjų tirpalų elektrinį laidumą. Kai kurie kietojo kūno fizikos klausimai (metalų plonųjų sluoksnių sandara ir optinės savybės) buvo nagrinėjami 1919–39 Vilniaus Stepono Batoro universitete. P. Brazdžiūno iniciatyva 1948 įsteigtame Lietuvos mokslų akademijos Technikos mokslų institute buvo pradėta kurti eksperimentinė bazė ploniesiems medžiagų sluoksniams gaminti (Vytautas Tolutis). Vilniaus universiteto Eksperimentinės fizikos katedroje nuo 1949 buvo tiriamos puslaidininkių plonųjų sluoksnių elektrinės ir fotoelektrinės savybės. Pirmieji CdTe, CdSe, CdS, Sb₂S₃, Sb₂Se₃ ir kitų puslaidininkių tyrimų rezultatai, gauti Lietuvos mokslų akademijos institutų ir Vilniaus universiteto laboratorijose, apibendrinti V. Tolučio, Kazio Valackos, A. Šileikos, Mečislovo Mikalkevičiaus, J. Viščako ir Antano Širvaičio mokslinėse disertacijose. J. Požela pradėjo organizuoti kietojo kūno plazmos, karštųjų krūvininkų puslaidininkiuose tyrimus Lietuvos mokslų akademijos Fizikos ir matematikos institute, 1967 įkurtame Puslaidininkių fizikos institute buvo tęsiami anksčiau pradėti karštųjų krūvininkų, puslaidininkių optikos, t. p. plonųjų sluoksnių tyrimai. Daugiausia puslaidininkių ir dielektrikų tyrimai buvo atliekami Vilniaus universiteto Puslaidininkių fizikos (įkurta 1960), Radiofizikos (1960) ir Kietojo kūno elektronikos (1978) katedrose. Įvairūs taikomieji ir fundamentiniai kietojo kūno fizikos tyrimai plėtoti Kauno politechnikos institute (nuo 1990 Kauno technologijos universitetas), Lietuvos mokslų akademijos Fizikos ir Fizikinių‑techninių energetikos problemų (nuo 1992 Lietuvos energetikos institutas) institutuose, Elektrografijos mokslinio tyrimo institute, žinybiniuose Vilniaus ir Kauno matavimo prietaisų institutuose ir kitur. Visi šie kietojo kūno fizikos tyrimai sudarė palankias prielaidas elektronikos ir kitų šakų pramonės plėtrai Lietuvoje. Nuo 20 a. paskutinio dešimtmečio pradžios Lietuvos fizikai tiria naujus puslaidininkius, feroelektrikus, feromagnetikus, joninius laidininkus, skystuosius kristalus, superlaidininkus. Naudojant lazerius ir aukšto dažnio techniką Vilniaus universitete, Fizinių ir technologijos mokslų centre (buvę Puslaidininkių ir Fizikos institutai) buvo sėkmingai tiriami ypač spartūs elektroniniai procesai kietuosiuose kūnuose. Nuo 21 a. pradžios daugelyje Lietuvos mokslo įstaigų spartėja naujų kvantinių reiškinių tyrimai, plėtojamas nanomokslas, nanotechnologijos.

1813