Кристаллофизика

КРИСТАЛЛОФИЗИКА, изучает связь физических свойств (электрических, магнитных, оптических, механических и их комбинаций) твёрдых и жидких кристаллов с химическим составом и симметрией кристаллов, исследует влияние внешних воздействий на эти свойства, дефекты в кристаллах и механизмы образования кристаллов. К комбинированным свойствам кристаллов относятся, например, электрооптические (смотри Электрооптика), магнитооптические (смотри Магнитооптика), фотоэлектрические (смотри Фотоэлектрические явления), пьезоэлектрические (смотри Пьезоэлектричество, Пьезоэлектрики) свойства, электрострикция, магнитострикция, в которых происходит преобразование сигналов одного типа в другой. Например, приложение к кристаллу электрического напряжения вызывает механические смещения поверхности или отклонение луча света. Свойства кристаллов различны в разных направлениях (анизотропия), но одинаковы в направлениях, эквивалентных по симметрии (смотри Симметрия кристаллов). Дефекты в кристаллах (вакансии, примеси, дислокации, центры окраски, дефекты упаковки, границы кристаллических зёрен, домены и др.) полностью определяют пластическую деформацию и прочность кристаллов, кардинально меняют полупроводниковые свойства, окраску, влияют на процессы облучения частицами, рентгеновским излучением и т. д. Образование кристаллов включает в себя явления их зарождения и роста, соответствующие поверхностные явления, формирование и эволюцию дефектной структуры кристаллов при кристаллизации из расплавов, растворов, паров, стёкол, плазмы и кристаллов других фаз.

Реклама

Большой раздел кристаллофизики – исследование фазовых превращений в кристаллах. Изменение точечной и пространственной групп симметрии кристаллов, испытывающих фазовые переходы, например, в ферромагнитное и сегнетоэлектрическое состояния (смотри Ферромагнетизм, Сегнетоэлектрики), позволяет предсказать Кюри принцип.

Все свойства кристаллов – прямое следствие их химического состава, атомной структуры, симметрии и совершенства – изучаются кристаллографией и кристаллохимией. В России традиционно кристаллография не только определяет и анализирует структуру кристаллов, но и изучает свойства и образование кристаллов, то есть пересекается с кристаллофизикой.

Явления на поверхности и вблизи поверхностей определяют образование кристаллов, как массивных (например, полупроводниковых массой до сотен кг), так и кристаллических плёнок и слоёв (вплоть до мономолекулярных), их свойства и работу во многих приборах (например, микроэлектроники), а также как предохраняющих и функциональных покрытий. Ещё более существенна роль поверхности в нанотехнологиях, поэтому кристаллофизика взаимодействует с физикой и химией поверхностей.

С течением времени кристаллофизика решает всё больше задач физической инженерии по созданию конструкционных материалов и приборов, главным функциональным элементом которых служат кристаллы и кристаллические плёнки. В этом инженерном аспекте кристаллофизика близка к материаловедению и металловедению.

Кристаллофизика  использует все подходящие для изучения кристаллов методы физики, химии и кристаллографии, включая электрические, оптические, магнитные, тепловые и механические измерения, дифракцию и интерференцию рентгеновских лучей (в том числе исследование структурных атомных процессов наносекундной и большей длительности), нейтронов, света, все виды топографии, электронную микроскопию (в том числе атомное разрешение структуры и дефектов), электронные магнитные резонансы, атомно-силовую и туннельную микроскопию, дифракционные исследования поверхностей и другие методы, включая синхротронное излучение. Кристаллофизика  опирается на теорию конденсированных сред, теорию симметрии, моделирование методами Монте-Карло и молекулярной динамики.

Лит.: Современная кристаллография. М., 1979-1981. Т. 1-4; Gersten J. I., Smith F. W. The physics and chemistry of materials. N. Y., 2001.

А. А. Чернов.