Les solides sont constitués d’énormes nombres (N≈10²³) d’atomes. Ceux-ci sont à leur tour formés par un noyau entouré d’un nombre d’électrons caractéristiques de chaque espèce chimique. Lorsque les atomes sont unis pour former un solide les électrons les plus extérieurs de chaque atome interagissent de manière extrêmement liée à ceux de leurs voisins les plus proches que leur statut est modifié par rapport à l’atome isolé. Les électrons des atomes dont l’état change remarquablement lors de la condensation du solide s’appelle des électrons de Valence; Au reste, électrons corticaux.
Un solide est considéré comme formé par deux sous-systèmes: un réseau d’ions, constitué par les noyaux atomiques plus électrons corticaux et un ensemble d’électrons de Valence. Parce que presque toute la masse d’un atome est contenue dans le noyau survient que les ions sont beaucoup plus lourds que les électrons de Valence; Par conséquent, des dynamiques ioniques et électroniques se produisent sur des échelles de temps très différentes. Pour cette raison, la soi-disant approximation de Born-Oppenheimer peut être appliquée et décomposer l’étude de la physique solide en deux problèmes différents: la physique des réseaux d’ions et celle des systèmes électroniques de Valence.
Les propriétés du solide sont alors la superposition des contributions de chacun de ces sous-systèmes. Il arrive souvent que des contributions supplémentaires peuvent provoquer des caractéristiques particulières des ions formant des phénomènes solides ou coopératifs en raison des interactions intenses données dans la phase condensée de la matière. Ainsi, par exemple, l’existence d’ions présentant des moments magnétiques donne lieu au magnétisme des solides, ou des interactions spéciales entre le réseau d’ions et les électrons de Valence causent la supraconductivité.
image de la page Web » Les structures de réseau cristallin « , maintenues par le Centre de calcul des matériaux science du laboratoire de la marine des États-Unis.
La structure d’un cristal est décrite à partir d’un petit nombre d’ions, de seulement plusieurs dizaines, agencées par rapport aux autres de manière bien définie, qui s’appelle la base atomique en raison de son caractère constituant fondamental de la cristal. Le verre est alors la répétition périodique de la base atomique dans tout l’espace occupé par le verre. Une règle est nécessaire pour dire dans quels points d’espace spécifiques vous devez placer les copies de la base atomique. Ceci est donné par un concept mathématique abstrait appelé BRAVAIS NETWORK, qui est un ensemble de points dont la caractéristique fondamentale est l’invariance de translationnelle: le réseau est égal de l’un de ses nœuds.
Les réseaux de cristal ainsi définis sont des structures statiques. En réalité, les ions ne restent pas fixés dans leurs positions du réseau, mais effectuent des mouvements oscillat autour d’eux avec une amplitude qui pousse avec la température. Les positions du réseau cristallin sont donc des positions moyennes des ions au fil du temps. Une étude complète du réseau d’ions d’un verre comprend donc la dynamique des réseaux cristallins. L’analyse de ce mouvement collectif du cristal, selon les principes de la physique quantique, entraîne une dynamique définie par l’énumération d’une collection de modes de vibration caractéristique, définis par sa fréquence, et par degré d’excitation de chaque mode, mesuré par le nombre de phonones dedans. Application des techniques de physique statistique, la contribution des vibrations de réseau à des propriétés solides est ensuite obtenue.
structure cristalline de chlorure de sodium.
Cette image montre la structure d’un cristal de sel commun, NaCl. Les sphères vertes représentent des na des ions et des ions bleus de cl.L’agencement spatial des ions dans le cristal peut être décrit par un réseau courageux du type cubique centré sur les faces et une base atomique formée par une paire d’ions Na-CL.
Un réseau de Bravais est un concept mathématique, géométrique approprié. C’est un ensemble de points répartis périodiquement par l’espace. Dans le cas de la figure, ces points sont dans les centres de la sphère bleue, ils se propageraient dans tout l’espace, mais seulement 14 d’entre eux ont une représentation dans l’image. Il est constaté que les points du réseau sont laissés dans les sommets et dans les centres des visages d’un hexaedron ou d’un cube. D’où le nom du réseau: Cubic centré sur les visages.
La base atomique est un concept physique. Dans cet exemple, il peut être défini comme une paire d’ions NA-CL, séparés à une distance égale à la moitié de la diagonale du cube et que le segment se lie la direction d’une diagonale aux ions. Répéter cette unité sur chaque noeud du réseau Bravais est construit.
D’autres matériaux ont des cristaux similaires, avec la seule différence que les espèces chimiques des ions impliquées sont différentes. Un exemple est l’oxyde de manganèse, le MNO, un matériau intéressant pour ses propriétés magnétiques. La description des structures d’autres cristaux nécessite réseaux de différents Bravias atomiques et les bases.
| L’étude de la contribution des électrons de Valence aux propriétés des solides est une question importante et non seulement du point de vue fondamental. Ces électrons contribuent de manière significative aux propriétés solides, telles que la cohésion du matériau, la réponse de celui-ci aux échanges de chaleur, ou la capacité de mener de l’électricité. Ce dernier est donc particulièrement important, donc les technologies liées à l’électricité, fondamentales au développement économique, nécessitent une connaissance des propriétés électriques des conducteurs et des isolateurs. De la même manière, les propriétés électroniques des matériaux semi-conducteurs sont à la base du développement de l’électronique et de l’informatique.
La théorie des électrons de Valence dans des solides a deux ingrédients: la physique quantique, qui nous dit que ce sont les états où Il est possible de trouver des électrons en solides et la physique statistique, qui nous informe de la probabilité que ces états quantiques d’être occupés. Les états quantiques accessibles à un électron dans un solide sont organisés dans des bandes d’énergie; En général, toutes les valeurs d’énergie ne sont pas accessibles à un électron, mais seulement celles de certaines bandes autorisées. Ce dernier implique l’existence de bandes d’énergie interdites. Selon la physique statistique, les autres états de l’énergie sont occupés, les plus grandes énergies au chômage et dans un petit intervalle d’énergie autour d’une énergie de référence, appelée Fermi Energy, le La probabilité d’occupation diminue rapidement. Dans certains solides, Fermi Energy est à l’intérieur d’une bande autorisée: ces matériaux se comportent comme des conducteurs. Dans une autre fermi énergie est dans une bande interdite, il est ensuite isolant lorsque cette bande est large et des semi-conducteurs lorsqu’il est étroit. La structure de la bande, combinée à la valeur de Fermi Energy, déterminez donc la nature électrique du solide. |
Image de la Site « Fermi Surfaces », maintenu par l’Institut de physique technique de l’Université technique de Dresde. |
Physique d’état solide Il fait partie de la physique de développement relativement récente. : La plupart des concepts qui composent cette discipline sont inférieurs à cent ans. Les premiers résultats pertinents Date de la fin du XIXe et du début du XXe siècle et se réfèrent à la description et à la détermination des structures cristallines. Cependant, la majeure partie de la connaissance de la physique des États solides a été élaborée dès le premier trimestre du XXe siècle, une fois de plus de plusieurs parties fondamentales de la physique, telles que la physique quantique et la physique statistique dans laquelle elle est maintenue, elles étaient bien établies. La recherche sur la physique des États solides a obtenu une reconnaissance du prix Nobel à plusieurs reprises. Voici des connexions aux pages Web de la Fondation Nobel dédiée aux prix accordés jusqu’à présent à la recherche sur les ions et les électrons en solides:
- Max von Laue (1914): Découverte de la Diffraction X-Ray Par les cristaux.
- William Henry Bragg, William Lawrence Bragg (1915): Contributions à l’analyse des structures cristallines au moyen de rayons X.
- Clinton Joseph Davisson, George Paget Thomson (1937): Découverte expérimentale de diffraction électronique par des cristaux.
- William Bradford Shockley, John Bardeen, Walter Houser Brattain (1956): Recherche à semi-conducteurs et découverte de l’effet de transistor.
- Léo Eskaki (1973): Découverte expérimentale des phénomènes d’effet de tunnel dans le semi-conducteur.
- Klaus von Klitzing (1985): Découverte de l’effet de la salle quantique.
- Bertram N. Brockhouse, Clifford G. Shull (1994): Développement de techniques de diffraction de neutrons comme outils expérimentaux dans la physique des matières condensées.
Vous devez noter que la première moitié du XXe siècle était l’un des siècles d’or de la physique pour le montant et l’importance des découvertes qui y sont faites. Par conséquent, il s’agit éventuellement de cette liste infra-représentant les contributions prises par la communauté scientifique à la physique des États solides, car beaucoup de ceux qui ont développé les bases de cette discipline ont été attribués pour d’autres raisons. Ainsi, Albert Einstein et Peter Debye, qui ont apporté des contributions fondamentales à la théorie de la dynamique des réseaux cristallins, ont été attribuées en comprenant l’effet photoélectrique et l’étude de la physico-chimie des gaz et des molécules, respectivement. De même, Max Né, Enrico Fermi et Paul Dirac, qui ont contribué au développement de la physique des électrons en solides, ont été attribués à leur contribution au développement de la physique quantique.