В рамках зонной картины любой переход металл-изолятор, осуществляющийся при нулевой температуре в кристаллическом веществе, должен быть переходом от состояния, когда энергетические полосы перекрываются, к состояниям, когда перекрытия нет, и соответственно наоборот. Полупроводники алмаз, кремний, германий под давлением переходят в металл, поскольку исчезает энергетический зазор между заполненной валентной и пустой зонами. При этом меняются межатомная связь и кристаллическая структура. Структура алмаза с тетраэдрической координацией межатомных связей (координационное число - это число ближайших соседей атома, и в решетке алмаза оно равно четырем) переходит в структуру металлического олова с бОльшим координационным числом. Ковалентная связь, которую можно представить в виде электронных мостиков, соединяющих атомы в структуре алмаза, становится металлической, ненаправленной.
Однако можно привести примеры, которые не укладываются в рамки зонной теории. Так, окись никеля, являющаяся прозрачным неметаллом, согласно зонным расчетам, должна иметь металлическую проводимость. Чтобы объяснить это противоречие, нужно учесть взаимодействие между электронами, то есть выйти за рамки представлений обычной зонной теории, в которой рассматривается движение электрона в поле ионов в кристалле. В качестве примера рассмотрим одномерную кристаллическую цепочку атомов водорода. При большом периоде решетки, то есть при большом расстоянии между атомами, всем электронам выгоднее находиться на узлах решетки, пока потенциальная энергия взаимного электростатического (кулоновского) взаимодействия отталкивания электронов больше их кинетической энергии. При уменьшении межатомного расстояния и соответственно при увеличении плотности электронов будет увеличиваться их кинетическая энергия, а их взаимное кулоновское отталкивание вследствие эффектов экранирования - ослабляться, и при некотором критическом расстоянии система приобретает свойства металла. Этот переход называется переходом Мотта. Уже в такой упрощенной модели видно, что переход Мотта вероятен в узкозонных системах - так называемых сильно коррелированных системах. Это окислы, соединения редкоземельных элементов, соединения, являющиеся высокотемпературными сверхпроводниками. Теория перехода Мотта сложна и до настоящего времени является предметом научных дискуссий.
Существуют и другие переходы металл-диэлектрик, не описываемые зонной теорией. Например, переход Андерсона, обусловленный нарушением периодичности кристаллической решетки, и другие, рассмотрение которых выходит за рамки данной статьи.
Электронная теория твердого тела в настоящее время становится необходимой потребностью практики. Ее достижения в области создания новых полупроводниковых материалов, магнитных, сверхпроводящих, конструкционных и жаропрочных соединений и сплавов достаточно впечатляющи. Важными характеристиками для решения этих задач являются такие свойства, как энергия основного состояния, энергия связи, распределение электронной плотности. Последняя характеристика, как уже отмечалось выше, дает наглядную картину межатомной связи, по которой можно судить об особенностях физических свойств (например, металлический сплав с сильно неоднородным распределением плотности заряда и соответственно с большой ковалентной составляющей в связи должен быть более хрупким). Расчет энергии основного состояния, энергии связи и распределения плотности электронного заряда представляет сложную задачу квантовомеханического описания коллектива более чем 1022 1/см3 заряженных взаимодействующих частиц. Пренебрегая движением ядер, поскольку они на три порядка тяжелее электронов, можно свести многоэлектронную задачу к задаче о движении одного электрона в эффективном поле ядер и других электронов. Дальнейшее уже представляет в принципе решаемую квантовомеханическую задачу, но требует трудоемких вычислений с применением современной вычислительной техники. Именно таким путем был теоретически предсказан ряд жаропрочных сплавов и интерметаллических соединений на основе никеля, кобальта, титана, рутения, впоследствии полученных на практике. В настоящее время подобные исследования ведутся с неупорядоченными сплавами - объектами с нарушенным правильным расположением атомов в кристаллической решетке.
Другой интересный пример - фуллерены, объекты с малой энергией связи (ван-дер-ваальсова связь), очень непрочные. Интеркалирование (внедрение) в гранецентрированную решетку этого объекта атомов калия резко меняет связь. Возникает ковалентная и даже металлическая составляющие в межатомной связи: появляется узкая, наполовину заполненная электронами зона. Более того, данный объект является сверхпроводником с температурой сверхпроводящего перехода, которая может достичь 40 К!
Здесь, пожалуй, следует остановиться, поскольку тема применения достижений электронной теории вещества практически неисчерпаема. Надо только помнить о границах и возможностях применимости различных ее приближений.
- Ашкрофт М., Мермин Н. Физика твердого тела: В 2 т. М.: Мир, 1977.
- Каганов М.И., Лифшиц И.М. Квазичастицы. М.: Наука, 1989.
- Кир Б.Х. Перспективные металлы // В мире науки. 1986. Т. 12. С. 99.
- Cohen M.L. Predicting New Solids and Superconducters // Science. 1986. V. 234. P. 549.
- Paxton T. Alloys by Design // Phys. World. 1982. N 11. P. 35.
- Cohen M.L. The Fermi Atomic Pseudopotential // Amer. J. Phys. 1984. N 52(8). P. 695. (Amer. Assoc. Phys. Teachers).
Назад
Посмотреть комментарии[1]
|
