Katı hal fiziği nedir, neyi inceler? Katı hal fiziğinin çalışma alanları nelerdir? Tarihçesi ve gelişmesi hakkında bilgi.
Katı Hal Fiziği
Katı hal fiziği, kuantum mekaniği, kristalografi, elektromanyetizma ve metalurji gibi yöntemlerle katı madde veya katıların incelenmesidir. Yoğun madde fiziğinin en büyük dalıdır. Katı hal fiziği, katı malzemelerin büyük ölçekli özelliklerinin atomik ölçekli özelliklerinden nasıl kaynaklandığını inceler. Böylece katı hal fiziği, malzeme biliminin teorik bir temelini oluşturur. Aynı zamanda, örneğin transistör ve yarı iletken teknolojisinde doğrudan uygulamaları vardır.
Neyi İnceler?
Katı malzemeler, yoğun şekilde etkileşime giren yoğun şekilde paketlenmiş atomlardan oluşur. Bu etkileşimler katıların mekanik (örneğin sertlik ve elastikiyet), termal, elektriksel, manyetik ve optik özelliklerini üretir. İlgili malzemeye ve oluşturulduğu koşullara bağlı olarak, atomlar düzenli, geometrik bir modelde (metalleri ve sıradan meyveli buzları içeren kristalin katılar) veya düzensiz olarak (sıradan pencere camı gibi şekilsiz bir katı) düzenlenebilir.
Katı hal fiziğinin büyük kısmı, genel bir teori olarak, kristallere odaklanmıştır. Öncelikle bunun nedeni, bir kristaldeki atomların periyodikliğinin – tanımlayıcı özelliği – matematiksel modellemeyi kolaylaştırmasıdır. Benzer şekilde, kristal malzemeler genellikle mühendislik amaçları için kullanılabilecek elektriksel, manyetik, optik veya mekanik özelliklere sahiptir.
Bir kristaldeki atomlar arasındaki kuvvetler çeşitli şekillerde olabilir. Örneğin, bir sodyum klorür (genel tuz) kristalinde, kristal iyonik sodyum ve klordan oluşur ve iyonik bağlarla bir arada tutulur. Diğerlerinde, atomlar elektronları paylaşır ve kovalent bağlar oluşturur. Metallerde elektronlar, metalik bağda tüm kristal arasında paylaşılır. Son olarak, soy gazlar bu tür bağların hiçbirine maruz kalmaz. Katı halde, soy gazlar, her atom üzerindeki elektronik yük bulutunun polarizasyonundan kaynaklanan van der Waals kuvvetleriyle bir arada tutulur. Katı türleri arasındaki farklılıklar, bağları arasındaki farklılıklardan kaynaklanmaktadır.
Tarihçesi
Katıların fiziksel özellikleri yüzyıllardır bilimsel araştırmaların ortak konuları olmuştur, ancak katı hal fiziği adıyla giden ayrı bir alan, özellikle American Physical Society bünyesinde Katı Hal Fiziği Bölümü’nün (DSSP) kurulmasıyla 1940’lara kadar ortaya çıkmadı. Katı Hal Fiziği Bölümü, endüstriyel fizikçilerin ihtiyaçlarını karşıladı ve katı hal fiziği, katılar üzerinde yapılan araştırmalarla mümkün kılınan teknolojik uygulamalarla ilişkilendirildi. 1960’ların başında Katı Hal Fiziği Bölümü, American Physical Society’nin en büyük bölümü idi.
Özellikle İngiltere, Almanya ve Sovyetler Birliği’nde II. Dünya Savaşı’ndan sonra Avrupa’da büyük katı hal fizikçileri toplulukları ortaya çıktı. Birleşik Devletler ve Avrupa’da katı hal, yarı iletkenler, süperiletkenlik, nükleer manyetik rezonans ve çeşitli diğer fenomenlerle ilgili araştırmalarıyla öne çıkan bir alan haline geldi. Soğuk Savaş’ın başlarında, katı hal fiziğindeki araştırmalar genellikle katılarla sınırlı değildi, bu da 1970’lerde ve 1980’lerde bazı fizikçilerin katıları, sıvıları, plazmaları araştırmak için kullanılan ortak teknikler etrafında organize olan yoğun madde fiziği alanını bulmalarına yol açtı. Günümüzde katı hal fiziği, genel olarak, düzenli kristal kafeslere sahip katıların özelliklerine odaklanan, genellikle sert yoğun madde olarak adlandırılan, yoğunlaştırılmış madde fiziğinin alt alanı olarak kabul edilmektedir.
Kristal yapı ve özellikleri
Malzemelerin birçok özelliği kristal yapılarından etkilenir. Bu yapı, X-ışını kristalografisi, nötron kırınımı ve elektron kırınımı dahil olmak üzere bir dizi kristalografik teknik kullanılarak araştırılabilir.
Kristal katı bir materyaldeki tek tek kristallerin boyutları, ilgili materyale ve oluşturulduğu koşullara bağlı olarak değişir. Günlük yaşamda karşılaşılan çoğu kristalli malzeme polikristalindir, tek tek kristaller ölçek olarak mikroskobiktir, ancak makroskopik tek kristaller doğal olarak (örneğin elmaslar) veya yapay olarak üretilebilir.
Gerçek kristaller, ideal düzenlemelerde kusurlar veya düzensizlikler içerir ve gerçek malzemelerin birçok elektriksel ve mekanik özelliğini kritik olarak belirleyen bu kusurlardır.
Elektronik özellikler
Elektrik iletimi ve ısı kapasitesi gibi malzemelerin özellikleri katı hal fiziği ile incelenir. Elektriksel iletimin erken bir modeli, bir katıdaki elektronlara kinetik teori uygulayan Drude modeliydi. Malzemenin hareketsiz pozitif iyonlar ve klasik, etkileşmeyen elektronlardan oluşan bir “elektron gazı” içerdiğini varsayarak, Drude modeli, elektronik ısı kapasitesini büyük ölçüde abartmasına rağmen, metallerdeki elektriksel ve termal iletkenliği ve Hall etkisini açıklayabildi.
Arnold Sommerfeld, serbest elektron modelinde (veya Drude-Sommerfeld modelinde) klasik Drude modelini kuantum mekaniğiyle birleştirdi. Burada elektronlar, kuantum mekaniği Fermi-Dirac istatistiklerine uyan bir parçacık gazı olan Fermi gazı olarak modellenmiştir. Serbest elektron modeli, metallerin ısı kapasitesi için gelişmiş tahminler sağladı, ancak izolatörlerin varlığını açıklayamadı.
Neredeyse serbest elektron modeli, iletken elektronlar ile kristalin bir katıdaki iyonlar arasındaki etkileşimi modellemek için zayıf bir periyodik pertürbasyon içeren serbest elektron modelinin bir modifikasyonudur. Elektronik bant fikrini ortaya koyarak teori, iletkenlerin, yarı iletkenlerin ve yalıtıcıların varlığını açıklar.
Neredeyse serbest elektron modeli, periyodik bir potansiyel durumu için Schrödinger denklemini yeniden yazar. Bu durumda çözümler Bloch durumları olarak bilinir. Bloch’un teoremi yalnızca periyodik potansiyeller için geçerli olduğundan ve bir kristaldeki atomların rastgele hareketlerinin durmaksızın periyodikliği bozmasından dolayı Bloch teoreminin bu kullanımı yalnızca bir yaklaşımdır, ancak muazzam derecede değerli bir yaklaşım olduğu kanıtlanmıştır. Periyodiklikten sapmalar, kuantum mekanik tedirginlik teorisi ile tedavi edilir.
