Материалы представляют собой конденсированные системы вещества, свойства которых определяются их атомным строением, электронной конфигурацией, дефектами кристаллической решётки и макроскопическими особенностями. В физике материалов изучаются фундаментальные связи между структурой, составом и свойствами, а также их изменением под действием внешних факторов.
1. Металлы и сплавы Характеризуются высокой электрической и теплопроводностью, пластичностью, способностью к пластической деформации и наличием металлической связи. Их свойства объясняются зонной теорией, согласно которой электроны проводимости образуют «электронный газ», свободно перемещающийся в кристалле.
2. Полупроводники Занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Их электропроводность сильно зависит от температуры, легирования и внешних полей. Ключевое понятие – ширина запрещённой зоны, определяющая способность материала к генерации носителей заряда при нагреве или облучении.
3. Диэлектрики Отличаются крайне низкой электрической проводимостью. В них доминирует поляризация – смещение зарядов под действием электрического поля. Различают электронную, ионную, дипольную и сегнетоэлектрическую поляризации.
4. Магнитные материалы Делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Основное различие определяется взаимодействием собственных магнитных моментов атомов. В ферромагнитах наблюдается коллективное упорядочение магнитных моментов и образование доменной структуры.
5. Композиты и функциональные материалы Объединяют различные классы веществ с целью получения синергетических свойств. Примеры – сверхлёгкие материалы с высокой прочностью, магнитные диэлектрики, функциональные наноструктуры.
Кристаллическая структура является основой свойств большинства материалов. Элементарная ячейка, симметрия решётки и тип узловых позиций определяют основные физические характеристики.
Дефекты можно разделить на:
Именно дефектная структура зачастую определяет прочность, пластичность, электропроводность и другие параметры.
Энергетическая зонная структура определяет поведение электронов в твёрдых телах. В металлах зоны перекрываются, что обеспечивает наличие большого числа свободных носителей заряда. В диэлектриках запрещённая зона шире 5 эВ, а в полупроводниках – от 0,1 до 3 эВ.
Феномены, связанные с электронной структурой:
Основные параметры:
Механическое поведение зависит от межатомных взаимодействий, характера дефектов и условий внешних воздействий. При низких температурах многие металлы становятся хрупкими, а при высоких – наоборот, пластичными.
Материалы обладают различной способностью проводить тепло. Металлы характеризуются высокой теплопроводностью, связанной с движением электронов. В диэлектриках и полупроводниках теплоперенос осуществляется в основном за счёт фононов.
Теплоёмкость – фундаментальная характеристика, отражающая количество энергии, необходимое для нагрева единицы массы вещества на 1 градус. Она тесно связана с колебательным спектром решётки и описывается моделью Дебая или Эйнштейна.
Диамагнетики обладают слабой отрицательной восприимчивостью, возникающей вследствие индуцированных токов. Парамагнетики содержат атомы с ненулевым спином, что приводит к положительной, но малой магнитной восприимчивости. Ферромагнетики характеризуются сильным коллективным взаимодействием спинов и образованием магнитных доменов. При температуре Кюри происходит переход к парамагнитному состоянию.
Оптическое поведение определяется взаимодействием электромагнитного излучения с электронами и колебаниями решётки. Важные параметры: показатель преломления, коэффициент отражения, коэффициент поглощения.
Примеры оптических явлений: