Физические основы сканирующей зондовой микроскопии. Основы теории твердого тела

Физические основы сканирующей зондовой микроскопии. Основы теории твердого тела

Обложка

О целях (зенгуил стр61)

Задачи и методы исследования поверхностей раздела

Агрегатные состояния вещества

Атомы и молекулы, образующие окружающий нас мир, в газообразном состоянии с хорошим приближением можно считать изолированными. Изолированность атомов вещества существует благодаря тому, что взаимная кинетическая энергия частиц превышает потенциальную энергию их межатомного (межмолекулярного) взаимодействия. Если кинетическая энергия атомов становиться меньше потенциальной (например, в результате охлаждения газа), атомы начинают объединяться сначала в кластеры (система от двух до нескольких сотен связанных атомов или молекул), последующее объединение которых приводит к образованию жидкости, которая при дальнейшем охлаждении превращается в твердое тело. Схема образования твердого тела из системы изолированных частиц вещества может отличаться от вышеизложенной. Так, например, вместо уменьшения кинетической энергии частиц путем охлаждения, можно повышать потенциальное взаимодействие, например, сжимая газ, что приведет к уменьшению взаимного расстояния. Такая схема реализуется при сжижении газов.

И обратно – увеличение кинетической энергии частиц твердого тела приведет сначала к образованию жидкости, а затем – газа. Дальнейшее ее повышение приводит к ионизации атомов (для молекул предварительно к диссоциации). Такое состояние называется плазмой, часто его называют четвертым состоянием вещества.

Если не говорить о плазме, состоящей из заряженных компонентов, то в окружающем нас мире встречаются лишь три фазы — твердая, жидкая и газовая, причем ни одна из этих фаз не безгранична. Сейчас все шире признается, что граница двух фаз принципиально отличается по своим свойствам от каждой из них, и ее все чаще называют поверхностной фазой [1]. К таким границам относятся поверхности раздела двух твердых фаз, твердой фазы и жидкости, твердой фазы и газа, двух жидкостей, жидкости и газа. Эти поверхности раздела изучают в физике поверхности с тем, чтобы можно было объяснить наблюдающиеся явления и построить теории, которые позволили бы предсказывать новые эффекты.

Определение химического состава подобных поверхностей раздела будет способствовать дальнейшему продвижению в таких областях, как катализ, коррозия, адгезия, поверхностная диффузия, спекание, поверхностные состояния, зародышеобразование и конденсация, проводимость, анализ причин отказов и создание приборов для преобразования энергии.

В настоящее время очень интенсивно ведется экспериментальное изучение поверхности раздела между твердой и газовой фазами. В то же время теоретическое исследование такой границы затруднено. В науке обычно поступают так: выбирают модель, основанную на некоторой идеальной ситуации, и сравнивают поведение реальных систем с такой идеальной моделью.

Но очевидно, что граница твердой поверхности — это неидеальная бесконечная плоскость. Рассматриваемая на атомном уровне граница представляет собой систему кристаллических граней, протяженность и ориентация которых (как и химический состав) определяются предварительной обработкой твердого образца