Вторичная структура кристаллов как необходимое дополнение существующей модели твердого тела

№2-1,

химические науки

Многочисленные и разнообразные факты современной физики и химии твёрдого тела вполне определённо указывают на недостаточность модели твёрдого тела, базирующейся лишь на атомной структуре кристаллов. Отсутствие в этой модели понятий и представлений о вторичной структуре кристалла (ВСК) [1,2] неизбежно приводит к многочисленным трудностям при описании свойств твёрдого тела. Попытки преодолеть эти трудности в рамках недостаточной, неадекватной модели требуют введения новых искусственных "скрытых параметров" с последующим формальным описанием соотношений между ними (например, переменная масса электрона, анизотропия массы, квантовая жидкость с дробно заряженными возбуждениями и тому подобное). Как результат - громоздкий и всё более усложняющийся аппарат современной теории твёрдого тела даёт лишь формальное описание различных экспериментальных закономерностей, описание ad hoc. При этом сильно снижается способность теории прогнозировать различные реальные экспериментальные ситуации, предсказывать и объяснять новые факты и явления. Это можно показать на конкретных примерах.

Похожие материалы

Многочисленные и разнообразные факты современной физики и химии твёрдого тела вполне определённо указывают на недостаточность модели твёрдого тела, базирующейся лишь на атомной структуре кристаллов. Отсутствие в этой модели понятий и представлений о вторичной структуре кристалла (ВСК) [1,2] неизбежно приводит к многочисленным трудностям при описании свойств твёрдого тела. Попытки преодолеть эти трудности в рамках недостаточной, неадекватной модели требуют введения новых искусственных "скрытых параметров" с последующим формальным описанием соотношений между ними (например, переменная масса электрона, анизотропия массы, квантовая жидкость с дробно заряженными возбуждениями и тому подобное). Как результат - громоздкий и всё более усложняющийся аппарат современной теории твёрдого тела даёт лишь формальное описание различных экспериментальных закономерностей, описание ad hoc. При этом сильно снижается способность теории прогнозировать различные реальные экспериментальные ситуации, предсказывать и объяснять новые факты и явления. Это можно показать на конкретных примерах.

1. Ферромагнетизм наночастиц

В [3] показано, что наночастицы различных неорганических веществ (металлы, окислы, соли) обладают ферромагнитными свойствами. Вещества в массивном состоянии диа- и парамагнитные, при размере частиц ~ 10-6 см становятся ферромагнетиками. Это объясняют разными причинами (поверхностные состояния атомов, дефекты, магнитная анизотропия, правило Хунда и др. [3]).

Согласно теории ВСК [1,2], кристалл состоит из элементарных единиц размером dm   30нм. Эта единица (минимальный кристалл – мик) является аналогом молекулы - гигантской молекулой твёрдого тела. Частица меньшего размера (dsc < = 30 нм) является субкристаллом – аналогом молекулы-радикала, т.е. свободным радикалом кристаллического твёрдого тела. Известно, что у радикалов возрастает магнитная восприимчивость, и молекулы-радикалы парамагнитны, т.е. обладают магнитным моментом [5]. Поэтому кристаллические частицы размером dsc < = 30 нм (субкристаллы), как и другие радикалы, также обладают магнитным моментом.

Известно, что магнитная структура ферромагнетиков состоит из доменов - магнитоупорядоченных областей макроскопических размеров. В ансамбле наночастиц доменом может быть каждая частица. Магнитный момент она приобрела за счёт перехода в состояние молекулы-радикала при размере частицы dsc < = 30 нм . Поэтому ферромагнетизм можно ожидать лишь у наночастиц такого размера. Магнитоактивная форма вещества возникает здесь за счёт размерного эффекта. Этот вывод теории ВСК может быть проверен экспериментально. Ферромагнетизм наночастиц означает их принципиальное отличие от более крупных кристаллов (ферромагнитная метка). Существующие теории не объясняют это явление.

2. Эффект Ганна – высокочастотные колебания тока в цепи при постоянном напряжении на кристалле полупроводника [4] широко используется на практике. Существующая теория использует для объяснения формальные представления о различной эффективной массе электронов. Теория ВСК объясняет эффект Ганна на основе механизма ионизации примесных атомов кристалла. Получена формула, связывающая частоту колебаний f с потенциалом ионизации примеси Ei (эВ):

Формула, связывающая частоту колебаний f с  потенциалом ионизации примеси Ei

где, l0 – длина кристалла.

Эта формула эквивалентна эмпирической формуле f = vD/l (vD – дрейфовая скорость электрона). В отличие от существующей формальной теории теория ВСК связывает частоту с физико-химическими характеристиками примеси в кристалле. При типичных значениях Ei = 10-1 ÷ 10-2 эВ и l0 = 10-1 ÷ 10-2 см значения f ≈ 107  ÷ 109 Гц (кристалл GaAs с примесью Si, Ei = 0,006 эВ). Это согласуется с экспериментом для "пролётной" схемы эффекта Ганна, когда напряжение на кристалле постоянно.

3. Закон Мура и минимальный размер базовых элементов микросхем. В 1970-2000 г.г. число базовых элементов на чипе удваивалось с периодом около двух лет (закон Мура). Соответственно уменьшались размеры базовых элементов микросхем (транзисторов). В настоящее время производятся микросхемы с размером базовых элементов 40 нм и разрабатываются с размером 30 нм [6 ].

Согласно теории ВСК кристалл размером менее ~ 30 нм является аналогом молекулы-радикала с повышенным удельным энергосодержанием (в расчёте на атом) и повышенной реакционной способностью [1]. За счёт этого при размере базовых элементов менее 30 нм они должны быть нестабильны во времени за счет атомной диффузии, т.е. параметры микросхем будут изменяться. Таким образом, уменьшение базовых размеров ниже 30 нм принципиально невыгодно ввиду возникающей нестабильности микросхем.

Список литературы

  1. Ю.И. Веснин. Вторичная структура и свойства кристаллов. Изд. СО РАН, Новосибирск, 1997.
  2. Ю. И. Веснин. Химия в интересах устойчивого развития. 2000, т. 8, № 1-2, стр. 61-66.
  3. A. Sundaresan, S.N.R. Rao. NanoToday, 2009, v. 4, p. 96.
  4. М.Е. Левинштейн, Ю.К. Пожела, М.С. Шур. Эффект Ганна. М.: Изд-во "Советское радио", 1975.
  5. В.Н. Кондратьев. Свободные радикалы – активная форма вещества. Изд. АН СССР, М; 1960.
  6. W. Haensch et al. IBM J. Res.&Development. v. 50, No. 4/5, 2006, p. 339.