Кристаллофизика

Самой характерной особенностью физических свойств кристаллов является их анизотропия и симметрия. Вследствие периодичности и симметрии внутреннего строения в кристаллах обнаруживается ряд свойств, невозможных в изотропных телах. Задачей кристаллофизики является установление общих симметричных и термодинамических закономерностей для физических свойств кристаллов. Кристаллофизика изучает также взаимосвязь физических свойств кристаллов с их симметрией, атомной и реальной структурой. В задачи кристаллофизики входит также изучение взаимосвязи свойств кристаллов и их зависимости от внешних воздействий.

В основе кристаллофизики идеального кристалла лежит общий принцип симметрии Кюри. В приложении к кристаллам принцип Кюри означает, что все элементы симметрии кристалла являются в то же время элементами симметрии любого его физического свойства. П. Кюри показал, что не только кристаллы и другие вещественные объекты, но и физические явления, поля, воздействия могут иметь симметрию, которая описывается семью предельными группами симметрии. Симметрия макроскопических свойств кристалла определяется точечной группой его симметрии и не может быть ниже ее (см. Неймана принцип). Симметрия физического свойства вещества тесно связана с кристаллографической симметрией этого вещества, с его классом симметрии. Чем ниже симметрия кристалла, тем сложнее анизотропия его свойств.

Подход к описанию физических свойств кристаллов в кристаллофизике двойственен. С одной стороны, учитывая атомную периодическую структуру кристалла, кристалл рассматривают как дискретную прерывную среду, свойства которой не могут быть одинаковы там, где частица есть, и там, где частицы нет. С другой стороны, для описания многих свойств кристалла достаточно ограничиться рассмотрением объемов значительно больших, чем собственный объем элементарной ячейки кристалла, и значительно меньших, чем объем кристалла в целом. В этом случае кристалл удобно представлять как сплошную (непрерывную) однородную среду, свойства которой одинаковы во всех его точках, т. е. исследуемый элементарный объем можно взять из любого места кристалла. При рассмотрении макроскопических физических свойств кристаллов его считают сплошной однородной анизотропной средой. Это означает, что зависимость свойств от направления одинакова во всех точках кристалла, а свойство в данном направлении не зависят от выбора испытуемого элементарного объема.

Физические свойства кристаллов принято описывать в декартовых (ортогональных нормированных) системах координат. Для однозначности описания физических свойств кристаллов используют декартову систему координат, определенным образом ориентированную относительно кристаллографических осей — кристаллофизическую систему координат. Математический аппарат кристаллофизики основан на тензорном исчислении и теории групп и устанавливает закономерности, общие для самых различных свойств кристаллов. Чтобы применять на практике физическое свойство кристалла, нужно знать, изотропно оно или анизотропно. Если свойство анизотропно, то необходимо установить характер его анизотропии, найти ранг тензора, характеризующего это свойство, установить связь этого тензора с симметрией кристалла и определить его компоненты. Для графического изображения симметрии и анизотропии свойств используется указательная поверхность.

Кристаллофизика учитывает взаимную связь физических свойств кристаллов. Под влиянием внешних сил может возникать не одно, а несколько явлений, сложно переплетающихся и взаимодействующих друг с другом. Нагревание кристалла может вызвать не только изменение его энтропии и тепловое расширение, но и термоупругие напряжения, и электрическую поляризацию вследствие пироэлектрического эффекта. Под действием механических напряжений могут возникнуть не только механическая деформация, но и пьезоэлектрический, и пьезооптический эффекты. Одно и то же явление может быть обусловлено разными воздействиями и разными свойствами кристалла. Механическая деформация может быть вызвана упругостью кристалла при механическом воздействии, пьезоэлектрическим эффектом при воздействии электрического поля, тепловым расширением при изменении температуры. Т. е. от условий зависит, что считать воздействием, а что возникающим явлением, но связь между ними всегда осуществляется через физическое свойство кристалла, причем различные свойства проявляются одновременно и в сложном взаимосочетании. Кристаллофизический подход учитывает, что эти свойства могут обладать различной анизотропией, описываться тензорами различных рангов или скаляром, и направления их оптимальных значений не будут совпадать.

Кристаллофизика разрабатывает рациональные методы измерений, необходимых для полного определения физических свойств анизотропных сред. Эти методы применимы как при исследовании кристаллов, так и анизотропных поликристаллических агрегатов (текстур). Кристаллофизика занимается также методами измерений разнообразных свойств анизотропных сред с помощью радиотехнических, резонансных, акустических, оптических, дифракционных и иных методов.

Кристаллофизика тесно связана с кристаллохимией и учением о росте кристаллов, потому что физические свойства кристалла зависят от типа структуры и частиц, составляющих эту структуру, а также от условий роста. Кристаллофизика изучает структуру реальных кристаллов: дефекты кристаллической решетки (точечные дефекты, микродефекты и дислокации, центры окраски, двойники и границы поликристаллов). Многие свойства кристаллов являются структурно чувствительными. Дефекты кристаллической решетки влияют на электропроводность в полупроводниках и диэлектриках, на фотопроводимость, люминесценцию, прочность, пластичность, окраску и др. свойства кристаллов. Задачей кристаллофизики является установление зависимости физически свойств кристаллов от их структурного совершенства и поиск способов управления свойствами материалов и создание новых структур.

Анизотропные физические свойства кристаллов чрезвычайно чувствительны к влиянию внешних воздействий. Поэтому подбирая и комбинируя эти воздействия, можно создавать кристаллы с уникальными свойствами, которые применяются в источниках, приемниках, преобразователях, усилителях различных видов энергии. Процессы таких преобразований также изучает кристаллофизика.