Владимир Лешковцев - 50 лет советской физики
Продолжая эти исследования, ученики А. Ф. Иоффе член-корреспондент АН СССР С. Н. Журков и академик А. П. Александров еще в 1933 г. получили бездефектные кварцевые и стеклянные нити, обладающие гигантской прочностью. Недавно в Физико-техническом институте АН СССР им. А. Ф. Иоффе было получено стекло с прочностью, в несколько раз превосходящей прочность стали.
ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Другой областью физики, в которую академик А. Ф. Иоффе также внес вместе со своими учениками огромный общепризнанный вклад, является физика полупроводников. Сегодня нам трудно представить себе физику без этой весьма актуальной области, но тридцать с лишним лет назад, когда А. Ф. Иоффе занялся систематическим исследованием свойств полупроводников, многие физики весьма критически отнеслись к этому начинанию. В то время казалось, что только металлы и диэлектрики являются материалами, достойными серьезных физических исследований. Проводники и изоляторы — это важно и нужно технике, а полупроводники, хотя к ним относится большинство природных соединений, — бесполезный и бесперспективный материал. Но академик А. Ф. Иоффе гениально предвидел ту огромную революционизирующую роль, которую уже сегодня полупроводники играют в технике.
На первых порах многое приходилось создавать — прежде всего методы получения достаточно чистых полупроводников и способы экспериментального определения их основных физических свойств: концентрации носителей тока, типа проводимости (электронный или дырочный), подвижности носителей и т. п. Многие из этих методов, впервые созданные А. Ф. Иоффе и его учениками, стали впоследствии классическими.
«Школа» Иоффе выполнила целую серию пионерских исследований электрических, гальваномагнитных, термоэлектрическях и фотоэлектрических свойств полупроводников различных типов.
Одним из важнейших результатов, полученных А. Ф. Иоффе и его сотрудниками, было обнаружение огромного влияния примесей на электрические свойства полупроводников. А. Ф. Иоффе показал, что примеси не только меняют в широких пределах проводимость полупроводников, но могут изменять даже знак носителей тока, превращать электронный полупроводник в дырочный и наоборот. Причем роль примеси могут играть не только чужеродные атомы, но и собственные атомы полупроводника при их избытке или недостатке. Например, избыток (против стехиометрического соотношения) атомов свинца в полупроводнике PbS делает этот полупроводник электронным, а избыток серы — дырочным полупроводником.
А. Ф. Иоффе первым сформулировал и экспериментально обосновал современные представления о механизме выпрямляющего действия полупроводников. Он показал, что запирающий слой образуется в результате контакта двух полупроводников с различными носителями тока — электронным и дырочным (по современной терминологии «p—n-переход»). При этом ток может свободно проходить только в том направлении, при котором электроны и дырки движутся навстречу друг другу по направлению к контакту, где они встречаются и рекомбинируют. В противоположном случае электроны и дырки расходятся друг от друга и проводимость контактного слоя резко падает, так как в нем остается крайне мало носителей тока. Эти работы открыли путь к созданию полупроводниковых выпрямителей (диодов).
Изучая полупроводниковые свойства ряда интерметаллических сплавов, принадлежащих так называемым «дальтонидам» (ZnSb, Mg3Sb2, Mg2Sn и т. п.) — типичным циклическим соединениям с валентной связью, А. Ф. Иоффе создал метод получения полупроводников с изменяющимися в широких пределах свойствами.
Особенно большое внимание А. Ф. Иоффе уделял исследованиям термоэлектрических и фотоэлектрических свойств полупроводников. Используя эти свойства, можно создать новые методы прямого преобразования энергии тепла и света в электрическую энергию, более надежные и экономичные.
А. Ф. Иоффе разработал теорию термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодильников (использующих эффект Пельте), открыв для современной техники новую обширную область — полупроводниковую энергетику. Под его руководством были сконструированы десятки новых типов полупроводниковых приборов и энергетических устройств, получивших разнообразные практические применения.
ОТКРЫТИЕ ЭКСИТ
В 1931 г. член-корреспондент АН СССР Яков Ильич Френкель теоретически предсказал весьма интересное физическое явление. Решая задачу о возбуждении атомов в идеальном кристалле, он показал, что возбужденное состояние, возникшее у какого-либо атома такого кристалла, не может быть локализовано там, где находится этот атом, а непременно должно перемещаться по кристаллу в виде своеобразной волны возбуждения. Френкель назвал эту волну экситоном.
Все дело в том, что, как показывают расчеты, энергия кристалла не изменится, если в таком же возбужденном состоянии окажется не первоначальный атом, возбужденный квантом поглощенного света, а любой другой атом кристалла. Состояния, в которых один из атомов кристалла оказывается возбужденным, физически неразличимы. Поэтому энергия возбуждения будет переходить от атома к атому подобно тому, как, согласно квантовой теории металлов, переходит от атома к атому свободный электрон, оказавшийся в зоне проводимости какого-нибудь металла. Ведь в действительности этот электрон не отрывается от атома и атом не ионизуется — свобода электрона состоит в том, что он может переходить от атома к атому без затраты какой-либо энергии ввиду перекрытия электронных оболочек соседних атомов.
Таким же квантовым эффектом является и передача возбужденного состояния в кристалле от атома к атому, составляющая суть движения экситона. Энергия возбуждения будет путешествовать от атома к атому до тех пор, пока один из получивших ее атомов не перейдет в нормальное невозбужденное состояние, испустив полученный им квант. Важно отметить, что перемещение энергии по кристаллу происходит без участия каких-либо прямых носителей, например, электронов или фотонов. Его даже нельзя рассматривать как результат испускания кванта одним атомом и поглощения его другим атомом. Энергия передается здесь особым способом, она переходит от возбужденного атома к соседнему невозбужденному и далее подобно волне возбуждения. Этот особый механизм передачи энергии в кристалле был назван миграцией энергии. Благодаря миграции экситонов поглощение и испускание света происходит в различных атомах, разделенных друг от друга расстоянием, намного превосходящим период кристаллической решетки. Поэтому такое свечение должно быть присуще только телам с кристаллической структурой.
Почти 20 лет никто не вспоминал об экситонах. Сам Я. И. Френкель к этому времени уже умер. Но вот в 1951 г. советские физики В. П. Жузе и С. М. Рывкин показали, что передача энергии поглощенного света фотоэлектронам в кристаллах закиси меди Cu2O происходит так, как если бы в ней участвовали экситоны. В следующем году академик АН УССР С. И. Пекар показал, что спектральный состав света, поглощаемого экситонами, должен быть подобен по своему характеру спектру атома водорода. Этот спектр и был обнаружен членом-корреспондентом АН СССР Е. Ф. Гроссом путем весьма тонких оптических исследований. Оказалось, что он маскируется полосой основного (так называемого фундаментального) поглощения света в кристалле, а интенсивность поглощения света экситонами весьма невелика. Потребовалось немало ухищрений (например, охлаждение кристалла до T=−200 °C), прежде чем удалось обнаружить спектральную серию поглощения света экситонами. Помимо Cu2O Е. Ф. Гросс обнаружил линии экситонного поглощения света также и у кристаллов сернистого кадмия.
Опыты Е. Ф. Гросса являются прямым экспериментальным доказательством существования экситонов. Они позволяют определять энергию, необходимую для образования экситонов, а также эффективную массу электронов в полупроводниковых кристаллах. Все это имеет весьма важное значение для развития наших представлений о природе кристаллов и разыгрывающихся в них процессах поглощения, передачи и излучения энергии.
Так советские физики вписали новую блестящую главу в историю физики твердого тела.
ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
В 1912 г. русский физик В. К. Аркадьев обнаружил странное явление. Пропуская пучок электромагнитных волн сквозь железные проволочки, он зарегистрировал зависимость поглощения этих волн от частоты. При некоторых частотах электромагнитные волны как бы избирательно поглощались в проволочках, образуя, по словам В. К. Аркадьева, «магнитные спектры». Это поглощение сопровождалось изменением намагничивания проволочек. Однако экспериментальная техника того времени позволяла получить лишь грубое качественное подтверждение таких эффектов, а теория была бессильна их объяснить.
