Wpływ ciśnienia na właściwości materiałów

Właściwości elektryczne

Wskutek zbliżania się do siebie atomów z dyskretnych poziomów energetycznych elektronów w atomach powstają pasma energetyczne. Szerokość pasm oraz ich nakładanie się, a także występowanie i szerokość przerwy energetycznej zależą od charakteru oddziaływań pomiędzy atomami substancji. Działanie ciśnienia prowadzi na ogół do zmniejszenia przerwy energetycznej albo do wzrostu stopnia nakładania się pasma walencyjnego z pasmem przewodnictwa, a więc do wzrostu właściwości metalicznych substancji.

Pomiary przewodnictwa elektrycznego par metali poddanych działaniu ciśnienia potwierdzają występowanie takich tendencji. Na przykład zmiana gęstości par rtęci z 2 do 6 g/cm³ przy zwiększeniu ciśnienia do ok. 200 MPa powoduje wzrost przewodności elektrycznej o sześć rzędów wielkości. Rysunek 7 przedstawia zależność przewodności elektrycznej rtęci od ciśnienia i gęstości w temperaturze 1550°C. Sprężanie cieczy nadkrytycznych prowadzi do pojawienia się struktury pasmowej, delokalizacji ładunku elektrycznego w przypadku metali oraz powstania przerwy energetycznej w przypadku izolatorów i półprzewodników.

Rysunek 7. Zależność przewodności elektrycznej właściwej par rtęci od ciśnienia i gęstości

Nie zawsze jednak wzrostowi ciśnienia towarzyszy wzrost metalicznego charakteru substancji. W ciśnieniach pośrednich obserwuje się niekiedy zmianę właściwości w kierunku przeciwnym, tj. przemianę metal-półprzewodnik czy metal-izolator. Przy określonych dla danej substancji wartościach ciśnienia i temperatury pojawia się przerwa energetyczna. W ten sposób zachowują się np.: iterb Yb, wapń Ca, stront Sr czy bizmut Bi. W niektórych półprzewodnikach, np. w arsenku galu GaAs, pod wpływem ciśnienia przerwa energetyczna początkowo rośnie, następnie od ciśnienia 4 GPa ulega zmniejszeniu.

Wprowadzenie domieszek do półprzewodnika ma zasadniczy wpływ na zmianę jego właściwości fizycznych (głównie elektrycznych i optycznych). Domieszki, zarówno donory jak i akceptory, mogą tworzyć silnie zlokalizowane stany wodoropodobne. Pierwsze z nich wywołują dalekozasięgowe zmiany potencjału kulombowskiego matrycy macierzystego półprzewodnika, będące wynikiem pojawienia się nieskompensowanego ładunku elektrycznego domieszki. Stanom donorowym i akceptorowym odpowiadają poziomy energetyczne w pasmie wzbronionym położone odpowiednio poniżej minimum pasma przewodnictwa i maksimum pasma walencyjnego. Stany domieszkowe są określone funkcjami falowymi zbudowanymi z funkcji falowych odpowiadających stanom tych ekstremów macierzystych w strukturze pasmowej. Wpływ ciśnienia na tego typu stany domieszkowe jest w zasadzie identyczny do jego wpływu na położenie ekstremów macierzystych i jest duży w przypadku domieszek znacznie zmieniających potencjał w swoim bezpośrednim otoczeniu (stany silnie zlokalizowane). Poziomy energetyczne odpowiadające stanom zlokalizowanym wykazują znaczne przesunięcia względem ekstremów określających strukturę pasmową kryształu półprzewodnikowego. Na przykład dla donorów różnica energii między poziomem donorowym a minimum pasma przewodnictwa w punkcie rośnie wraz z ciśnieniem, jeśli poziom ten pod ciśnieniem normalnym znajduje się w przerwie energetycznej. Różnica ta maleje, jeśli poziom jest rezonansowy z pasmem przewodnictwa (tj. znajduje się powyżej punktu tego pasma). W rzeczywistości odpowiednie poziomy domieszek (donorów lub akceptorów) wykazują niewielkie zmiany ze wzrostem ciśnienia w stosunku do średniego położenia pasma (przewodnictwa lub walencyjnego). Zachowanie stanów domieszkowych określają istotne (chociaż zróżnicowane) przesunięcia pod wpływem ciśnienia obszaru ekstremów charakteryzujących strukturę pasmową kryształu półprzewodnikowego. Działanie ciśnienia może prowadzić do obsadzania stanów domieszki przez elektrony przewodnictwa lub do jonizacji domieszek. Zmieniać się więc będzie ilość elektronów (lub dziur) w pasmie przewodnictwa (walencyjnym) półprzewodnika. Ciekawy przypadek stanowią zlokalizowane stany domieszek, zmieniających konfiguracje swojego otoczenia w zależności od ilości przyłączonych elektronów. Może zachodzić przemieszczenie atomu domieszki z pozycji węzłowej do międzywęzłowej, wskutek wywołanej ciśnieniem zmiany stanu ładunkowego domieszki, lub przyłączenie jednego lub dwóch elektronów do zjonizowanej domieszki donorowej. Prowadzi to do pojawienia się w niskich temperaturach barier termodynamicznych, uniemożliwiających osiąganie równowagi termodynamicznej dla rozkładu nośników ładunku pomiędzy pasmem przewodnictwa (walencyjnym) i podsystemem zlokalizowanych stanów donorowych (akceptorowych). Użycie impulsu światła o odpowiedniej energii zmienia w sposób trwały ilość nośników ładunku. Podgrzanie próbki do odpowiednio wysokiej temperatury przywraca równowagę termodynamiczną systemu. Najbardziej znanym przykładem domieszki o dwóch położeniach w sieci macierzystej półprzewodnika jest atom Si (donor) w GaAs i AlGaAs.