В современной научной литературе имеется большое число обзоров и оригинальных статей, в которых с помощью термодинамических методов рассматриваются различные процессы в твердотельных структурах, но сам принцип написания этих статей исключает подробное рассмотрение любого физического явления, (хотя физика процессов играет первостепенную роль, а термодинамические методы описания – подчиненную). Применение термодинамических методов прежде всего обусловлено адекватной оценкой самой структуры физического объекта и процессов происходящих в этом объекте. Особый интерес представляют структуры с разрывами, скачками или значительными изменениями параметров, т.е. с неоднородным распределением внутренних параметров. К числу этих параметров можно, например, отнести концентрацию носителей, температуру, давление, ширину запрещенной зоны, фазовый состав. Как правило, значительные изменения параметров связаны с наличием различных агрегатных состояний, кристаллических модификаций, продуктов взаимной растворимости и т.д. Если процессы носят равновесный характер, т.е. скорость изменения во времени любого параметра структуры происходит медленнее, чем скорость изменения этого параметра за время релаксации, надо применять методы классической термодинамики, созданные Гиббсом (метод частных производных, круговых процессов, фазовых равновесий). В ряде случаев, когда скорость изменения параметра становится больше или равна скорости изменения этого параметра за время релаксации, тогда необходимо переходить к методам неравновесной термодинамики (метод кинетического уравнения Больцмана, метод оценки потоков энергии с помощью энтропии и т.д.). Несмотря на различие в указанных направлениях развития термодинамики можно выделить общий аспект её применения — твердотельная микроэлектроника (разработка моделей твердотельных устройств), материаловедение радиоэлектронных компонентов.
Интерес к данному направлению в исследованиях обусловлен в первую очередь использованием результатов этих исследований во многих областях науки и техники, что связано с открытием новых физических явлений, созданием перспективных материалов. Следует отметить, что применение методов термодинамики дополняет уровень других общефизических исследования и позволяет получать новые результаты. Если рассматривать физический объект как некий «черный ящик», то термодинамика исследует процессы на входе и выходе этого «ящика», не интересуясь его содержимым, в то время как другие общефизические методы исследуют, как правило, именно содержимое «ящика».
Основоположником применения термодинамики к термоэлектрическим явлениям является Томсон, который в 1856 г. использовал начала термодинамики для вывода соотношения между коэффициентом термоэдс и коэффициентом Пельтье и предсказал явление, названного в его честь. Применение термодинамики для описания термоэлектрических явлений стало неотъёмлемой частью многих учебников по физике полупроводников [7, с.195]. Сочетанию классической термодинамики и других общефизических методов посвящены, например, работы А.Р.Хохлова, А. Ю. Гросберга , В.И. Кленина . В этих работах, разработаны основы статистической физики макромолекул, рассмотрены вопросы теории фазовых превращений, теории подобия и устойчивости макросистем, теории рассеивания света и динамика флуктуаций концентраций в критических точках. Так в работах В.И. Кленина [3,с.74] при изложении принципов и методов термодинамики полимеров анализируются сопряженные вопросы молекулярной физики и оптики, даются рекомендации по технологии получения высокомолекулярных соединений. Однако во всех упомянутых работах не рассмотрены такие процессы как, например, фотопроводимость и теплопроводность, транспорт носителей в бесстолкновительной твердотельной плазме и в твердотельных структурах со смешанной проводимостью, проблемы термоупругости анизотропных твердых тел, вопросы развития базовых представлений термодинамики сложных систем и т.д. При изучении данных вопросов сочетание термодинамических и других общефизических методов представляется как развитие концепции комплексного сочетания упомянутых методов, которая частично используется в вышеупомянутых работах, но не сформулирована в них в явном виде.
Например, при изучении проблемы влияния постоянного электрического поля на распространение продольных плазменных волн в твердотельной плазме основное внимание уделялось экспериментальному исследованию эффекту Доплера и распространению продольных плазменных волн [6,с.43], но применение термодинамического метода Гиббса и правила Стеррока для решения проблемы устойчивости распространения этих волн, позволило найти практическое применение данному явлению (определению скорости распространения продольных плазменных волн в твердом теле).
Проблема самоорганизации электронных потоков в вакууме считается объектом исследования как прикладной нелинейной динамики [5,с.37], так и термодинамики. В связи с появлением высокотехнологичных быстродействующих транзисторов появилась необходимость учесть влияние среды с модулированной диэлектрической проницаемостью на характер распространения таких электронных потоков в баллистическом режиме. Применение к таким системам гидродинамического и термодинамического методов исследования перехода типа «беспорядок-порядок», при котором происходит скачок энтропии, позволил решить эту проблему и оценить возможность создания дефлекторов лазерного излучения различных типов на основе изученного явления.
Фазовый переход металл-полупроводник в VO2 (диоксиде ванадия) был основательно изучен рядом исследователей [2,с.29[, но только с помощью термодинамического метода фазовых диаграмм можно определить КПД преобразователей, содержащих VO2 , что представляет интерес в плане энергосбережения.
Применение и развитие термодинамической теории Ландау Л.Д. о фазовых переходах и магнитных явлениях вблизи критических точек таких переходов позволило объяснить наблюдаемые закономерности, а сочетание термодинамического метода фазовых треугольников со спектральными характеристиками фотопроводников позволило прогнозировать фотоэлектрические свойства сложных соединений на основе А2В6 и выявить возможный механизм эффекта провисания зон [4. с.1117].
Развитие дифференциальной термодинамики нельзя представить без классических работ Базарова И.П. [1. с.275[, но в них недостаточно внимания уделялось вопросам, связанным с развитием базовых представлений для случая сложных многокомпонентных систем, основанным на применении методов дифференциальной геометрии и фрактального анализа. Это, конечно, связано прежде всего с тем, что упомянутый метод фрактального анализа получил своё развитие именно в последнее время.
Анализ вышеприведенных примеров позволяет сделать вывод о том, что работ удачно сочетающих термодинамический и другие общефизические методы исследований недостаточно, хотя именно на стыке различных направлений в науке открываются новые физические явления и эффекты.
Таким образом, сочетание методов термодинамики с другими общефизическими методами исследования и разработка моделей различных устройств, основанная на этих исследованиях, определяет теоретическую и прикладную актуальность настоящей работы.
Список литературы:
- 1. Базаров И.П. Термодинамика. М., Высш.школа , 1976.- 447с
- Бугаев А.А. Фазовый переход металл-полупроводник и его применение./ А.А.Бугаев, Б.П.Захарченя, Ф.А. Чудновский . Л., Наука, 1979.- 183с.
- Кленин В.И. Термодинамика систем с гибкоцепными полимерами. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1995. -736 с.
- Kuznetsov V.A. Analysis of the Phase Diagrams of the CdS-CdSe-CdTe System .// Semiconductors-2010.-V.44,№9.-P1117-1120.
- Санин А.Л. Структуры электронного тока в неоднородных системах / А.Л. Санин, Ю.Л. Ермолаев, Д.Б. Мизандронцев // Известия вузов «ПНД»-1993.- № 1.- С. 37–42.
- Стил М., Вюрал Б. Взаимодействие волн в плазме твердого тела. М., Атомиздат . 1973.-249с.
- Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергия, 1976.- 416 с.[schema type=»book» name=»СОЧЕТАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И ДРУГИХ ОБЩЕФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВА ДЛЯ НАИБОЛЕЕ ПОЛНОГО РАСКРЫТИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЯВЛЕНИЯ» author=»Байбурин Вил Бариевич, Кузнецов Владимир Александрович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]