Академик А. Ф. Иоффе первый понял причину этого громадного расхождения. Дело в том, что реальный кристалл существенно отличается от идеального. Как внутри, так и на поверхности его имеется много различных скрытых дефектов. Например, в каком-нибудь узле кристаллической решетки поваренной соли вместо атома натрия оказался атом хлора или серы, а иногда вообще никакого атома нет. На поверхности кристалла при сильном увеличении можно увидеть разветвленную сеть микроскопических трещин, резко понижающих его прочность.
Чтобы убедиться в этом, А. Ф. Иоффе произвел в 1924 г. поразительно простые опыты, которые с тех пор вошли во все курсы общей физики под названием «эффекта Иоффе». Погружая кристаллы каменной соли в теплую воду, он растворял тонкий поверхностный слой вместе с присущими ему дефектами и показал, что при этом прочность кристаллов возрастала в 10–20 раз.
В другой серии опытов выточенные из кристаллов каменной соли шары медленно охлаждались до температуры жидкого воздуха, а затем быстро погружались в расплавленный свинец. При этом согласно теории внутри шаров должно было возникать внутреннее напряжение (за счет быстрой смены сжатия на расширение) порядка 70 кг/мм2. Но шары не разрывались, свидетельствуя о том, что подлинная внутренняя прочность каменной соли близка к теоретическому пределу.
Идеально упругое кристаллическое тело после прекращения воздействия деформирующей силы должно немедленно возвратиться в исходное недеформируемое[3] состояние. В действительности же всякая деформация оставляет за собой медленно исчезающий след — так называемое упругое последействие. Кроме того, предсказываемый теорией предел упругости, за которым твердое тело начинает течь подобно вязкой жидкости, также значительно выше реально наблюдаемой величины.
А. Ф. Иоффе первым создал метод экспериментального исследования механизма пластической деформации кристаллических тел. Суть этого метода состоит в последовательном наблюдении дифракции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл, медленно деформируемый под влиянием внешних сил. Опыты, проделанные с кристаллами каменной соли, показали, что до определенного предела нагрузки никаких изменений на полученных лауэграммах не наблюдается. При достижении предела текучести пятна на рентгенограмме внезапно раздваиваются, затем умножаются и, наконец, вытягиваются в длинные хвосты. Это свидетельствует о том, что за пределом упругости образцы перестают быть правильными монокристаллами; они распадаются на отдельные монокристаллики, которые смещаются и поворачиваются относительно своих соседей. Каждый из них дает свою систему пятен Лауэ, суммирующуюся с пятнами от других монокристалликов. Такое явление было названо астеризмом, а предложенный А. Ф. Иоффе метод стал одним из основных методов исследования механизма деформаций кристаллических тел.
Продолжая эти исследования, А. Ф. Иоффе установил, что пластическая деформация происходит в кристалле не непрерывно, как думали до той поры все физики, а скачкообразно. При непрерывно действующей нагрузке деформация идет скачками, повторяющимися через одинаковые промежутки времени и даже сопровождающимися слабыми щелчками, напоминающими тиканье часов.
Этими, а также и некоторыми другими работали А. Ф. Иоффе заложил фундамент современных представлений о механизме прочности и пластичности реальных твердых тел. Он подал физикам глубокую идею о необходимости изучения различных дефектов кристаллической решетки, чрезвычайно сильно влияющих на многие свойства твердых тел.
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.