固體物理緒論

1、固體分類固體分類 晶體晶體 原子按一定的周期排列規(guī)則的固體（長程有序）原子按一定的周期排列規(guī)則的固體（長程有序）天然的巖鹽、水晶以及人工的半導體鍺、硅單晶天然的巖鹽、水晶以及人工的半導體鍺、硅單晶非晶體非晶體 原子的排列沒有明確的周期性（短程有序）原子的排列沒有明確的周期性（短程有序）玻璃、橡膠、塑料玻璃、橡膠、塑料準晶體準晶體 1984年年shechtman用快速冷卻方法制備的用快速冷卻方法制備的almn 合金合金crystal structure of caco3crystal structureof ybacuo緒緒 論論 一一 、固體物理的研究對象、固體物理的研究對象及其重要性簡述及其

2、重要性簡述 研究固體結(jié)構(gòu)及其組成粒子研究固體結(jié)構(gòu)及其組成粒子( (原子、離子、電子原子、離子、電子) )之間之間 相互作用與運動規(guī)律以闡明其性能與用途的學科相互作用與運動規(guī)律以闡明其性能與用途的學科 為多學科（力、熱、電、光、原、冶金、材料等）提為多學科（力、熱、電、光、原、冶金、材料等）提 供微觀研究的基礎(chǔ)；供微觀研究的基礎(chǔ)； 高新技術(shù)發(fā)展的動力，如晶體管、超導體、固體激光高新技術(shù)發(fā)展的動力，如晶體管、超導體、固體激光 器（能量比氣體激光器大）、通信、計算機、新材料器（能量比氣體激光器大）、通信、計算機、新材料 等諸多領(lǐng)域等諸多領(lǐng)域 是物理學中最龐大，發(fā)展最迅速的應用科學，涉及范是物理學中最

3、龐大，發(fā)展最迅速的應用科學，涉及范 圍廣、研究層次多、問題錯綜復雜圍廣、研究層次多、問題錯綜復雜shape of snow crystal05/16be2o3 crystal and glass of be2o3理想晶體理想晶體 內(nèi)在結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的固體內(nèi)在結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的固體_做完整晶體做完整晶體實際晶體實際晶體 固體中或多或少地存在有不規(guī)則性，在規(guī)則固體中或多或少地存在有不規(guī)則性，在規(guī)則 排列的背景中尚存在微量不規(guī)則性的晶體排列的背景中尚存在微量不規(guī)則性的晶體 電子衍射圖中具有五重對稱電子衍射圖中具有五重對稱 的斑點分布的斑點分布 介于晶體和非晶體之間的新介于晶體和非晶體之間的新 的狀態(tài)的狀態(tài)

4、 準晶態(tài)準晶態(tài)二、二、 固體物理的發(fā)展過程固體物理的發(fā)展過程概述概述 晶體規(guī)則的幾何形狀和對稱性與其它物理性質(zhì)之間晶體規(guī)則的幾何形狀和對稱性與其它物理性質(zhì)之間 有一定聯(lián)系有一定聯(lián)系; ;晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部規(guī)則性的反映晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部規(guī)則性的反映 十七世紀惠更斯以橢球堆積的模型來解釋方解石的十七世紀惠更斯以橢球堆積的模型來解釋方解石的 雙折射性質(zhì)和解理面雙折射性質(zhì)和解理面 十八世紀，阿羽依認為晶體由一些堅實、相同的平十八世紀，阿羽依認為晶體由一些堅實、相同的平 行六面形的小行六面形的小基石基石”有規(guī)則地重復堆集而成的有規(guī)則地重復堆集而成的 十九世紀中葉，布拉伐發(fā)展了空間點陣學說概括了晶

5、十九世紀中葉，布拉伐發(fā)展了空間點陣學說概括了晶 格周期性的特征格周期性的特征 十九世紀末葉，十九世紀末葉，費多洛夫費多洛夫，熊夫利熊夫利、巴羅巴羅等獨立地發(fā)等獨立地發(fā) 展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進一步研展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進一步研 究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù)究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù) 描述晶體比熱描述晶體比熱_杜隆珀替杜隆珀替定律定律 描述金屬導熱和導電性質(zhì)的描述金屬導熱和導電性質(zhì)的魏德曼佛蘭茲魏德曼佛蘭茲定律定律 二十世紀初二十世紀初特魯?shù)绿佤數(shù)潞秃吐鍌惼澛鍌惼澖⒘私?jīng)典金屬自由電子建立了經(jīng)典金屬自由電子 論，對固體認識進入一個新的階段論，對固體認識進入

6、一個新的階段 1912年，年，勞厄勞厄指出晶體可以作為指出晶體可以作為x射線的衍射光柵射線的衍射光柵 愛因斯坦愛因斯坦引進量子化的概念來研究晶格振動引進量子化的概念來研究晶格振動 索末菲索末菲在金屬自由電子論基礎(chǔ)上，發(fā)展了固體量子論在金屬自由電子論基礎(chǔ)上，發(fā)展了固體量子論 費米費米發(fā)展了統(tǒng)計理論，為以后研究晶體中電子運動的發(fā)展了統(tǒng)計理論，為以后研究晶體中電子運動的 過程指出了方向過程指出了方向 20世紀三十年代，建立了固體能帶論和晶格動力學世紀三十年代，建立了固體能帶論和晶格動力學10/16 量子理論發(fā)展正確描述了晶體內(nèi)部微觀粒子運動過程量子理論發(fā)展正確描述了晶體內(nèi)部微觀粒子運動過程 固體能帶

7、論說明了導體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有固體能帶論說明了導體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有 一類固體，其導電性質(zhì)介于兩者之間一類固體，其導電性質(zhì)介于兩者之間_半導體半導體 20世紀四十年代末，以諸、硅為代表的半導體單晶的世紀四十年代末，以諸、硅為代表的半導體單晶的 出現(xiàn)并制成了晶體三極管出現(xiàn)并制成了晶體三極管_ 產(chǎn)生了半導體物理產(chǎn)生了半導體物理 1960年誕生的激光技術(shù)對固體的電光、聲光和磁光器年誕生的激光技術(shù)對固體的電光、聲光和磁光器 件不斷地提出新要求件不斷地提出新要求三、三、 固體物理的學科領(lǐng)域固體物理的學科領(lǐng)域 高純度的完整晶體、雜質(zhì)、缺陷對金屬、半導體高純度的完整晶體、雜質(zhì)、缺陷對金屬、半導體

8、 電介質(zhì)、磁性材料以及其它固體材料性能的影響電介質(zhì)、磁性材料以及其它固體材料性能的影響 一般條件下金屬、半導體、電介質(zhì)、磁性物質(zhì)一般條件下金屬、半導體、電介質(zhì)、磁性物質(zhì) 發(fā)光等材料的各種性質(zhì)發(fā)光等材料的各種性質(zhì) 強磁場、強輻射、超高壓、極低溫等特殊條件下強磁場、強輻射、超高壓、極低溫等特殊條件下 材料表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象材料表現(xiàn)出的各種現(xiàn)象 探索新材料和設(shè)計新器件探索新材料和設(shè)計新器件 超導理論、多體理論、非晶態(tài)理論、表面理論超導理論、多體理論、非晶態(tài)理論、表面理論 光與物質(zhì)相互作用等光與物質(zhì)相互作用等 發(fā)展制備材料和器件的新工藝和新理論發(fā)展制備材料和器件的新工藝和新理論 固體物理學負擔著重大的理

9、論課題固體物理學負擔著重大的理論課題固體物理領(lǐng)域固體物理領(lǐng)域金金屬屬物物理理半半導導體體物物理理晶晶體體物物理理磁磁學學電電介介質(zhì)質(zhì)物物理理液液晶晶物物理理固固體體發(fā)發(fā)光光超超導導體體物物理理固固態(tài)態(tài)電電子子學學固固態(tài)態(tài)光光電電子子學學固固體體光光譜譜強強關(guān)關(guān)聯(lián)聯(lián)物物理理納納米米物物理理表表面面物物理理介介觀觀物物理理四、近四、近1010年來的諾貝爾物理學獎情況年來的諾貝爾物理學獎情況 20002000年：阿爾費羅夫（俄國）、克羅默（德國）提出異層結(jié)構(gòu)年：阿爾費羅夫（俄國）、克羅默（德國）提出異層結(jié)構(gòu)理論，并開發(fā)了異層結(jié)構(gòu)的快速晶體管、激光二極管；杰克理論，并開發(fā)了異層結(jié)構(gòu)的快速晶體管、激光二

10、極管；杰克基基爾比（美國）發(fā)明集成電路爾比（美國）發(fā)明集成電路阿爾費羅夫（俄國）阿爾費羅夫（俄國）克羅默（德國）克羅默（德國）阿爾費羅夫用克羅默的理論，阿爾費羅夫用克羅默的理論，于于19661966年研制出第一個實用的年研制出第一個實用的異型結(jié)構(gòu)電子器件。之后，他異型結(jié)構(gòu)電子器件。之后，他們制作了第一支異型結(jié)構(gòu)激光們制作了第一支異型結(jié)構(gòu)激光二極管，使光纖通信成為可能，二極管，使光纖通信成為可能，并逐步用于通訊衛(wèi)星、條碼閱并逐步用于通訊衛(wèi)星、條碼閱讀機、手提電話等領(lǐng)域。杰克讀機、手提電話等領(lǐng)域。杰克. .基爾比發(fā)明第一顆積體（集成）基爾比發(fā)明第一顆積體（集成）電路電路ic ic 杰克杰克基爾比基

11、爾比（美國（美國）2001年：克特勒（德國）、康奈爾、卡爾e維曼（美國）在 “堿金屬原子稀薄氣體的玻色愛因斯坦凝聚態(tài)”以及“凝聚態(tài)物質(zhì)性質(zhì)早期基本性質(zhì)研究”方面取得成就 在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級，但在非常低的在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級，但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，表示原來溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，表示原來不同狀態(tài)的原子突然不同狀態(tài)的原子突然“凝聚凝聚”到同一狀態(tài)。到同一狀態(tài)。19951995年年6 6月，兩月，兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣

12、中第一次直接觀測到了玻色原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻色- -愛因斯坦凝聚態(tài)。愛因斯坦凝聚態(tài)。 2002年：雷蒙德戴維斯、里卡爾多賈科尼（美國）、小柴昌?。ㄈ毡荆氨碚盟麄冊谔祗w物理學領(lǐng)域做出的先驅(qū)性貢獻，其中包括在“探測宇宙中微子”和“發(fā)現(xiàn)宇宙射線源”方面的成就。 雷蒙德戴維斯小柴昌俊里卡爾多賈科尼20032003年：阿列克謝年：阿列克謝阿布里科索夫、安東尼阿布里科索夫、安東尼萊格特萊格特（美國）、維塔利（美國）、維塔利金茨堡（俄羅斯）金茨堡（俄羅斯）“表彰三人在表彰三人在超導體和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻。超導體和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻?！?” 阿列克謝阿列克謝阿布里科索夫阿布里科

13、索夫安東尼安東尼萊格特萊格特維塔利維塔利金茨堡金茨堡阿布里科索夫發(fā)現(xiàn)超導和強大的磁場可同時存在：使超導成阿布里科索夫發(fā)現(xiàn)超導和強大的磁場可同時存在：使超導成為非同質(zhì)的，讓磁力線在渦流中以集束形式穿過超導體。這為非同質(zhì)的，讓磁力線在渦流中以集束形式穿過超導體。這一理論指出了一理論指出了型超導體的存在。這種材料可用來制造醫(yī)療型超導體的存在。這種材料可用來制造醫(yī)療器械，還可以廣泛用于物理研究中的粒子加速器。器械，還可以廣泛用于物理研究中的粒子加速器。20042004年：戴維年：戴維格羅斯（美國）、戴維格羅斯（美國）、戴維普利策（美普利策（美國）和弗蘭克國）和弗蘭克維爾澤克（美國），為表彰他們維爾澤克

14、（美國），為表彰他們“對量子場中夸克漸進自由的發(fā)現(xiàn)。對量子場中夸克漸進自由的發(fā)現(xiàn)。” ” 構(gòu)建適用構(gòu)建適用于所有物質(zhì)的于所有物質(zhì)的“萬有理論萬有理論”。 戴維戴維格羅斯格羅斯戴維戴維普利策普利策弗蘭克弗蘭克維爾澤克維爾澤克20052005年：羅伊年：羅伊格勞伯（美國）表彰他對光學相干的量子理論的格勞伯（美國）表彰他對光學相干的量子理論的貢獻；約翰貢獻；約翰霍爾（霍爾（john l. halljohn l. hall，美國）和特奧多爾，美國）和特奧多爾亨施亨施（德國）表彰他們對基于激光的精密光譜學發(fā)展作出的貢獻。（德國）表彰他們對基于激光的精密光譜學發(fā)展作出的貢獻。羅伊羅伊格勞伯格勞伯約翰約翰霍

15、爾霍爾特奧多爾特奧多爾亨施亨施20062006年：年： 約翰約翰馬瑟（美國）和喬治馬瑟（美國）和喬治斯穆特（美國）斯穆特（美國） 表彰表彰他們發(fā)現(xiàn)了黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射的擾動現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)了黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射的擾動現(xiàn)象。約翰約翰馬瑟馬瑟喬治喬治斯穆特斯穆特他們的發(fā)現(xiàn)為宇宙的起源提供了第一個清楚的認識，支持他們的發(fā)現(xiàn)為宇宙的起源提供了第一個清楚的認識，支持了大爆炸假說。他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的各向異性，了大爆炸假說。他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的各向異性，使人們有可能明白地了解象星系、星體這樣的結(jié)構(gòu)是如何使人們有可能明白地了解象星系、星體這樣的結(jié)構(gòu)是如何從各向均勻的大爆炸中產(chǎn)生，

16、而這是宇宙學中最令人著迷從各向均勻的大爆炸中產(chǎn)生，而這是宇宙學中最令人著迷的迷題之一。大爆炸之后的各向異性，作用于星系的發(fā)展，的迷題之一。大爆炸之后的各向異性，作用于星系的發(fā)展，形成今天這個狀態(tài)。形成今天這個狀態(tài)。 20072007年：法國科學家艾爾伯年：法國科學家艾爾伯費爾和德國科學家皮費爾和德國科學家皮特特克魯伯格，表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應的貢獻?？唆敳瘢碚盟麄儼l(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應的貢獻。 艾爾伯艾爾伯費爾費爾皮特皮特克魯伯格克魯伯格巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。被用于開發(fā)研制之無外磁

17、場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（read headread head）。）。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。 20082008年：日本科學家南部陽一郎，表彰他發(fā)現(xiàn)了亞年：日本科學家南部陽一郎，表彰他發(fā)現(xiàn)了亞原子物理的對稱性自發(fā)破缺機制。日本物理學家小原子物理的對稱性自發(fā)破缺機制。日本物理學家小林誠，益川敏英提出了對稱性破壞的物理機制，并林誠，益川敏英提出了對稱性破壞的

18、物理機制，并成功預言了自然界至少三類夸克的存在。成功預言了自然界至少三類夸克的存在。 南部陽一郎南部陽一郎小林誠小林誠益川敏英益川敏英20092009年：英國籍華裔物理學家高錕因為年：英國籍華裔物理學家高錕因為“在光學通信領(lǐng)域在光學通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就” ” 而獲獎；美國物理學家韋拉而獲獎；美國物理學家韋拉德德博伊爾（博伊爾（willard s.boylewillard s.boyle）和喬治）和喬治史密斯（史密斯（george george e.smithe.smith）因）因“發(fā)明了成像半導體電路發(fā)明了成像半導體電路電荷藕合器件圖電荷藕合器件圖像傳感器像傳感

19、器ccd” ccd” 獲此殊榮。獲此殊榮。 五、五、 固體物理的研究方法固體物理的研究方法 固體物理是一門實驗性學科固體物理是一門實驗性學科 為闡明固體表現(xiàn)出的現(xiàn)為闡明固體表現(xiàn)出的現(xiàn)象與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系，建立和發(fā)展關(guān)于固體的微觀理論象與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系，建立和發(fā)展關(guān)于固體的微觀理論固體是一個復雜的客體固體是一個復雜的客體 每一立方米中包含有約每一立方米中包含有約10102929個原子、電子，而且它們之間的相互作用相當強個原子、電子，而且它們之間的相互作用相當強固體的宏觀性質(zhì)固體的宏觀性質(zhì) 就是大量粒子之間的相互作用和集就是大量粒子之間的相互作用和集體運動的總表現(xiàn)體運動的總表現(xiàn)1. 根據(jù)晶體中原子規(guī)

20、則排列特點，建立晶格動力學理論，根據(jù)晶體中原子規(guī)則排列特點，建立晶格動力學理論，引入聲子的概念，闡明了固體的低溫比熱和中子衍射譜引入聲子的概念，闡明了固體的低溫比熱和中子衍射譜2. 金屬的研究金屬的研究 抽象出電子公有化的概念，再用單電抽象出電子公有化的概念，再用單電子近似的方法建立能帶理論子近似的方法建立能帶理論3. 物質(zhì)的鐵磁性物質(zhì)的鐵磁性 研究了電子與聲子的相互作用，闡研究了電子與聲子的相互作用，闡明低溫磁化強度隨溫度變化的規(guī)律明低溫磁化強度隨溫度變化的規(guī)律4. 超導的理論超導的理論 研究電子和聲子的相互作用，形成庫研究電子和聲子的相互作用，形成庫柏電子對，庫柏對的凝聚表現(xiàn)為超導電相變柏

21、電子對，庫柏對的凝聚表現(xiàn)為超導電相變1. 人造材料、超晶格半導體、人造材料、超晶格半導體、mbe、cvo等等2. 量子霍爾效應：電勢差按量子變化而非連續(xù)變化量子霍爾效應：電勢差按量子變化而非連續(xù)變化3. 降維效應：三維降維效應：三維二維二維一維一維零維（量子點）零維（量子點）4. 電荷密度波、自旋密度波電荷密度波、自旋密度波六、固體物理學領(lǐng)域的一些重要進展六、固體物理學領(lǐng)域的一些重要進展 5. 無序：等效介質(zhì)無序：等效介質(zhì)+微擾微擾6. 混合原子價混合原子價7. 3he的超流相（低溫下流動無阻力）的超流相（低溫下流動無阻力）8. 重整化群的方法（處理多體問題、相變、臨界點等）重整化群的方法（處理多體問題、相變、臨界點等）9. 混沌現(xiàn)象混沌現(xiàn)象10. 同步輻射同步輻射11. 原子顯微鏡、原子探針原子顯微鏡、原子探針12. 金屬氫（金屬氫（t20k,液態(tài)；液態(tài)； t14k，固態(tài)；常溫下加壓也，固態(tài)；常溫下加壓也 可為固態(tài)）可為固態(tài)）儲氫材料儲氫材料13. 氧化物超導體（氧化物超導體（86年諾貝爾獎）（中國的最高溫超導年諾貝爾獎）（中國的最高溫超導 為為90k）14. 分形和分維（自相似）分形和分維（自相似）15. 準晶（晶體準晶（晶體長程有序，準晶長程有序，準晶有短程序、無長有短程序、無長 程序）（急冷方式獲得）程序）（急冷方式獲得）16. 細小體系、團簇、細小體系、團簇、c60