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1、電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)論文課程名稱(chēng) 固體物理與半導(dǎo)體物理題目名稱(chēng)固體物理前沿研究與應(yīng)用學(xué) 號(hào)姓 名 指導(dǎo)老師劉 爽起止時(shí)間2018.10.8 至 2018.10.152018 年10 月13 日目錄摘要11 .固體物理學(xué)11.1 固體物理學(xué)的概述11.1.1 固體的一些性質(zhì)11.2 晶體31.2.1 晶體劃分及其空間點(diǎn)陣類(lèi)型 31.2.2 晶體的描述41.2.3 晶體的性質(zhì)52 .固體物理應(yīng)用62.1 超導(dǎo)材料62.1.1 大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）62.1.2 電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）72.1.3 抗磁性的應(yīng)用82.2 半導(dǎo)體材料82.3 表面物理學(xué)92.4 固體激光器92.5 固體物理

2、在其他方面的應(yīng)用 103 .固體物理的前沿研究 113.1 石墨烯納米結(jié)構(gòu)和納米器件研究 113.2 高溫超導(dǎo)體的隧道譜研究 113.3 地震前兆信息的傳播、分布和探測(cè) 123.4 低維氧化物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光電物理研究 123.5 利用表面等離子體共振效應(yīng)在納米尺度上對(duì)光的調(diào)控 134 .固體物理學(xué)的展望14145 .總結(jié)和感想摘 要：本文對(duì)于固體物理中晶體結(jié)構(gòu)以及其性質(zhì)，做了簡(jiǎn)單 介紹，并探討了固體物理的前沿研究現(xiàn)狀與一些應(yīng)用，以及固體物理今后的發(fā)展前景。關(guān)鍵字：晶體結(jié)構(gòu)，固體物理，固體激光器，超導(dǎo)材料，半 導(dǎo)體材料，固體表面物理。1 .固體物理學(xué)1.1 固體物理學(xué)的概述固體物理學(xué)是研究固體物

3、質(zhì)的物理性質(zhì)、 微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的 各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，及其相互關(guān)系的科學(xué)。它研究的內(nèi)容包括固體 是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結(jié)合的？這種結(jié)構(gòu)是如何形 成的？在特定的固體中，電子和原子取什么樣的具體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)？它 的宏觀性質(zhì)和內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng)形態(tài)有什么聯(lián)系？各種固體有哪些可 能的應(yīng)用？1.1.1 固體的一些性質(zhì)固體相變晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點(diǎn)陣。處于不同形式點(diǎn)陣的 晶體，雖然化學(xué)成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點(diǎn)陣形式具有不同的能量。在低溫時(shí)，點(diǎn)陣處于能量最低的形式；當(dāng)晶體的內(nèi)部 能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點(diǎn)陣就會(huì)轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。 這種轉(zhuǎn)變稱(chēng)為相變，相變會(huì)導(dǎo)致晶體

4、物理性質(zhì)的改變，相變是重要的 物理現(xiàn)象。在固體物理學(xué)中相變占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、 凝固、晶體生長(zhǎng)、蒸發(fā)、相干衡、相變動(dòng)力學(xué)、臨界現(xiàn)象等。固體磁性原子中電子參與兩種運(yùn)動(dòng)：自旋及繞核的軌道運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)有軌道 磁矩和自旋磁矩。整個(gè)分子磁矩是其中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁 矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核自旋磁矩?？珊雎裕?。物質(zhì)的磁性 來(lái)源于原子的軌道磁矩和自旋磁矩晶體中： 軌道磁矩自旋磁矩外磁場(chǎng) 物質(zhì)的磁性。晶體中原子磁矩或者自旋磁矩的直接或間接相互作用， 以及磁矩與外磁場(chǎng)的響應(yīng)特性，形式上形成了各種物質(zhì)的磁性。雜質(zhì)，缺陷和固體表面點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)完好無(wú)缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。 實(shí)際晶體內(nèi)部 的

5、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)總會(huì)有缺陷：化學(xué)成分不會(huì)絕對(duì)純，內(nèi)部會(huì)含有雜質(zhì)。這 些缺陷和雜質(zhì)對(duì)固體的物理性質(zhì)（包括力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、發(fā)光學(xué)等） 以及功能材料的技術(shù)性能，常常會(huì)產(chǎn)生重要的影響。同體內(nèi)相比，晶 體表面具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)。這是由于表面原子所處的 環(huán)境同體內(nèi)原子不一樣，在表面幾個(gè)原子層的范圍，表面的組分和原 子排列形成的二維結(jié)構(gòu)都同體內(nèi)與之平行的晶面不一樣的緣故。表面微觀粒子所處的勢(shì)場(chǎng)同體內(nèi)不一樣，因而形成獨(dú)具特征的表面粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，限制粒子只能在表面層內(nèi)運(yùn)動(dòng)并具有相應(yīng)的本征能量，它們的行為對(duì)表面的物理、化學(xué)性質(zhì)起重要作用。1.2 晶體固體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式很復(fù)雜，這方面的研究是從晶體開(kāi)始

6、 的，因?yàn)榫w的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。 由結(jié)晶物質(zhì)構(gòu)成的、其內(nèi)部的構(gòu)造質(zhì)點(diǎn)呈平移周期性規(guī)律排列的固體。 即以晶體中的原子或其集合為基點(diǎn)，在空間中三個(gè)不共面的方向上，各 按一定的點(diǎn)陣周期，不斷重復(fù)出現(xiàn)。1.2.1 晶體劃分及其空間點(diǎn)陣類(lèi)型晶體按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為七大晶系和 14種晶格類(lèi)型。晶體按其 結(jié)構(gòu)粒子和作用力的不同可分為四類(lèi)：離子晶體、原子晶體、分子晶 體和金屬晶體。固體可分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體三大類(lèi)。根據(jù)晶體的宏觀對(duì)稱(chēng)性，晶體有14種空間點(diǎn)陣，它們的晶軸關(guān)系 即晶軸的單位長(zhǎng)度及夾角間的關(guān)系，分別屬于立方、四方、三方、六 方、正交、單斜、三斜共7個(gè)晶系。立方晶系四方

7、晶系三方晶系六方晶系正交晶系單斜晶系三斜晶系在這7個(gè)晶系中，除了由素單位構(gòu)成的簡(jiǎn)單點(diǎn)陣(P)外，還可能有 體心(I)、底心(C)、面心(F)點(diǎn)陣。在這些有心的點(diǎn)陣中，晶胞分別有 2個(gè)或4個(gè)陣點(diǎn)。1.2.2 晶體的描述格點(diǎn)：晶格中原子與原子團(tuán)被抽象的點(diǎn)稱(chēng)為格點(diǎn)，周?chē)h(huán)境完全一樣?；焊顸c(diǎn)所代表的原子與原子團(tuán)。晶格：晶體中原子排列的具體形式稱(chēng)為晶體格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格布拉菲格子：格點(diǎn)在空間周期性排列的總體連成的網(wǎng)格。簡(jiǎn)單格子：基元只含有一個(gè)原子。復(fù)式格子：基元含有兩個(gè)或兩個(gè)以上原子的晶格（可是同類(lèi)、異 類(lèi)）。原胞：體積最小的周期性平行六面體單元。晶胞：既考慮了周期性又考慮了對(duì)稱(chēng)性所選取的重復(fù)單元。魏格

8、納-賽茲原胞：體積最小的對(duì)稱(chēng)周期單元。晶格常數(shù)：晶軸上布拉菲格子的相鄰格點(diǎn)的距離。1.2.3 晶體的性質(zhì) 長(zhǎng)程有序：晶體內(nèi)部原子在至少在微米級(jí)范圍內(nèi)的規(guī)則排列。 均勻性：晶體內(nèi)部各個(gè)部分的宏觀性質(zhì)是相同的。 各向異性：晶體中不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)。 對(duì)稱(chēng)性：晶體的理想外形和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有特定的對(duì)稱(chēng)性。 自限性：晶體具有自發(fā)地形成封閉幾何多面體的特性。 解理性：晶體具有沿某些確定方位的晶面劈裂的性質(zhì)。 最小內(nèi)能：成型晶體內(nèi)能最小。晶面角守恒：屬于同種晶體的兩個(gè)對(duì)應(yīng)晶面之間的夾角恒定不變。2.固體物理應(yīng)用2.1 超導(dǎo)材料超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)物理學(xué)的一個(gè)偉大的成就。而超導(dǎo)材料 在未來(lái)中

9、展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。一般材料在溫度接近絕對(duì)零度的時(shí)候，物體分子熱運(yùn)動(dòng)幾乎消失，材料的電阻趨近于 0,此時(shí)稱(chēng)為超 導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)材料的大致可分為三類(lèi)：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用） 、 電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。2.1.1 大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬(wàn)6萬(wàn)高斯，并且?guī)缀鯖](méi)有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高 510倍，達(dá) 1萬(wàn)兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%。磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開(kāi)超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體

10、）作導(dǎo)體，并高速通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度為5萬(wàn) 6萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)而發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，用于磁流 體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。2.1.2 電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）超導(dǎo)磁體計(jì)算機(jī)超導(dǎo)磁體計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接 線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱， 而散熱是 超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路， 其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高。止匕外，科學(xué)家正研究 用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來(lái)制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來(lái)制作晶體管。超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓

11、器， 從而把電力幾 乎無(wú)損耗地輸送給用戶(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15% 的電能損耗在輸電線路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá) 1000 多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。2.1.3 抗磁性的應(yīng)用磁懸浮列車(chē)磁懸浮列車(chē)?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久 磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體， 磁體和超導(dǎo)體之間 會(huì)產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以 制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。核聚變反應(yīng)堆磁封閉體”核聚變反應(yīng)堆 磁封閉體”核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億 2億攝氏度，沒(méi)有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的 強(qiáng)磁場(chǎng)可

12、以作為 磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、 約束起來(lái)，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。2.2 半導(dǎo)體材料研究半導(dǎo)體原子狀態(tài)和電子狀態(tài)以及各種半導(dǎo)體器件內(nèi)部電子 過(guò)程的學(xué)科。是固體物理學(xué)的一個(gè)分支。研究半導(dǎo)體中的原子狀態(tài)是 以晶體結(jié)構(gòu)學(xué)和點(diǎn)陣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)， 主要研究半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、晶 體生長(zhǎng)，以及晶體中的雜質(zhì)和各種類(lèi)型的缺陷。 研究半導(dǎo)體中的電子 狀態(tài)是以固體電子論和能帶理論為基礎(chǔ)， 主要研究半導(dǎo)體的電子狀態(tài)， 即能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷的影響、電子在外電場(chǎng)和外磁場(chǎng)作用下的輸運(yùn)過(guò)程、半導(dǎo)體的光電和熱電效應(yīng)、半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、半導(dǎo) 體與金屬或不同類(lèi)

13、型半導(dǎo)體接觸時(shí)界面的性質(zhì)和所發(fā)生的過(guò)程、各種半導(dǎo)體器件的作用機(jī)理和制造工藝等。 半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展不僅使人 們對(duì)半導(dǎo)體有了深入的了解，而且由此而產(chǎn)生的各種半導(dǎo)體器件、 集 成電路和半導(dǎo)體激光器等已得到廣泛的應(yīng)用。2.3 表面物理學(xué)表面物理學(xué)是20世紀(jì)60年代以后固體物理學(xué)中的一個(gè)重要而 且發(fā)展極為迅速的領(lǐng)域。 表面物理學(xué)是固體表面附近的幾個(gè)原子層 內(nèi)具有許多異于體內(nèi)的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)。表面物理學(xué)研究在超高真空下(1010Torr),這幾個(gè)原子層內(nèi)原子的排列情況、電子狀態(tài)、吸附 在表面上的外來(lái)原子或分子以及在表面幾個(gè)原子層內(nèi)的外來(lái)雜質(zhì)的 電子狀態(tài)和其他物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)上是通過(guò)電子束、離子束、原子束、 光子

14、、熱、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等與表面的相互作用而得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)、表 面電子態(tài)、吸附物的品種、結(jié)合的類(lèi)型和成鍵的取向等信息。2.4 固體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器 (見(jiàn)激光)。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器， 也是世界上第一臺(tái)激光器。 固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵(lì)源、聚光腔、諧振腔反射鏡和 電源等部分構(gòu)成。激光器在軍事、加工、醫(yī)療和科學(xué)研究領(lǐng)域有廣泛 的用途。它常用于測(cè)距、跟蹤、制導(dǎo)、打孔、切割和焊接、半導(dǎo)體材 料退火、電子器件微加工、大氣檢測(cè)、光譜研究、外科和眼科手術(shù)、 等離子體診斷、脈沖全息照相以及激光核聚變等方面。 固體激光器還 用作可調(diào)諧染料激光器的激

15、勵(lì)源。固體激光器的發(fā)展趨勢(shì)是材料和器 件的多樣化，包括尋求新波長(zhǎng)和工作波長(zhǎng)可調(diào)諧的新工作物質(zhì)，提高激光器的轉(zhuǎn)換效率，增大輸出功率，改善光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度， 提高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命等。2.5 固體物理在其他方面的應(yīng)用(1)人工微結(jié)構(gòu)物理。(2)量子調(diào)控電子學(xué)。(3)微結(jié)構(gòu)材料。(4)軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。(5)微結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)和理論計(jì)算 。(6)基于微結(jié)構(gòu)的高新技術(shù)。(7)材料制備的物理基礎(chǔ)研究。3 .固體物理的前沿研究3.1 石墨烯納米結(jié)構(gòu)和納米器件研究石墨烯由于其獨(dú)特的狄拉克費(fèi)米子、 極高的載流子遷移率以及超 強(qiáng)的力學(xué)性能，已成為凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)等領(lǐng)域最近幾年來(lái)的一 個(gè)有趣結(jié)構(gòu)。在石墨

16、烯的二維結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低維度，形成例 如量子點(diǎn)，納米帶等納米結(jié)構(gòu)，從而可以導(dǎo)致一系列新的物理現(xiàn)象。 在石墨烯納米結(jié)構(gòu)中，邊緣態(tài)是石墨烯的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)， 大量的 物理現(xiàn)象與邊緣態(tài)相關(guān)。本報(bào)告報(bào)道我組最近兩年在石墨烯納米結(jié)構(gòu) 邊緣態(tài)控制、物性研究、以及原型器件探索方面的工作。報(bào)告主要內(nèi) 容包括：石墨烯的低溫外延生長(zhǎng)、石墨烯納米結(jié)構(gòu)的加工與物性、石 墨烯電子學(xué)器件等。3.2 高溫超導(dǎo)體的隧道譜研究銅氧化物高溫超導(dǎo)體從被發(fā)現(xiàn)至今， 已經(jīng)過(guò)去了二十多年，但是 對(duì)于它的機(jī)理卻沒(méi)有取得共識(shí)，一個(gè)核心的問(wèn)題就是它具有非常奇異 的正常態(tài)（多數(shù)情況下在欠摻雜區(qū)比較明顯）。由于震能隙的存在， 這個(gè)正常態(tài)很

17、難被朗道費(fèi)米液體理論所理解， 被認(rèn)為跟電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián) 特性相關(guān)。2018 年,另一類(lèi)高溫超導(dǎo)體一一鐵基超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)了， 這個(gè)新的體系與銅氧化物高溫超導(dǎo)體在物理性質(zhì)上有一定程度的相 似性，人們期望通過(guò)對(duì)它的研究來(lái)促進(jìn)對(duì)高溫超導(dǎo)電性的統(tǒng)一理解。 然而，隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的大量積累和人們認(rèn)識(shí)的不斷深入， 鐵基超導(dǎo)體 的機(jī)理又面臨著巡游電子圖像和強(qiáng)關(guān)聯(lián)圖像的矛盾。這個(gè)報(bào)告將介紹 高溫超導(dǎo)體的隧道譜方面的結(jié)果，對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究提出一些設(shè) 想。3.3 地震前兆信息的傳播、分布和探測(cè)用顆粒物理原理，提出了地震前兆信息傳播和分布新模型：地殼巖石層由板塊、斷層及其間斷層泥構(gòu)成，應(yīng)作為大尺度二維顆粒體系 處理，孕震作

18、用力使巖石層塊逐次發(fā)生滯滑(stick-slip)移動(dòng)，以力鏈形式分布和傳遞。給出了模型的依據(jù)和觀測(cè)例證，分析了與傳統(tǒng)連續(xù) 介質(zhì)觀念的本質(zhì)區(qū)別及其物理實(shí)質(zhì)。此模型可解釋若干以前無(wú)法理解 的地學(xué)現(xiàn)象和巖石中難以探測(cè)到地震前兆應(yīng)力的原因。介紹了有前景的地震前兆探測(cè)方法和原理。3.4 低維氧化物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光電物理研究由于摻雜鈣鈦礦氧化物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和電子關(guān)聯(lián)體系中 的多耦合性，以及人工設(shè)計(jì)的氧化物低維結(jié)構(gòu)由于界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等重要作用，使得該體系顯現(xiàn)出了許多優(yōu)于塊材的新型 物理性質(zhì)。在氧化物異質(zhì)p-n結(jié)中發(fā)現(xiàn)超快光電響應(yīng)的基礎(chǔ)上， 我們 最近發(fā)現(xiàn)了比單體系材料提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)的氧

19、化物異質(zhì)結(jié)中的 Dember光生伏特效，并在理論上揭示了傳統(tǒng)半導(dǎo)體p-n結(jié)界面電場(chǎng)主導(dǎo)的橫向光電效應(yīng)和 Dember光電效應(yīng)隨著光照能量變化而出現(xiàn) 競(jìng)爭(zhēng)的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程。而這些新型人工設(shè)計(jì)的氧化物異質(zhì)結(jié)由于界面 的存在所顯示出新效應(yīng)，新性能不僅具有成為新一代功能器件的前景， 它們背后所隱含的微觀物理機(jī)制，對(duì)現(xiàn)有的半導(dǎo)體中的載流子輸運(yùn)、 自旋極化、光電效應(yīng)等理論也提出了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。3.5 利用表面等離子體共振效應(yīng)在納米尺度上對(duì)光的調(diào)控表面等離子體共振是金屬納米結(jié)構(gòu)非常獨(dú)特的光學(xué)特性，對(duì)基于 表面等離子體共振的納米結(jié)構(gòu)體系的研究已形成了國(guó)際上迅猛發(fā)展的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，即表面等離子體光子學(xué)(Pl

20、asmonics )。金屬 納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體激發(fā)能夠產(chǎn)生非常特殊的光電性質(zhì)，例如， 微量的分子吸附就可以導(dǎo)致表面等離子體共振頻率的改變；一些特殊 的納米結(jié)構(gòu)也可導(dǎo)致局域光電場(chǎng)的顯著增強(qiáng)， 這使得所吸附分子的拉 曼散射強(qiáng)度增強(qiáng)幾個(gè)至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使表面拉曼光譜的探測(cè)靈 敏度達(dá)到單分子水平。表面等離子體光子學(xué)包含非常廣泛的研究?jī)?nèi)容。 隨著納米科學(xué)的發(fā)展，以表面等離子體共振為基礎(chǔ)的研究日益活躍， 并派生出眾多的研究分支，例如表面光電場(chǎng)增強(qiáng)、表面增強(qiáng)光譜、光 透射增強(qiáng)、表面等離子體納米波導(dǎo)、光學(xué)力增強(qiáng)、表面等離子體光催 化、表面增強(qiáng)的能量轉(zhuǎn)移及選擇性光吸收等等。 這些研究?jī)?nèi)容發(fā)展和 豐富了在

21、納米尺度上突破了光的衍射極限對(duì)光進(jìn)行調(diào)控的多種有效 手段，不僅具有重要的基礎(chǔ)研究意義，在光學(xué)器件的小型化方面也有 著重要的實(shí)用價(jià)值。本報(bào)告結(jié)合表面增強(qiáng)光譜的研究闡述如何利用金 屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振特性實(shí)現(xiàn)在納米尺度上對(duì)光強(qiáng)，光傳導(dǎo)和光偏振等光的基本特性的操控。4 .固體物理學(xué)的展望超高真空技術(shù)、表面能譜術(shù)、材料制備的新技術(shù)、同步輻射技術(shù)、 核物理技術(shù)、激光技術(shù)、光散射效應(yīng)、各種粒子束技術(shù)、電子顯微術(shù)、 穆斯堡爾效應(yīng)、磁共振技術(shù)等現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，使固體物理性質(zhì)的研 究不斷向深度和廣度發(fā)展。由于固體物理本身是微電子技術(shù)、 光電子 學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)。其發(fā)展趨勢(shì)是：由

22、 體內(nèi)性質(zhì)轉(zhuǎn)向研究表面有關(guān)的性質(zhì)；由三維體系轉(zhuǎn)到低維體系；由晶 態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)到非晶態(tài)物質(zhì)；由平衡態(tài)特性轉(zhuǎn)到研究瞬態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)、臨界 現(xiàn)象和相變；由完整晶體轉(zhuǎn)到研究晶體中的雜質(zhì)、缺陷和各種微結(jié)構(gòu)； 由普通晶體轉(zhuǎn)到研究超點(diǎn)陣的材料。這些基礎(chǔ)研究又將促進(jìn)新技術(shù)的 發(fā)展，給人們帶來(lái)實(shí)際利益。同時(shí)，固體物理學(xué)的成就和實(shí)驗(yàn)手段對(duì) 化學(xué)物理、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地學(xué)等的影響日益增長(zhǎng)，正在形成 新的交叉領(lǐng)域。5 .總結(jié)和感想本文分為四個(gè)部分概括性的對(duì)固體物理中晶體結(jié)構(gòu)以及其性質(zhì)， 做了簡(jiǎn)單介紹，并探討了固體物理的前沿研究現(xiàn)狀與一些應(yīng)用， 以及 固體物理今后的發(fā)展前景。簡(jiǎn)明扼要又不失重點(diǎn)，對(duì)各個(gè)部分詳略得 當(dāng)，短短數(shù)

23、語(yǔ)便勾勒出固體物理學(xué)的整個(gè)輪廓， 精辟的論述讓人興趣 頗厚，影響頗深。首先，第一部分，本文簡(jiǎn)單介紹了固體物理學(xué)的一些基礎(chǔ)知識(shí)。包括概述中就明確了固體物理學(xué)的研究對(duì)象即固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、 微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，及其相互關(guān)系的科學(xué)。同時(shí)提出一系列相關(guān)的問(wèn)題，激發(fā)起讀者往下讀的興趣，同時(shí)這些問(wèn) 題在后文一一作了回答。緊接著介紹了固體的一些重要性質(zhì)， 包括固 體相變、固體磁性、雜志、缺陷以及固體表面的相關(guān)內(nèi)容，正是由于 固體具有上述重要性質(zhì)，使得其存在廣泛的研究和應(yīng)用價(jià)值。然后， 簡(jiǎn)單介紹了晶體的相關(guān)概念和知識(shí)，包括晶體中格點(diǎn)、基元、原胞、 晶胞、魏格拉一賽茲原胞等概念和晶體中一些

24、重要性質(zhì)包括長(zhǎng)程有序、 各向異性、均勻性、自限性等概念的介紹，以及晶體按照不同分類(lèi)方 法的劃分和7種布拉菲晶系以及14種空間點(diǎn)陣類(lèi)型。其次，第二部分，本文開(kāi)始介紹對(duì)固體物理的一些應(yīng)用。其中包 括用固體材料制成的超導(dǎo)體、半導(dǎo)體物理、表面物理、固體激光器等。 我們知道，高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類(lèi)：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電 應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。具體而言，大電流 應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）主要包括超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和磁流體發(fā)電機(jī)，利用它們可 以大大提高發(fā)電效率。電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）主要包括超導(dǎo)磁體計(jì) 算機(jī)和超導(dǎo)輸電線路，超導(dǎo)磁體計(jì)算機(jī)由于不存在散熱問(wèn)題， 運(yùn)算速 度將大大提高；而超導(dǎo)輸電線路由于

25、沒(méi)有電能損耗， 可以為我們節(jié)約 大量的電能。抗磁性應(yīng)用主要包括磁懸浮列車(chē)和核聚變反應(yīng)堆“磁封 閉體”，其中，磁懸浮列車(chē)由于不存在摩擦阻力，運(yùn)行速度將大大提 高，每小時(shí)可達(dá)500km;核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”使受控核聚變 成為現(xiàn)實(shí)，從而使受控核聚變能源成為 21世紀(jì)前景廣闊的新能源。 相信在將來(lái)，若超導(dǎo)體材料的溫度能夠被再次大幅提高， 其應(yīng)用還將更加廣泛。而固體物理在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用也非常廣泛和重要， 半導(dǎo)體物理學(xué)作為固體物理的一個(gè)分支，其發(fā)展不僅使人們對(duì)半導(dǎo)體 有了深入的了解，而且由此而產(chǎn)生的各種半導(dǎo)體器件、 集成電路和半 導(dǎo)體激光器等已得到廣泛的應(yīng)用。表面物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為20世紀(jì)60年

26、代以后固體物理學(xué)中的一個(gè)重要而且發(fā)展極為迅速的領(lǐng)域。固 體激光器的發(fā)明大大提高了激光器的轉(zhuǎn)換效率， 增大輸出功率，改善 光束質(zhì)量，壓縮脈沖寬度，提高可靠性和延長(zhǎng)工作壽命等。除此之外， 固體物理在其他如人工微結(jié)構(gòu)物理、量子調(diào)控電子學(xué)、軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 和功能等本文未展開(kāi)介紹，感興趣的讀者可以查閱相關(guān)資料。然后，第三部分，本文介紹了固體物理的前沿研究領(lǐng)域，包括石 墨烯納米結(jié)構(gòu)和納米器件研究，高溫超導(dǎo)體的隧道譜研究，地震前兆 信息的傳播、分布和探測(cè)研究，低維氧化物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光電物理研 究，利用表面等離子體共振效應(yīng)在納米尺度上對(duì)光的調(diào)控研究等。相信這些研究成果的逐漸應(yīng)用必將給全人類(lèi)帶來(lái)利益。最后，第四部

27、分，本文對(duì)固體物理學(xué)作了展望。其發(fā)展趨勢(shì)是： 由體內(nèi)性質(zhì)轉(zhuǎn)向研究表面有關(guān)的性質(zhì)；由三維體系轉(zhuǎn)到低晶維體系； 由態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)到非晶態(tài)物質(zhì)；由平衡態(tài)特性轉(zhuǎn)到研究瞬態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)、臨 界現(xiàn)象和相變；由完整晶體轉(zhuǎn)到研究晶體中的雜質(zhì)、 缺陷和各種微結(jié) 構(gòu)；由普通晶體轉(zhuǎn)到研究超點(diǎn)陣的材料。 而這些基礎(chǔ)研究又將促進(jìn)新 技術(shù)的發(fā)展，給人們帶來(lái)實(shí)際利益，必將大大提高人類(lèi)生活水平。以上，對(duì)本文做了簡(jiǎn)單歸納，本文可以作為給即將上固體物理學(xué)這門(mén)課程的同學(xué)的入門(mén)引導(dǎo)文章，以便讓他們對(duì)整個(gè)固體物理有 一個(gè)大概的認(rèn)識(shí)和把握，激發(fā)他們學(xué)習(xí)固體物理學(xué)的濃厚興趣和 學(xué)好固體物理學(xué)的堅(jiān)定決心。那么，對(duì)于非物理專(zhuān)業(yè)的同學(xué)，應(yīng)該怎樣去學(xué)好固體

28、物理學(xué)這門(mén) 課程呢？首先，“課堂”和“課后”是學(xué)習(xí)任何一門(mén)基礎(chǔ)課的兩個(gè)重 要環(huán)節(jié)，對(duì)固體物理來(lái)說(shuō)也不例外。課堂上，我們認(rèn)為高效聽(tīng)講十分 必要，如何達(dá)到高效呢？我們聽(tīng)講要圍繞著老師的思路轉(zhuǎn)， 跟著老師 的問(wèn)題提示思考，同時(shí)又能提出一些自己不太明白的問(wèn)題。 對(duì)于老師 的一些分析，課本上沒(méi)有的，及時(shí)提筆標(biāo)注在書(shū)上相應(yīng)空白的地方， 便于自己看書(shū)時(shí)理解。課后，我們?cè)谕瓿勺鳂I(yè)之前應(yīng)該先仔細(xì)看書(shū)回 顧一下課堂內(nèi)容，再結(jié)合例題加深理解，然后動(dòng)筆做作業(yè)。除此之外， 我們認(rèn)為可以借助一些其他教材或輔導(dǎo)資料來(lái)擴(kuò)展我們的視野，不同教材分析問(wèn)題的角度可能不同，而且有些教材可能更符合我們自己的 思維方式，便于我們加深對(duì)原

29、理的理解?？傊n堂把握住重點(diǎn)與細(xì) 節(jié)，課后下功夫通過(guò)各種途徑來(lái)鞏固加深理解。第二，對(duì)固體物理的 學(xué)習(xí)，自己的腦海中一定要有幾種重要思想： 一是微積分等數(shù)學(xué)的思 想。固體物理不同與高中物理的一個(gè)重要特點(diǎn)就是公式推導(dǎo)定量表示 時(shí)廣泛運(yùn)用微分、積分的知識(shí)，因此，我們要轉(zhuǎn)變觀念，學(xué)會(huì)用微積 分的思想去思考問(wèn)題。二是矢量的思想。固體物理中大量的物理量的 表示都采用矢量，因此，我們要學(xué)會(huì)把物理量的矢量放到適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo) 系中分析，如直角坐標(biāo)系，平面極坐標(biāo)系，切法向坐標(biāo)系，球坐標(biāo)系， 柱坐標(biāo)系等。三是基本模型的思想。物理中分析問(wèn)題為了簡(jiǎn)化，常采 用一些理想的模型，善于把握這些模型，有利于加深理解。如力學(xué)中 剛體模型，熱學(xué)中系統(tǒng)模型，電磁學(xué)中點(diǎn)電荷、電流元、電偶極子、 磁偶極子模型等等。當(dāng)然，我們還可總結(jié)出一些其他重要思想。最后， 我們還要充分發(fā)揮自己的想象力、空間思維能力。對(duì)于有些模型，我 們可以制出實(shí)物來(lái)反映，通過(guò)視覺(jué)直觀感受，而固體物理中還存在大 量我們無(wú)法直觀反映的模型，因此就必須通過(guò)發(fā)揮自己的想象力來(lái)構(gòu) 造出來(lái)。由以上分析我們看到，學(xué)生在學(xué)習(xí)固體物理時(shí)，一不留神， 學(xué)習(xí)中便會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題、