固体物理绪论课件.ppt

1、固体分类固体分类 晶体晶体 原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序）原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序）天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶非晶体非晶体 原子的排列没有明确的周期性（短程有序）原子的排列没有明确的周期性（短程有序）玻璃、橡胶、塑料玻璃、橡胶、塑料准晶体准晶体 1984年年Shechtman用快速冷却方法制备的用快速冷却方法制备的AlMn 合金合金Crystal Structure of CaCO3Crystal Structureof YBaCuO绪绪 论论 一一 、固体物理的研究对象、固体物理的研究对象及其重要性简述及其

2、重要性简述 研究固体结构及其组成粒子研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子原子、离子、电子)之间之间 相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科 为多学科（力、热、电、光、原、冶金、材料等）提为多学科（力、热、电、光、原、冶金、材料等）提 供微观研究的基础；供微观研究的基础；高新技术发展的动力，如晶体管、超导体、固体激光高新技术发展的动力，如晶体管、超导体、固体激光 器（能量比气体激光器大）、通信、计算机、新材料器（能量比气体激光器大）、通信、计算机、新材料 等诸多领域等诸多领域 是物理学中最庞大，发展最迅速的应用科学，涉及范是物理学中最庞大，发展

3、最迅速的应用科学，涉及范 围广、研究层次多、问题错综复杂围广、研究层次多、问题错综复杂Shape of Snow Crystal05/16Be2O3 Crystal and Glass of Be2O3理想晶体理想晶体 内在结构完全规则的固体内在结构完全规则的固体_做完整晶体做完整晶体实际晶体实际晶体 固体中或多或少地存在有不规则性，在规则固体中或多或少地存在有不规则性，在规则 排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体 电子衍射图中具有五重对称电子衍射图中具有五重对称 的斑点分布的斑点分布 介于晶体和非晶体之间的新介于晶体和非晶体之间的新 的状态的状态 准晶态准

4、晶态二、二、固体物理的发展过程固体物理的发展过程概述概述 晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间晶体规则的几何形状和对称性与其它物理性质之间 有一定联系有一定联系;晶体外形的规则性是内部规则性的反映晶体外形的规则性是内部规则性的反映 十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的十七世纪惠更斯以椭球堆积的模型来解释方解石的 双折射性质和解理面双折射性质和解理面 十八世纪，阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平十八世纪，阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平 行六面形的小行六面形的小基石基石”有规则地重复堆集而成的有规则地重复堆集而成的 十九世纪中叶，布拉伐发展了空间点阵学说概括了晶十九世纪中叶，布

5、拉伐发展了空间点阵学说概括了晶 格周期性的特征格周期性的特征 十九世纪末叶，十九世纪末叶，费多洛夫费多洛夫，熊夫利熊夫利、巴罗巴罗等独立地发等独立地发 展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据究晶体结构的规律提供了理论依据 描述晶体比热描述晶体比热_杜隆珀替杜隆珀替定律定律 描述金属导热和导电性质的描述金属导热和导电性质的魏德曼佛兰兹魏德曼佛兰兹定律定律 二十世纪初二十世纪初特鲁德特鲁德和和洛伦兹洛伦兹建立了经典金属自由电子建立了经典金属自由电子 论，对固体认识进入一个新的阶段论，对固体认识进入一个新的阶段 1

6、912年，年，劳厄劳厄指出晶体可以作为指出晶体可以作为X射线的衍射光栅射线的衍射光栅 爱因斯坦爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论 费米费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向过程指出了方向 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学10/16 量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程 固体能带论说明了导体与绝

7、缘体的区别，并断定有固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间一类固体，其导电性质介于两者之间_半导体半导体 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管出现并制成了晶体三极管_ 产生了半导体物理产生了半导体物理 1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器 件不断地提出新要求件不断地提出新要求三、三、固体物理的学科领域固体物理的学科领域 高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体高纯度的完整晶体、杂质、缺陷对金属、半导体 电介质、磁性材料

8、以及其它固体材料性能的影响电介质、磁性材料以及其它固体材料性能的影响 一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质 发光等材料的各种性质发光等材料的各种性质 强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下 材料表现出的各种现象材料表现出的各种现象 探索新材料和设计新器件探索新材料和设计新器件 超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论超导理论、多体理论、非晶态理论、表面理论 光与物质相互作用等光与物质相互作用等 发展制备材料和器件的新工艺和新理论发展制备材料和器件的新工艺和新理论 固体物理学负担着重大的理论课题固体物理学负

9、担着重大的理论课题固体物理领域固体物理领域金金属属物物理理半半导导体体物物理理晶晶体体物物理理磁磁学学电电介介质质物物理理液液晶晶物物理理固固体体发发光光超超导导体体物物理理固固态态电电子子学学固固态态光光电电子子学学固固体体光光谱谱强强关关联联物物理理纳纳米米物物理理表表面面物物理理介介观观物物理理四、近四、近1010年来的诺贝尔物理学奖情况年来的诺贝尔物理学奖情况 20002000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克克基尔比（

10、美国）发明集成电路基尔比（美国）发明集成电路阿尔费罗夫（俄国）阿尔费罗夫（俄国）克罗默（德国）克罗默（德国）阿尔费罗夫用克罗默的理论，阿尔费罗夫用克罗默的理论，于于19661966年研制出第一个实用的年研制出第一个实用的异型结构电子器件。之后，他异型结构电子器件。之后，他们制作了第一支异型结构激光们制作了第一支异型结构激光二极管，使光纤通信成为可能，二极管，使光纤通信成为可能，并逐步用于通讯卫星、条码阅并逐步用于通讯卫星、条码阅读机、手提电话等领域。杰克读机、手提电话等领域。杰克.基尔比发明第一颗积体（集成）基尔比发明第一颗积体（集成）电路电路IC IC 杰克杰克基尔基尔比（美国比（美国）20

11、19年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔E维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就 在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，但在非常低的在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，表示原来温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，表示原来不同状态的原子突然不同状态的原子突然“凝聚凝聚”到同一状态。到同一状态。20192019年年6 6月，两月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻色

12、原子蒸气中第一次直接观测到了玻色-爱因斯坦凝聚态。爱因斯坦凝聚态。2019年：雷蒙德戴维斯、里卡尔多贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙射线源”方面的成就。雷蒙德戴维斯小柴昌俊里卡尔多贾科尼20192019年：阿列克谢年：阿列克谢阿布里科索夫、安东尼阿布里科索夫、安东尼莱格特莱格特（美国）、维塔利（美国）、维塔利金茨堡（俄罗斯）金茨堡（俄罗斯）“表彰三人在表彰三人在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。”阿列克谢阿列克谢阿布里科索夫阿布里科索夫 安东尼安东尼莱格特莱格特维塔利维

13、塔利金茨堡金茨堡阿布里科索夫发现超导和强大的磁场可同时存在：使超导成阿布里科索夫发现超导和强大的磁场可同时存在：使超导成为非同质的，让磁力线在涡流中以集束形式穿过超导体。这为非同质的，让磁力线在涡流中以集束形式穿过超导体。这一理论指出了一理论指出了型超导体的存在。这种材料可用来制造医疗型超导体的存在。这种材料可用来制造医疗器械，还可以广泛用于物理研究中的粒子加速器。器械，还可以广泛用于物理研究中的粒子加速器。20192019年：戴维年：戴维格罗斯（美国）、戴维格罗斯（美国）、戴维普利策普利策（美国）和弗兰克（美国）和弗兰克维尔泽克（美国），为表彰他维尔泽克（美国），为表彰他们们“对量子场中夸克

14、渐进自由的发现。对量子场中夸克渐进自由的发现。”构建适构建适用于所有物质的用于所有物质的“万有理论万有理论”。戴维戴维格罗斯格罗斯戴维戴维普利策普利策弗兰克弗兰克维尔泽克维尔泽克20192019年：罗伊年：罗伊格劳伯（美国）表彰他对光学相干的量子理论格劳伯（美国）表彰他对光学相干的量子理论的贡献；约翰的贡献；约翰霍尔（霍尔（John L.HallJohn L.Hall，美国）和特奥多尔，美国）和特奥多尔亨亨施（德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。施（德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。罗伊罗伊格劳伯格劳伯约翰约翰霍尔霍尔特奥多尔特奥多尔亨施亨施20192019年

15、：年：约翰约翰马瑟（美国）和乔治马瑟（美国）和乔治斯穆特（美国）斯穆特（美国）表表彰他们发现了黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象。彰他们发现了黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象。约翰约翰马瑟马瑟乔治乔治斯穆特斯穆特他们的发现为宇宙的起源提供了第一个清楚的认识，支持他们的发现为宇宙的起源提供了第一个清楚的认识，支持了大爆炸假说。他们发现了宇宙微波背景辐射的各向异性，了大爆炸假说。他们发现了宇宙微波背景辐射的各向异性，使人们有可能明白地了解象星系、星体这样的结构是如何使人们有可能明白地了解象星系、星体这样的结构是如何从各向均匀的大爆炸中产生，而这是宇宙学中最令人着迷从各向均匀的大爆炸中产生，而

16、这是宇宙学中最令人着迷的迷题之一。大爆炸之后的各向异性，作用于星系的发展，的迷题之一。大爆炸之后的各向异性，作用于星系的发展，形成今天这个状态。形成今天这个状态。20192019年：法国科学家艾尔伯年：法国科学家艾尔伯费尔和德国科学家皮费尔和德国科学家皮特特克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。克鲁伯格，表彰他们发现巨磁电阻效应的贡献。艾尔伯艾尔伯费尔费尔皮特皮特克鲁伯格克鲁伯格巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。被用于开发研制之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。被用于开发研制用于硬磁盘的体

17、积小而灵敏的数据读出头（用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read HeadRead Head）。）。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。20192019年：日本科学家南部阳一郎，表彰他发现了亚年：日本科学家南部阳一郎，表彰他发现了亚原子物理的对称性自发破缺机制。日本物理学家小原子物理的对称性自发破缺机制。日本物理学家小林诚，益川敏英提出了对称性破坏的物理机制，并林诚，益川敏英提出了对称性破坏的物理机制，并成功预言了自然界至少三类夸克的存在。成功预言了

18、自然界至少三类夸克的存在。南部阳一郎南部阳一郎小林诚小林诚益川敏英益川敏英20092009年：英国籍华裔物理学家高锟因为年：英国籍华裔物理学家高锟因为“在光学通信领域在光学通信领域中光的传输的开创性成就中光的传输的开创性成就”而获奖；美国物理学家韦拉而获奖；美国物理学家韦拉德德博伊尔（博伊尔（Willard S.BoyleWillard S.Boyle）和乔治）和乔治史密斯（史密斯（George George E.SmithE.Smith）因）因“发明了成像半导体电路发明了成像半导体电路电荷藕合器件图电荷藕合器件图像传感器像传感器CCD”CCD”获此殊荣。获此殊荣。五、五、固体物理的研究方法固

19、体物理的研究方法 固体物理是一门实验性学科固体物理是一门实验性学科 为阐明固体表现出的现为阐明固体表现出的现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论固体是一个复杂的客体固体是一个复杂的客体 每一立方米中包含有约每一立方米中包含有约10102929个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强个原子、电子，而且它们之间的相互作用相当强固体的宏观性质固体的宏观性质 就是大量粒子之间的相互作用和集就是大量粒子之间的相互作用和集体运动的总表现体运动的总表现1.根据晶体中原子规则排列特点，建立晶格动力学理论，根据晶体中原子规则排列特点，建立晶格动力学理

20、论，引入声子的概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱引入声子的概念，阐明了固体的低温比热和中子衍射谱2.金属的研究金属的研究 抽象出电子公有化的概念，再用单电抽象出电子公有化的概念，再用单电子近似的方法建立能带理论子近似的方法建立能带理论3.物质的铁磁性物质的铁磁性 研究了电子与声子的相互作用，阐研究了电子与声子的相互作用，阐明低温磁化强度随温度变化的规律明低温磁化强度随温度变化的规律4.超导的理论超导的理论 研究电子和声子的相互作用，形成库研究电子和声子的相互作用，形成库柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变柏电子对，库柏对的凝聚表现为超导电相变1.人造材料、超晶格半导体、人造材料、超晶格半

21、导体、MBE、CVO等等2.量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化量子霍尔效应：电势差按量子变化而非连续变化3.降维效应：三维降维效应：三维二维二维一维一维零维（量子点）零维（量子点）4.电荷密度波、自旋密度波电荷密度波、自旋密度波六、固体物理学领域的一些重要进展六、固体物理学领域的一些重要进展 5.无序：等效介质无序：等效介质+微扰微扰6.混合原子价混合原子价7.3He的超流相（低温下流动无阻力）的超流相（低温下流动无阻力）8.重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）重整化群的方法（处理多体问题、相变、临界点等）9.混沌现象混沌现象10.同步辐射同步辐射11.原子显微镜、原子探针原

22、子显微镜、原子探针12.金属氢（金属氢（T20k,液态；液态；T14k，固态；常温下加压也，固态；常温下加压也 可为固态）可为固态）储氢材料储氢材料13.氧化物超导体（氧化物超导体（86年诺贝尔奖）（中国的最高温超导年诺贝尔奖）（中国的最高温超导 为为90K）14.分形和分维（自相似）分形和分维（自相似）15.准晶（晶体准晶（晶体长程有序，准晶长程有序，准晶有短程序、无长有短程序、无长 程序）（急冷方式获得）程序）（急冷方式获得）16.细小体系、团簇、细小体系、团簇、C60、介观物理、介观物理17.有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性）有机导体、高分子材料（具有掺杂导电性）18.非线性、非平衡

23、、孤子、突变、湍流非线性、非平衡、孤子、突变、湍流19.量子计算机，由量子态控制（传统计算机由量子计算机，由量子态控制（传统计算机由0、1控制控制）20.超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、超硬材料，如导电性极强的金刚石半导体，性能稳定、寿命长、结构好（法国）寿命长、结构好（法国）21.分子开关（利用分子组合来操纵开关）分子开关（利用分子组合来操纵开关）22.碳纳米管碳纳米管23.生物物理（蛋白质、生物物理（蛋白质、DNA等）等）24.软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆软凝聚态物质（生物体、胶体、各种细小颗粒、沙堆 模型等）模型等）25.纳米材料纳米材料26.Bose-

24、Einstein凝聚凝聚固体物理学参考书目1.固体物理学固体物理学 黄昆黄昆 韩汝琪，高等教育出版社韩汝琪，高等教育出版社2.Introduction to Solid State PhysicsSeventh Edition CHARLES KITTEKL,John Wiley3.固体物理学固体物理学 方俊鑫方俊鑫 陆栋陆栋,上海科学技术出版社上海科学技术出版社 4.固体物理学固体物理学 顾秉林顾秉林 王喜昆，清华大学出版社王喜昆，清华大学出版社 5.固体物理学固体物理学学习参考书学习参考书 陈金富，高等教育出版社陈金富，高等教育出版社6.固体物理基础固体物理基础 阎守胜，北京大学出版社阎守胜，北京大学出版社7.固体能带理论固体能带理论 谢希德谢希德 陆栋，复旦大学出版社陆栋，复旦大学出版社