固體物理基礎(chǔ)教學(xué)課件

1、固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理基礎(chǔ)固體物理基礎(chǔ)黃靖云黃靖云 & & 王王 勇勇硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，材料科學(xué)與工程學(xué)系固體物理基礎(chǔ)教學(xué)授課信息授課信息講課講課黃靖云黃靖云 曹樓曹樓331 331 電話：電話：8795211887952118Email：個(gè)人主頁(yè)：個(gè)人主頁(yè)：http:/.cn/jingyunhuang助教助教趙明崗趙明崗 曹樓曹樓342342Email：固體物理基礎(chǔ)教學(xué)課程特點(diǎn)課程特點(diǎn)理解基本的物理概念理解基本的物理概念弄清基本的物理圖像弄清基本的物理圖像以上課所講以上課所講PPTPPT內(nèi)容為主內(nèi)容為主不管公式的推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)物理的邏輯不管公式的推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)物理的邏輯考試：考

2、試：期末期末7070作業(yè)作業(yè)2020考勤考勤1010固體物理基礎(chǔ)教學(xué)授課安排授課安排l 緒論及晶體結(jié)構(gòu)（緒論及晶體結(jié)構(gòu)（3 3次課）次課）l 固體的結(jié)合固體的結(jié)合 （1 1次課）次課）l 晶格振動(dòng)晶格振動(dòng) （2 2次課）次課）l 能帶論（能帶論（1 1次課）次課）l 半導(dǎo)體電子論（半導(dǎo)體電子論（4 4次課）次課）l 固體的磁性和超導(dǎo)電性（固體的磁性和超導(dǎo)電性（2 2次課）次課）l 量子霍爾效應(yīng)專題（量子霍爾效應(yīng)專題（1 1次課）次課）l 固體物理前沿?zé)狳c(diǎn)研究講座（固體物理前沿?zé)狳c(diǎn)研究講座（1 1次課）次課）l 復(fù)習(xí)答疑（復(fù)習(xí)答疑（1 1次課）次課）固體物理基礎(chǔ)教學(xué)參考書目參考書目黃昆原著，韓汝

3、琦改編，黃昆原著，韓汝琦改編，固體物理學(xué)固體物理學(xué)，高，高等教育出版社等教育出版社方俊鑫，陸棟主編，方俊鑫，陸棟主編，固體物理學(xué)固體物理學(xué)，上?？?，上海科學(xué)技術(shù)出版社學(xué)技術(shù)出版社C. C. 基泰爾著，項(xiàng)金鐘，吳興惠譯基泰爾著，項(xiàng)金鐘，吳興惠譯固體物理固體物理導(dǎo)論導(dǎo)論（原著第八版），化學(xué)工業(yè)出版社（原著第八版），化學(xué)工業(yè)出版社N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid State Physics, 世界圖書出版公司世界圖書出版公司固體物理基礎(chǔ)教學(xué)第一講第一講 緒論緒論固體物理基礎(chǔ)教學(xué)前言前言- -固體物理的偉大成就固體物理的偉大成就19561956年：布拉頓、巴丁（

4、猶太人）、肖克利（美國(guó)）發(fā)明晶體管及對(duì)晶體管效應(yīng)的研究年：布拉頓、巴?。íq太人）、肖克利（美國(guó)）發(fā)明晶體管及對(duì)晶體管效應(yīng)的研究19621962年：達(dá)維多維奇年：達(dá)維多維奇朗道（蘇聯(lián)）關(guān)于凝聚態(tài)物質(zhì)，特別是液氦的開創(chuàng)性理論朗道（蘇聯(lián)）關(guān)于凝聚態(tài)物質(zhì)，特別是液氦的開創(chuàng)性理論1972年：巴丁、庫(kù)柏、施里弗（美國(guó)）創(chuàng)立BCS超導(dǎo)微觀理論19731973年：江崎玲于奈（日本）發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體隧道效應(yīng)；賈埃弗（美國(guó)）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體隧道效應(yīng)；約瑟夫森（英國(guó)）提出并發(fā)現(xiàn)通過(guò)隧道勢(shì)壘的超年：江崎玲于奈（日本）發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體隧道效應(yīng)；賈埃弗（美國(guó)）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體隧道效應(yīng)；約瑟夫森（英國(guó)）提出并發(fā)現(xiàn)通過(guò)隧道勢(shì)壘的超電流的性質(zhì)，即約瑟

5、夫森效應(yīng)電流的性質(zhì)，即約瑟夫森效應(yīng)19771977年：安德森、范弗萊克（美國(guó)）、莫特（英國(guó)）對(duì)磁性和無(wú)序體系電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性研究年：安德森、范弗萊克（美國(guó)）、莫特（英國(guó)）對(duì)磁性和無(wú)序體系電子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性研究19851985年：馮年：馮克里津（德國(guó)）發(fā)現(xiàn)量子霍耳效應(yīng)并開發(fā)了測(cè)定物理常數(shù)的技術(shù)克里津（德國(guó)）發(fā)現(xiàn)量子霍耳效應(yīng)并開發(fā)了測(cè)定物理常數(shù)的技術(shù)19861986年：魯斯卡（德國(guó)）設(shè)計(jì)第一臺(tái)透射電子顯微鏡；比尼格（德國(guó)）、羅雷爾（瑞士）設(shè)計(jì)第一臺(tái)掃描隧道電子顯微鏡年：魯斯卡（德國(guó)）設(shè)計(jì)第一臺(tái)透射電子顯微鏡；比尼格（德國(guó)）、羅雷爾（瑞士）設(shè)計(jì)第一臺(tái)掃描隧道電子顯微鏡19871987年：柏德諾茲（德國(guó)

6、）、繆勒（瑞士）發(fā)現(xiàn)氧化物高溫超導(dǎo)材料年：柏德諾茲（德國(guó)）、繆勒（瑞士）發(fā)現(xiàn)氧化物高溫超導(dǎo)材料19981998年：勞克林、霍斯特年：勞克林、霍斯特路德維希路德維希施特默、崔琦（美國(guó)）發(fā)現(xiàn)并研究電子的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)施特默、崔琦（美國(guó)）發(fā)現(xiàn)并研究電子的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)20002000年：阿爾費(fèi)羅夫（俄國(guó)）、克羅默（德國(guó)）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；杰克年：阿爾費(fèi)羅夫（俄國(guó)）、克羅默（德國(guó)）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；杰克基爾比（美國(guó)）基爾比（美國(guó)）發(fā)明集成電路發(fā)明集成電路20012001年：克特勒（德國(guó)）、康奈爾、卡爾年：克特勒（德

7、國(guó)）、康奈爾、卡爾EE維曼（美國(guó)）在堿金屬原子稀薄氣體的玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)以及凝聚態(tài)物質(zhì)性質(zhì)早期基本性維曼（美國(guó)）在堿金屬原子稀薄氣體的玻色愛(ài)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)研究方面的成就質(zhì)研究方面的成就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（美國(guó)）、維塔利萊格特（美國(guó)）、維塔利金茨堡（俄羅斯）在超導(dǎo)體和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)金茨堡（俄羅斯）在超導(dǎo)體和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)20072007年：艾爾伯年：艾爾伯費(fèi)爾（法國(guó)）和皮特費(fèi)爾（法國(guó)）和皮特克魯伯格（德國(guó)）發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)克魯伯格（德國(guó)）發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)20092009年

8、：高錕（美籍華裔）在光學(xué)通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就；韋拉德年：高錕（美籍華裔）在光學(xué)通信領(lǐng)域中光的傳輸?shù)拈_創(chuàng)性成就；韋拉德博伊爾喬治博伊爾喬治史密斯（美國(guó)）史密斯（美國(guó)） 發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路發(fā)明了成像半導(dǎo)體電路電荷藕合器件圖像傳感器電荷藕合器件圖像傳感器CCDCCD20102010年：安德烈年：安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫（英國(guó)）在石墨烯實(shí)驗(yàn)作出了杰出的貢獻(xiàn)諾沃肖洛夫（英國(guó)）在石墨烯實(shí)驗(yàn)作出了杰出的貢獻(xiàn)20112011年：達(dá)尼埃爾年：達(dá)尼埃爾謝赫特曼（以色列）發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶。謝赫特曼（以色列）發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶。固體物理領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)的工作固體物理領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)的工作固體物理基礎(chǔ)教學(xué)

9、黃昆簡(jiǎn)介（黃昆簡(jiǎn)介（1919-20051919-2005） 中國(guó)固體物理與半導(dǎo)體物理先驅(qū)中國(guó)固體物理與半導(dǎo)體物理先驅(qū) 20012001國(guó)家最高科技獎(jiǎng)國(guó)家最高科技獎(jiǎng) 寫入教科書：黃散射，聲子極化激元及黃昆方程，寫入教科書：黃散射，聲子極化激元及黃昆方程，Huang-Rhys Huang-Rhys 多聲子無(wú)輻射躍遷理論多聲子無(wú)輻射躍遷理論 與量子力學(xué)創(chuàng)始人之一與量子力學(xué)創(chuàng)始人之一M. BornM. Born合著經(jīng)典著作合著經(jīng)典著作晶格動(dòng)力學(xué)晶格動(dòng)力學(xué)固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體定義固體定義u 固體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體固體是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。與液體和氣體相比固體有比較固定的體積和形狀

10、、質(zhì)地比較堅(jiān)硬。有比較固定的體積和形狀、質(zhì)地比較堅(jiān)硬。u 研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子（離子、電子）之間的研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成粒子（離子、電子）之間的相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以闡明其宏觀性能和用途。相互作用與運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以闡明其宏觀性能和用途。u 固體的物理性質(zhì)和規(guī)律由什么決定？固體的物理性質(zhì)和規(guī)律由什么決定？* * 由組成固體的原子成分？比如，金剛石、石墨、由組成固體的原子成分？比如，金剛石、石墨、C60C60固體都由固體都由碳原子組成，但它們物理性質(zhì)完全不同！碳原子組成，但它們物理性質(zhì)完全不同！* * 金剛石、石墨、金剛石、石墨、C60C60固體究竟有何不同？（原子排布結(jié)構(gòu)）固體究竟有何不同？（

11、原子排布結(jié)構(gòu)）u 必須在微觀尺度上來(lái)研究固體：固體中原子的排布必須在微觀尺度上來(lái)研究固體：固體中原子的排布固體中的原子在其平衡位置附近作微小振動(dòng)（微觀定義）固體中的原子在其平衡位置附近作微小振動(dòng)（微觀定義）u 固體宏觀物理性質(zhì)由所組成原子的固體宏觀物理性質(zhì)由所組成原子的化學(xué)成份化學(xué)成份和和排列結(jié)排列結(jié)構(gòu)構(gòu)共同決定！共同決定！固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體研究中的關(guān)鍵性問(wèn)題固體研究中的關(guān)鍵性問(wèn)題u 用經(jīng)典理論還是量子理論？用經(jīng)典理論還是量子理論？一般宏觀的用經(jīng)典，微觀用量子一般宏觀的用經(jīng)典，微觀用量子u 如何描寫原子與電子及電子與電子間的相互作用？如何描寫原子與電子及電子與電子間的相互作用？* * 多體問(wèn)

12、題（凝聚態(tài)物理難題）多體問(wèn)題（凝聚態(tài)物理難題）* * 很多近似，假定，簡(jiǎn)化處理很多近似，假定，簡(jiǎn)化處理u 如何處理如何處理10102323/cm/cm3 3量級(jí)的粒子數(shù)？量級(jí)的粒子數(shù)？晶體的周期性結(jié)構(gòu)晶體的周期性結(jié)構(gòu)u 主要研究主要研究晶體晶體（具有周期性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)）（具有周期性結(jié)構(gòu)的物質(zhì)）固體物理研究首先選擇晶體作為研究對(duì)象來(lái)研究固固體物理研究首先選擇晶體作為研究對(duì)象來(lái)研究固體中電子和原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究非晶體中電子和原子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上研究非晶固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體研究對(duì)象固體研究對(duì)象u 晶體：原子排列長(zhǎng)程有序（水晶，巖鹽，金剛石）晶體：原子排列長(zhǎng)程有序（水晶，巖鹽，金剛石）

13、u 非晶：原子排列短程有序（松香，橡膠，石蠟）非晶：原子排列短程有序（松香，橡膠，石蠟）u 準(zhǔn)晶：晶體與非晶之間，準(zhǔn)晶：晶體與非晶之間，5 5次對(duì)稱等特性（次對(duì)稱等特性（AlMnAlMn）u 證據(jù)：證據(jù)：X X射線衍射，透射電子顯微鏡射線衍射，透射電子顯微鏡晶體（規(guī)則點(diǎn)陣）晶體（規(guī)則點(diǎn)陣）非晶（短程有序）非晶（短程有序）固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體研究對(duì)象固體研究對(duì)象- -準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶u 19841984，Daniel ShechtmanDaniel Shechtman發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)AlMnAlMn合金五重對(duì)稱合金五重對(duì)稱u 1985, 1985, 郭可信，張澤郭可信，張澤: Ti-Ni-V: Ti-Ni-V合

14、金合金u 20112011，NobelNobel化學(xué)獎(jiǎng)（準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了以化學(xué)獎(jiǎng)（準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了以往化學(xué)家對(duì)物體的構(gòu)想）往化學(xué)家對(duì)物體的構(gòu)想）u 不具平移周期對(duì)稱性而取向長(zhǎng)程有序的晶體不具平移周期對(duì)稱性而取向長(zhǎng)程有序的晶體固體物理基礎(chǔ)教學(xué)u Penrose圖案（英國(guó)數(shù)學(xué)家圖案（英國(guó)數(shù)學(xué)家Roger PenroseRoger Penrose）u 胖瘦菱形拼圖（內(nèi)角胖瘦菱形拼圖（內(nèi)角3636度，度，144144度，度，7272度和度和108108度）度）胖瘦菱形數(shù)量之比正好是胖瘦菱形數(shù)量之比正好是T T（黃金分割數(shù)（黃金分割數(shù)1.6181.618）固體研究對(duì)象固體研究對(duì)象- -準(zhǔn)

15、晶準(zhǔn)晶NoImage固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理發(fā)展歷程固體物理發(fā)展歷程u 1717世紀(jì)，惠更斯：橢球堆積模型解釋方解石的雙折世紀(jì)，惠更斯：橢球堆積模型解釋方解石的雙折射和解理面射和解理面u 1818世紀(jì)，阿羽衣：理論推斷晶體幾何外形是晶體中世紀(jì)，阿羽衣：理論推斷晶體幾何外形是晶體中原子分子排列的結(jié)果原子分子排列的結(jié)果u 1919世紀(jì)中葉，布拉菲：空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)，概括晶格周世紀(jì)中葉，布拉菲：空間點(diǎn)陣學(xué)說(shuō)，概括晶格周期性期性u(píng) 1919世紀(jì)末，費(fèi)多洛夫，熊夫利等獨(dú)立發(fā)展晶體微觀世紀(jì)末，費(fèi)多洛夫，熊夫利等獨(dú)立發(fā)展晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)理論體系幾何結(jié)構(gòu)理論體系晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理發(fā)展歷程固體

16、物理發(fā)展歷程u 1919世紀(jì)末，經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：杜隆世紀(jì)末，經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：杜隆- -珀替定律（晶體比熱）珀替定律（晶體比熱），魏德曼，魏德曼- -佛蘭茲定律（金屬導(dǎo)熱導(dǎo)電）佛蘭茲定律（金屬導(dǎo)熱導(dǎo)電）u 2020世紀(jì)初，特魯?shù)率兰o(jì)初，特魯?shù)?& &洛侖茲洛侖茲: :金屬自由電子論金屬自由電子論u 19121912，勞厄：，勞厄：X X射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)，證實(shí)空間群射線衍射研究晶體結(jié)構(gòu)，證實(shí)空間群理論理論u 1920s: 1920s: 量子力學(xué)理論建立：晶格振動(dòng)理論，索末量子力學(xué)理論建立：晶格振動(dòng)理論，索末菲固體量子論，費(fèi)米統(tǒng)計(jì)理論菲固體量子論，費(fèi)米統(tǒng)計(jì)理論u 1930s: 1930s:

17、能帶理論，晶格動(dòng)力學(xué)。闡明了固體微觀能帶理論，晶格動(dòng)力學(xué)。闡明了固體微觀導(dǎo)電機(jī)理，解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別導(dǎo)電機(jī)理，解釋了導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別物理規(guī)律物理規(guī)律固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理發(fā)展歷程固體物理發(fā)展歷程u 1940-50s1940-50s：Ge, SiGe, Si晶體出現(xiàn)，半導(dǎo)體物理學(xué)科產(chǎn)生，是晶體出現(xiàn)，半導(dǎo)體物理學(xué)科產(chǎn)生，是固體物理一大飛躍。此后，電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展固體物理一大飛躍。此后，電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展u 1960s:1960s:固體物理實(shí)驗(yàn)工作重大發(fā)展，大型高速計(jì)算機(jī)應(yīng)固體物理實(shí)驗(yàn)工作重大發(fā)展，大型高速計(jì)算機(jī)應(yīng)用于理論計(jì)算用于理論計(jì)算u 1960s:

18、1960s: 激光技術(shù)和低溫技術(shù)激光技術(shù)和低溫技術(shù)u 1970s1970s以來(lái)以來(lái): : 復(fù)雜低維體系的設(shè)計(jì)和制備（如量子阱、復(fù)雜低維體系的設(shè)計(jì)和制備（如量子阱、納米結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)等），先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展（如電鏡、納米結(jié)構(gòu)、量子點(diǎn)等），先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展（如電鏡、表面分析技術(shù)），推動(dòng)固體物理向縱深發(fā)展（準(zhǔn)晶）表面分析技術(shù)），推動(dòng)固體物理向縱深發(fā)展（準(zhǔn)晶）飛躍發(fā)展飛躍發(fā)展固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理研究?jī)?nèi)容固體物理研究?jī)?nèi)容p 金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料、發(fā)光材料金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料、發(fā)光材料p 完整晶體完整晶體vsvs缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)p 一般條件一般條件vsvs極端條件（低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)激發(fā)極端條件（低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)激發(fā))p 發(fā)展新理論發(fā)展新理論vsvs新材料、新器件新材料、新器件p 理論：非晶態(tài)理論、多體理論、超導(dǎo)理論、表面理理論：非晶態(tài)理論、多體理論、超導(dǎo)理論、表面理論、光與物質(zhì)相互作用理論論、光與物質(zhì)相互作用理論金屬為什么柔韌性好？玻璃為什么很脆？金剛石為金屬為什么柔韌性好？玻璃為什么很脆？金剛石為什么硬而石墨為什么軟什么硬而石墨為什么軟固體物理基礎(chǔ)教學(xué)固體物理子學(xué)科固體物理子學(xué)科u 金屬物理金屬物理u 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理u 晶體物理和晶