固體物理CH0-1引言固體物理基本內(nèi)容與其發(fā)展

固體物理CH0-1引言固體物理基本內(nèi)容與其發(fā)展第一頁，共47頁。教材:

固體物理學(xué)─

陸棟蔣平徐至中<上?？萍汲霭嫔?gt;參考書:1.

固體物理學(xué)

黃昆韓汝琦<高教出版社> (西歐)2.固體物理基礎(chǔ)

閻守勝 <北京大學(xué)出版社> (北美)3.固體物理學(xué)

顧秉林王喜坤<清華大學(xué)出版社>4.

IntroductiontoSolidStatePhysics─EighthEdition

[美]CharlesKittel(UCBerkeley)(西部)5.

SolidStatePhysics

[美]N.W.AshcroftN.D.Mermin(CornelUniversity) (東部)6.

計(jì)算固體物理學(xué)鄒憲武金準(zhǔn)智<武漢大學(xué)出版社>習(xí)題集:1.固體物理學(xué)習(xí)題解答 徐至中<上海科技出版社>2.固體物理學(xué)習(xí)題指導(dǎo)

劉友之<高教出版社>3.固體物理學(xué)概念和習(xí)題指導(dǎo)

王嶺奉<山東大學(xué)出版社>第二頁，共47頁。學(xué)習(xí)內(nèi)容:第0章緒論第一章全部 (習(xí)題與答疑)第二章1-4,5-6(自學(xué)并答題)(習(xí)題與答疑)(測驗(yàn))

第三章概講第四章全部 (習(xí)題與答疑)(測驗(yàn))第五章略 第六章1-3,4-6(簡介) (習(xí)題與答疑)第七章全部 (習(xí)題與答疑)

(考試)WuhanUniversity第三頁，共47頁。成績組成:一.測驗(yàn)考試80% 1.第一、二章測驗(yàn) 5-10% 2.第三、四章測驗(yàn) 5-10% 3.期末全部內(nèi)容考試 60-70%二.平時behaviors30--40% 1.作業(yè) 10%2.互動 10% 第四頁，共47頁。第0章序論什么是固體物理學(xué)固體物理學(xué)的特點(diǎn)、基本內(nèi)容固體物理學(xué)的發(fā)展第五頁，共47頁?！?-1

什么是固體物理學(xué)物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)， 基本相互作用 基本運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。固體物理學(xué) 什么是物理學(xué)什么是固體一．什么是物理學(xué):第六頁，共47頁。◆是其他自然學(xué)科的基礎(chǔ)；◆是高新技術(shù)革命性源泉；（機(jī)械、電氣、電子與信息）◆從根本上改變了人類的宇宙觀、時空觀（日心說、量子論、相對論）促進(jìn)了人類文明和社會進(jìn)步，改變了人們的物質(zhì)方式、文化方式以及戰(zhàn)爭方式，極大的豐富了人類的知識寶庫，使人類從自在逐漸走向自為;◆是教育與培養(yǎng)現(xiàn)代人才必不可少的基礎(chǔ)學(xué)科,

從滿足孩童的好奇心到現(xiàn)代高科技離不開其熏陶。（普適教育；科學(xué)家＝物理學(xué)家）物理學(xué)的地位第七頁，共47頁。Feymann的話：如果在某一次大的災(zāi)難中，所有的科學(xué)知識都將被毀滅，只有一句話可以傳給下一代，那么，怎樣的說法能夠以最少的詞匯包含最多的信息呢？我相信那就是：原子假說即：萬物都有原子構(gòu)成，原子是一些小粒子，它們永不停地四下運(yùn)動，當(dāng)它們分開一個小距離時彼此吸引，而被擠到一堆時則相互排斥第八頁，共47頁。

凝聚體：液、固、中間物（如生命體）

概念：處于凝固狀態(tài)下的宏觀物質(zhì)二.什么是固體{氣體：粒子離散；液、固體：粒子凝聚；液體：粒子離域:shearmode→0

(E/MRfluid)固體：粒子凝固:運(yùn)動形式振動,

整體有固定的形狀BEC:B-Econdensation微觀、動量空間凝聚（超流、超導(dǎo)）

第九頁，共47頁。

研究固體的結(jié)構(gòu)以及組成粒子間

相互作用與運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科

SolidStatePhysics

三．什么是固體物理學(xué)凝聚態(tài)物理:CondensedMatterPhysics1．概念：第十頁，共47頁。2．內(nèi)容三要素

A.結(jié)構(gòu)：（基本點(diǎn)宏觀→大量離子、原子、分子）

固體按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為三類：晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體

如何組成？第一、二章第十一頁，共47頁。晶體：粒子按一定規(guī)則周期有序排列的固體，有一定熔點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：平移對稱性＋旋轉(zhuǎn)對稱性且二者自洽

單晶：整塊固體中粒子均是規(guī)則，周期排列。

多晶：由大量微小單晶粒組成。每個晶粒內(nèi)粒子規(guī)則排列。 而各個晶粒間粒子排列取向不同。（如：金屬、非金屬、陶瓷）準(zhǔn)晶體：粒子排列，無晶體周期平移不變性，但有某些取向旋轉(zhuǎn)對稱性非晶體：粒子排列無序或僅有短程序（1－2個原子尺度），無固定熔點(diǎn)。（如：玻璃、塑料等諸多有機(jī)物）※：以后不作特別說明，本書所說“固體”指“完整的單晶體。第十二頁，共47頁。NaClstructurea第十三頁，共47頁。DiamondcrystalQ-1,2CDWcrystals

Spinladdercompoundpolycrystalline第十四頁，共47頁。第十五頁，共47頁。起源：電磁相互作用──各原子最外層電子間，或它們與帶電離子間相互作用形式：吸引：異性電荷排斥：①同性電荷②Pauli原理（量子力學(xué)）分類：離子、原子（共價）、金屬、分子、氫鍵等B.相互作用（第三章）第十六頁，共47頁。

本征（基礎(chǔ)）:

晶格運(yùn)動(第四章):─

振動與波動 電子運(yùn)動(第六、七章)

導(dǎo)體─自由遷移 非導(dǎo)體─束縛運(yùn)動

對外場的響應(yīng)（應(yīng)用):

(第八十三章)

固體的力、熱、電、磁、光性質(zhì)及規(guī)律“Moreisdifferent”-P.W.AndersonC.運(yùn)動規(guī)律第十七頁，共47頁?！?－2

固體物理學(xué)的內(nèi)容、特點(diǎn)、地位一.基本內(nèi)容晶體結(jié)構(gòu)： 第一、二、五章晶體相互作用:第三章晶格動力學(xué)：第四章 離子的運(yùn)動固體電子論：第六、七章核外價電子運(yùn)動

固體物理專題：第八十三章電(導(dǎo)電、半導(dǎo)、超導(dǎo)、介電)、磁、光、表面等第十八頁，共47頁。二.基本特點(diǎn)1.典型的多體問題

一個系統(tǒng)一般粒子數(shù)目： ～1029個/1cm3

（NA～1023個） 粒子本身：微觀→量子力學(xué)、量子場論 大量粒子：宏觀→統(tǒng)計(jì)物理學(xué)“Moreisdifferent”-P.W.Anderson第十九頁，共47頁。2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：排列的規(guī)則性周期性（平移不變）→付氏變換（實(shí)空間波矢（倒）空間）對稱性（平移與旋轉(zhuǎn)不變）→群論

固體物理學(xué)整個體系（范氏）建立的核心

固體物理: 要結(jié)合“物”來研究“理”結(jié)構(gòu)問題在固體物理占有相當(dāng)比重（約為1/4-1/5）超導(dǎo)：結(jié)構(gòu)→相互作用→解釋其超導(dǎo)性？ C：金剛石、石墨、C60，碳管

力、電磁學(xué):簡化抽象“物”→質(zhì)點(diǎn)、剛體等,重點(diǎn)講“理”第二十頁，共47頁。Polymorphisms:CarbonDiamondGraphiteNanoCarbonTube

Fullerene富勒烯：任何多種如籠子狀、空心的分子，由六角形或五角形的原子組成，尤其指形成鉆石和寶石后的碳為第三形式的碳第二十一頁，共47頁。三.地位─其它物理學(xué)科關(guān)系

1.既是應(yīng)用學(xué)科

以“普物”“理物”為基礎(chǔ)，將其應(yīng)用到固體中即結(jié)合“固體”這個“物”來應(yīng)用上面的“理”

2.又是基礎(chǔ)學(xué)科 討論固體一般性質(zhì) →是金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、材料物理、超導(dǎo)等物理“基礎(chǔ)”。 3.“普通”固體物理學(xué)

“普物”呈述典型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律(歸納法)“理物”應(yīng)用已有規(guī)律─“理論”:解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象指導(dǎo)科學(xué)實(shí)踐(演繹法)金屬半導(dǎo)體超導(dǎo)體電介質(zhì)磁性材料光學(xué)材料四大力學(xué)固體物理第二十二頁，共47頁。§0－3固體物理學(xué)的發(fā)展一.體系（范氏）建立以前（17～20世紀(jì)20年代前）

晶體宏觀幾何形態(tài)發(fā)現(xiàn)與小結(jié) 晶體微觀結(jié)構(gòu)特征猜想 晶體宏觀物理性質(zhì)（熱、電、磁）等經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)

以物理學(xué)輝煌成果為基礎(chǔ)二.建立過程（20－30’s年代）

實(shí)驗(yàn)上：X-ray、電子衍射→微觀結(jié)構(gòu)的直接測定→“晶體學(xué)”

理論上：量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、群論→晶格動力學(xué)、電子能帶論 →標(biāo)志著固體物理學(xué)體系的建立→獨(dú)立為一門學(xué)科

1940年，德國Seitz:第一本系統(tǒng)的固體物理學(xué)書“moderntheoryofsolidstate”第二十三頁，共47頁。三.大發(fā)展時期（50-70’s）

1.大批新型合金（Ti，V，Nb…）制備耐高溫、高壓、輻射材料→航空、航天、原子能工業(yè)→“金屬物理學(xué)”2.半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)（50’s）能帶論→半導(dǎo)體→晶體管→集成電路（電子技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、自控、計(jì)算機(jī)）→信息時代→“半導(dǎo)體物理學(xué)”3.超導(dǎo)理論解釋（BCS理論、NobelPrice） →“超導(dǎo)物理學(xué)”4.大批功能晶體與陶瓷(BaTiO3,PZT,LiNbO3…)的開發(fā) →“電介質(zhì)物理學(xué)”5.各種磁性材料的發(fā)現(xiàn)

→“鐵磁性物理學(xué)”

以固體物理學(xué)為基礎(chǔ)各個分支學(xué)科的建立第二十四頁，共47頁。四.當(dāng)代固體物理學(xué)的發(fā)展（特點(diǎn)、成就與拓展）1)

研究對象的多樣化、復(fù)雜化（由簡單→復(fù)雜及特殊的體系）

復(fù)雜：結(jié)構(gòu)上，晶體→非晶體、準(zhǔn)晶；過程（規(guī)律）：非平衡、非線性

特殊：體材→表面、界面、film、低維、Nano材料（零維）

2)多種現(xiàn)代及極端條件的應(yīng)用

超高、低溫、低壓、強(qiáng)激光、磁共振、電子束、粒子束技術(shù)、同步輻射、中子衍射例如：a)

MBE：超晶格→量子阱激光器

b)同步輻射光（X－ray、紫外光）→高分辨→超晶格

1.特點(diǎn)第二十五頁，共47頁。3)

理論研究的深入

重正化群方法引入→相變理論（Wilson）自相似、自組織、混沌方法引入→非平衡、非線性問題fractal幾何：分?jǐn)?shù)維空間4)

與計(jì)算物理之間密切聯(lián)系 計(jì)算機(jī)的發(fā)展將原來理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析推向嶄新階段。

N4C3→超硬材料5)與其它學(xué)科相互交叉、滲透、互相促進(jìn)、共同發(fā)展 微電子學(xué)、材料科學(xué)、激光物理與技術(shù)、化學(xué)、計(jì)算物理、能源科學(xué)等第二十六頁，共47頁。A.實(shí)驗(yàn)上的成就

◆

聚乙炔(CH)x等導(dǎo)電聚合物新型高分子導(dǎo)電材料：原料豐富，制備簡便，具有可塑性摻雜可得到：絕緣體→半導(dǎo)體→導(dǎo)體→超導(dǎo)體

◆準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)◆

量子Halleffect（整數(shù)、分?jǐn)?shù)）IntegerHalleffect（IE） 80年，K.V.Klitzing：金屬－絕緣體－半導(dǎo)體場效應(yīng)管反型層1.5K，18.9Tesla85年Nobelprize

FractionHalleffect（FE） 82年實(shí)驗(yàn)(BellLab)，83年理論GaAs－AlxGaAs異質(zhì)結(jié)表面上0.5K，250T98年Nobelprize

2.成就與發(fā)展第二十七頁，共47頁。◆高Tc氧化物超導(dǎo)體86年，Muller，Bednorz，IBMLabTc129K

在Mott絕緣體中（氧化物Ceramic）強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)→使對超導(dǎo)及固體物理認(rèn)識更深入◆C60、C70等新材料的發(fā)展

是C的第三種Stablestate（金剛石、石墨） 球、管→團(tuán)簇◆GMR與CMR（cosmic）

金屬顆粒膜 GMR20-30%

金屬多層膜Fr/Cr GMR20-30%

金屬氧化物L(fēng)aCaMnOCMR102～106

◆納米（Nanometer）材料1~102nm

宏觀尺度的量子效應(yīng)

A－Beffect與周期性變化

電導(dǎo)的量子化：庫倫阻塞

正常金屬介觀××××第二十八頁，共47頁。B.理論上的進(jìn)展

對稱破缺－相變理論

強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)－氧化物電子學(xué)

納米材料－介觀物理學(xué)新的學(xué)科分支：團(tuán)簇物理學(xué)、表面物理、低維物理等第二十九頁，共47頁。3.拓展凝固－凝聚

基于： ①對固體的完全了解要涉及到液體 ②物質(zhì)中有一些本身具有兩相性 （softcondensedmatter） 區(qū)別：核心概念不同： 固體：對稱性→波 凝聚體：對稱破缺→元激發(fā)→準(zhǔn)粒子等概括三個發(fā)展方向及三個當(dāng)代具有生命力的根源[馮端（物理）(2001.5)]第三十頁，共47頁?！?－3固體物理學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用舉例HighTech─微電子、光電子、氧化物電子、超導(dǎo)電子產(chǎn)業(yè):

器件:核心競爭力與原始創(chuàng)新 系統(tǒng):例PC:CPU-Intel,AMD

整機(jī)-Dell,HP,IBM,聯(lián)想－，臺灣－培養(yǎng)具有原創(chuàng)能力的設(shè)計(jì)師與Engineer!電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè):

“四電子”器件: 設(shè)計(jì)

(design)

微電子: transistorIC-chip,device,EDA…

光電子:SQWL (semiconductorquantumwelllaser)LED(lightemissiondiode)

太陽能電池、發(fā)電機(jī)…

氧化物電子：氣敏、電敏、光敏傳感器….

超導(dǎo)電子：SQUID…How?OrWhy?第三十一頁，共47頁。器件設(shè)計(jì)與固體物理學(xué):

微電子學(xué)—元素半導(dǎo)體Si,Ge光電子學(xué)—化合物半導(dǎo)體InP.GaAsGaN氧化物電子學(xué)—鐵電絕緣體等BaTiO3,超導(dǎo)電子學(xué)—

超導(dǎo)體PbNb,YBa2Cu3O7-自旋電子學(xué)—AMR,GMR,TMR,CMR固體第三十二頁，共47頁。SQWMQWLED發(fā)光管結(jié)構(gòu)圖Pnn第三十三頁，共47頁。470nm藍(lán)光二極管LED結(jié)構(gòu)問題-Why能發(fā)藍(lán)光?why需要幾層不同成分的GaN?不同層的厚度如何確定?第三十四頁，共47頁。AlGaN/GaN-HEMT結(jié)構(gòu)

(highelectronmobilitytransistor)問題-

◆

why需要幾層不同成分的AlGaN,GaN,Sappire?

◆不同層的厚度如何確定?第三十五頁，共47頁。SemiconductorLaser第三十六頁，共47頁。原理:級聯(lián)第三十七頁，共47頁。熱電發(fā)電（Seebeck效應(yīng)）ZT=2S

T/How→S,↑;↓第三十八頁，共47頁。TiO2的光催化DrawbackofTiO2forphotocatalysisItsband-gapis3.0-3.2eV,onlylessthan5%fractionofthesolarspectrumisabsorbed(紫外部分)紫外光可見光紅外光波長(nm)380nm780nm太陽光光譜光的量（光強(qiáng)）第三十九頁，共47頁。A.FertandP.Grunberg發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)的三個重要意義導(dǎo)致磁存儲與磁傳感技術(shù)的革命誘導(dǎo)出一門新的學(xué)科-自旋(磁)電子學(xué)(spintronics)納米技術(shù)的第一個重要的實(shí)際應(yīng)用NobelPrizeinPhysics2007GiantMagnetoresistance

第四十頁，共47頁。GiantMagnetoresistance -A.FertandP.GrunbergFeCrj3nm0.9nmsuperlatticeA.Fert:PRL61(1988)2472

4.2K室溫:MR=17%第四十一頁，共47頁。Born:1938,twochildren1962:巴黎高師:物理與數(shù)學(xué)雙學(xué)士(五年)1963:南巴黎大學(xué)碩士"NMRofhydrogenabsorbedbypalladium“1970:南巴黎大學(xué)博士"Transportpropertiesofnickeletiron"1962-1964:AssistantatUniversitédeGrenoble

(1964-1965:militaryser