物理学史10-1讲课讲稿

1、第十章 凝聚态物理学简史物理学史10-1第十章 凝聚态物理学简史 近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：（1）由研究体内性质转到研究表面、界面性质；）由研究体内性质转到研究表面、界面性质；（2）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系；）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系；（3）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变；）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变；（4）由研究性质单一体系转到共性体系；）由研究性质单一体系转到共性体系；（5）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷；）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷；（6）由研

2、究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体超晶格。超晶格。 由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。第十章 凝聚态物理学简史弗里德里希和尼平的弗里德里希和尼平的X射线衍射实验装置射线衍射实验装置 1912年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想：年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想：既然晶体的相邻原子间距和既然晶体的相邻原子间距和X射线波长有相同数量级，那射线波长有相同数量级，那么么X射线通过晶体就会发生衍射现象。射线通过晶体就会发生衍射现象。

3、劳厄劳厄 对晶体对晶体X射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物理学家理学家布拉格父子布拉格父子当时，曾在伦琴实验室内研究过当时，曾在伦琴实验室内研究过X射线的射线的弗里德里希弗里德里希和和尼平尼平着手从实着手从实验上证实劳厄的思想，他们把一块验上证实劳厄的思想，他们把一块亚硫酸铜晶体放在一束准直的亚硫酸铜晶体放在一束准直的X射射线中，在晶体后面一定距离处放置线中，在晶体后面一定距离处放置照相底片。发现：当晶照相底片。发现：当晶则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有关。关。这一实验不仅说明了这一实验不仅说

4、明了X射线的电磁本性，而且肯定射线的电磁本性，而且肯定了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体进行结构分析的方法。进行结构分析的方法。体与体与X射线同向时，底片上出现规射线同向时，底片上出现规第十章 凝聚态物理学简史劳伦斯劳伦斯布拉格的原子面反射原理图布拉格的原子面反射原理图 劳厄和布拉格父子开创性的工作已劳厄和布拉格父子开创性的工作已成为晶体结构分析的基础，是固体物成为晶体结构分析的基础，是固体物理学发展史中一个重要的里程碑。理学发展史中一个重要的里程碑。 劳厄劳厄1914年获诺贝尔物理学奖，布拉格年获诺贝尔物理学奖，布拉格父子父子1915

5、年获诺贝尔物理学奖。小布拉格年获诺贝尔物理学奖。小布拉格当年仅当年仅25岁，从而成为岁，从而成为最年轻的获奖者最年轻的获奖者。1、金属电子论、金属电子论 20世纪以前，人们已经掌握了有关金属导电的一些经验规律（如欧姆定律、世纪以前，人们已经掌握了有关金属导电的一些经验规律（如欧姆定律、维德曼维德曼-夫兰兹定律等），气体动理论在处理理想气体问题上获得很大成功，夫兰兹定律等），气体动理论在处理理想气体问题上获得很大成功，1897年，汤姆孙发现了电子。年，汤姆孙发现了电子。1900年特鲁德提出金属自由电子气模型。把金年特鲁德提出金属自由电子气模型。把金属中的电子看成服从玻尔兹曼统计的自由电子气，引入

6、平均自由程概念，推属中的电子看成服从玻尔兹曼统计的自由电子气，引入平均自由程概念，推导出金属的热导率与电导率，并找到了它们之间的关系，从而解释了导电性导出金属的热导率与电导率，并找到了它们之间的关系，从而解释了导电性好的金属也是热的良导体的事实。利用这一理论能成功证明欧姆定律和维德好的金属也是热的良导体的事实。利用这一理论能成功证明欧姆定律和维德曼曼-夫兰兹定律。夫兰兹定律。 在在特鲁德工作的基础上，特鲁德工作的基础上，1905年，洛伦兹建立了更完善的自由电子气模型。年，洛伦兹建立了更完善的自由电子气模型。第十章 凝聚态物理学简史 尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到尽

7、管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到1926年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一定程度的克服。定程度的克服。1927年，索末菲提出了金属的半经典电子论，认为金属中的年，索末菲提出了金属的半经典电子论，认为金属中的电子是服从费米电子是服从费米-狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法解释

8、的问题。解释的问题。2、能带理论的建立、能带理论的建立 能带理论是固体物理学中最重要的基础理论，它的出现是量子力学、量子统能带理论是固体物理学中最重要的基础理论，它的出现是量子力学、量子统计学在固体中应用得最直接、最重要的结果。能带理论成功地解决了索末菲半计学在固体中应用得最直接、最重要的结果。能带理论成功地解决了索末菲半经典电子论处理金属所遗留下来的问题，为其后固体物理学的大发展作了准备。经典电子论处理金属所遗留下来的问题，为其后固体物理学的大发展作了准备。能带理论是由能带理论是由布洛赫布洛赫（19051983，瑞士，瑞士-美国物理学家）建立的。美国物理学家）建立的。 1927年，布洛赫成为

9、了海森伯的研究生。他选择了有关金属导电理论作为博年，布洛赫成为了海森伯的研究生。他选择了有关金属导电理论作为博士论文的课题。士论文的课题。1928年夏，布洛赫完成了他的全部计算工作，博士论文的题目年夏，布洛赫完成了他的全部计算工作，博士论文的题目是是“晶格中电子的量子力学晶格中电子的量子力学”，他的论文问世后，许多科学家立刻意识到能带，他的论文问世后，许多科学家立刻意识到能带结构将是决定固体各种特殊性质的关键。应用它不仅可以说明金属、半导体和结构将是决定固体各种特殊性质的关键。应用它不仅可以说明金属、半导体和绝缘体的区别，而且也是说明物质磁性、输运性质以及超导电性质的先决条件。绝缘体的区别，而

10、且也是说明物质磁性、输运性质以及超导电性质的先决条件。 能带理论为现代固体理论奠定了基础。半个多世纪以来，对具体材料的能带能带理论为现代固体理论奠定了基础。半个多世纪以来，对具体材料的能带进行理论计算和实验研究，一直是固体物理中的重要基础课题。经过布洛赫、进行理论计算和实验研究，一直是固体物理中的重要基础课题。经过布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里渊等科学家的努力，逐渐建立了完善的固体能带理论。佩尔斯、威尔逊、布里渊等科学家的努力，逐渐建立了完善的固体能带理论。第十章 凝聚态物理学简史为之后为之后的半导体发展提供了理论基础。的半导体发展提供了理论基础。3、晶体管的发明、晶体管的发明 晶体管的发明是固

11、体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。晶体管的发明是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。 在美国贝尔电话实验室工作的布拉坦（在美国贝尔电话实验室工作的布拉坦（1902年年2月月10日生于中国厦门）和日生于中国厦门）和贝克尔于贝克尔于19301940年间曾多次试图制造固体三级管，结果都以失败告终。年间曾多次试图制造固体三级管，结果都以失败告终。 1945年的某天美国贝尔电话实验室的副所长凯利同理论物理学家肖克利谈了年的某天美国贝尔电话实验室的副所长凯利同理论物理学家肖克利谈了一次话，议题是：一次话，议题是： “探索研制新型电子器件探索研制新型电子器件”。 贝尔实验

12、室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯，并研究成贝尔实验室的另外几位专家：欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯，并研究成功生长大晶体锗的工艺，使固体物理学研究组有可能利用新型的半导体材料进功生长大晶体锗的工艺，使固体物理学研究组有可能利用新型的半导体材料进行实验。行实验。 1945年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组。这个组共有年夏，贝尔实验室决定成立固体物理研究组。这个组共有7人，组长是人，组长是肖克，另有半导体专家皮尔逊、物理化学家吉布尼、电子线路专家摩尔、实验肖克，另有半导体专家皮尔逊、物理化学家吉布尼、电子线路专家摩尔、实验技术专家布拉坦，最关键的一位是理论物理学家技术专家布拉坦

13、，最关键的一位是理论物理学家巴丁巴丁。他提出了。他提出了半导体表面态半导体表面态和表面能级和表面能级的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作走的概念，把半导体理论又提高了一步，使半导体器件的试制工作走上了正确的道路。后来肖克利的另一同学赫林也加入了研究组。上了正确的道路。后来肖克利的另一同学赫林也加入了研究组。 在肖克利的指导下，巴丁和布拉坦等集中于硅和锗的研究。在此之前肖克在肖克利的指导下，巴丁和布拉坦等集中于硅和锗的研究。在此之前肖克利就得出结论：通过给半导体表面施加一电场，就可能控制表面附近的载流利就得出结论：通过给半导体表面施加一电场，就可能控制表面附近的载流子数目，即

14、所谓的子数目，即所谓的“场效应场效应”。第十章 凝聚态物理学简史 肖克利与巴丁注意到，当时流行的表面理论与实验结果有不少矛盾，于是巴肖克利与巴丁注意到，当时流行的表面理论与实验结果有不少矛盾，于是巴丁提出用表面态去解释这些理论与实验之间的矛盾。表面态的引入使研究组的丁提出用表面态去解释这些理论与实验之间的矛盾。表面态的引入使研究组的工作登上了一个新台阶。工作登上了一个新台阶。巴丁（左边站立者）和布拉顿（右边巴丁（左边站立者）和布拉顿（右边站立者）正在看肖克利观察显微镜站立者）正在看肖克利观察显微镜 他们测量一系列杂质浓度不同的他们测量一系列杂质浓度不同的 p型和型和n型硅的表面接触电势，发现经

15、过不同表面型硅的表面接触电势，发现经过不同表面处理或在不同气氛中，接触电势也不同，处理或在不同气氛中，接触电势也不同，还发现当光照射硅的表面时，其接触电势还发现当光照射硅的表面时，其接触电势会发生变化。接着，他们准备进一步测量会发生变化。接着，他们准备进一步测量锗、硅的接触电势与温度的关系。为了避锗、硅的接触电势与温度的关系。为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他们把样品和参考电极浸在液体（可导电的们把样品和参考电极浸在液体（可导电的水）中，意外的发现，光生电动势大大增水）中，意外的发现，光生电动势大大增加，改变电压的大小和极性，光生电动势加，改变电压的

16、大小和极性，光生电动势也随之改变大小和符号。经过讨论，他们也随之改变大小和符号。经过讨论，他们意识到，这正式肖克利预言的意识到，这正式肖克利预言的“场效应场效应”。 巴丁提出了一个新方案。巴丁提出了一个新方案。第十章 凝聚态物理学简史功率放大效应的实现功率放大效应的实现最初的晶体管最初的晶体管 巴丁提出了一个新方案。用一层很薄的石蜡封住金属针尖，把针尖压在硅表巴丁提出了一个新方案。用一层很薄的石蜡封住金属针尖，把针尖压在硅表面上（下左图），针尖周围加一滴水，水与硅表面接触。带有蜡层的针与水是面上（下左图），针尖周围加一滴水，水与硅表面接触。带有蜡层的针与水是绝缘的。正如他们所预期的，加在水和硅

17、之间的电压，会改变从硅流向针尖的绝缘的。正如他们所预期的，加在水和硅之间的电压，会改变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了电流。这一实验使他们第一次实现了功率放大功率放大。后来，改用。后来，改用n型锗做实验，效型锗做实验，效果更好。果更好。 实验虽然取得了巨大成功，但装置显然没有实用价值。因为水很快会被蒸发，实验虽然取得了巨大成功，但装置显然没有实用价值。因为水很快会被蒸发，而电解液的动作也太慢。而电解液的动作也太慢。第十章 凝聚态物理学简史最初的晶体管最初的晶体管 他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，如果在氧化膜上蒸镀一金他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，如果在氧

18、化膜上蒸镀一金点作为电极，有可能达到同样的效果。但是这一方案实现起来有很大的困难。点作为电极，有可能达到同样的效果。但是这一方案实现起来有很大的困难。 最后，他们在锗表面安置两个仅隔最后，他们在锗表面安置两个仅隔0.005cm的微型金属接触点代替电解液，的微型金属接触点代替电解液，当其中一个的电流有非常微小的变化时，另一个的输出功率却会大大改变。就当其中一个的电流有非常微小的变化时，另一个的输出功率却会大大改变。就这样，他们在这样，他们在1947年年12月月23日做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器，日做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器，这就是点接触型晶体管。这就是点接触型晶体管。接

19、着，肖克利把接着，肖克利把n型半导体夹在两型半导体夹在两p型半导体之间。于型半导体之间。于1950年年4月做成了结型晶体管。月做成了结型晶体管。1947年年12月月23日布日布拉坦拉坦的实的实验室验室日志日志晶体管的晶体管的发明，是发明，是电子学发电子学发展史上的展史上的一个重要一个重要里程碑。里程碑。第十章 凝聚态物理学简史第一块集成电路第一块集成电路计算机里的大规模集成电路板计算机里的大规模集成电路板 1958年年,美国德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比美国德克萨斯州仪器公司的工程师基尔比(Jack Kilby)在一块半导在一块半导体硅晶片上将电阻、电容等分立元件集成在里面体硅晶片上将电阻、

20、电容等分立元件集成在里面,制成世界上第一片集成电路。制成世界上第一片集成电路。 第十章 凝聚态物理学简史 世界上第一台计算机诞生于第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算世界上第一台计算机诞生于第二次世界大战期间，美国军方为了解决计算大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究大量军用数据的难题，成立了由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，开始研制世界上第一台电子计算机。小组，开始研制世界上第一台电子计算机。 经过三年紧张的工作，第一台电子计算机终于在经过三年紧张的工作，第一台电子计算机终于在1946年年2 月月14日问世了。日问世了。它由它由17468个电子管、

21、个电子管、6万个电阻器、万个电阻器、1万个电容器和万个电容器和6千个开关组成，重达千个开关组成，重达30吨，占地吨，占地160平方米，耗电平方米，耗电174千千 瓦，耗资瓦，耗资45万美元。这台计算机每秒只能运万美元。这台计算机每秒只能运行行5千次加法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机（千次加法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机（ENIAC即即“埃尼阿埃尼阿克克”）。）。 第一台计算机诞生至今已过去第一台计算机诞生至今已过去50多年了，在这期间，计算机以惊人的速度多年了，在这期间，计算机以惊人的速度发展着，首先是晶体管取代了电子管，继而是微电子技术的发展，使得计算发展着，首先是晶体管取代了电子管，继而是微电子技术的发展，使得计算机处理器和存贮器上的元