物理学思想史和方法论第七讲固体物理学与材料科学(上)

1、1第七讲第七讲 固体物理学与材料科学固体物理学与材料科学(上上)2 研究与开发新材料，新器件，新工艺的理论基础；研究与开发新材料，新器件，新工艺的理论基础； 发表论文数量质量均居榜首发表论文数量质量均居榜首 诺贝尔物理学获得者人数比例最大诺贝尔物理学获得者人数比例最大( 1970年以来约有年以来约有20多人次）多人次） 固体物理学是固体物理学是物理学领域最重要的分支学科物理学领域最重要的分支学科3 晶晶 体体 非非 晶晶 体体宏观性质：宏观性质： 多为各向异性多为各向异性 各向同性各向同性 有确定的熔点有确定的熔点 逐渐软化逐渐软化晶体的结构特点晶体的结构特点:晶体中的原子规则排列形成晶格晶体

2、中的原子规则排列形成晶格具有周期性具有周期性具有对称性具有对称性4形形色色的形形色色的晶体晶体 美丽的光泽美丽的光泽 规则的形状规则的形状 奇特的性能奇特的性能5晶格晶格晶格晶格把粒子把粒子( (原子或分子原子或分子) )在空间的平衡位置作为节点，将在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格架称为晶格( (空间点阵空间点阵) )。 6晶胞晶胞晶胞晶胞-构成晶格的最基本单元。构成晶格的最基本单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵晶胞能充分反映整个空间点阵的对称性

3、晶胞能充分反映整个空间点阵的对称性 7abca,b,c晶格常数晶格常数 面心立方晶面心立方晶格格晶格有多种类型：晶格有多种类型： 1414种布拉菲点阵种布拉菲点阵 简单立方晶格简单立方晶格 a = b = c8 体心立方晶格体心立方晶格 Cscl 六角密排晶格六角密排晶格 Be Mg Zn Cd9结构决定性质结构决定性质 C系家族系家族石墨结构石墨结构C6010声子声子组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热组成晶格的原子（团）在平衡点附近作热运动运动 晶格振动晶格振动 晶格振动的能量是量子化的晶格振动的能量是量子化的-声子声子 11固体的能带固体的能带从原子能级到固体能带从原子能级到固体能带原子

4、中的电子处于不同的能级原子中的电子处于不同的能级N个原子有相互作用构成一个体系时电子的能级如何？个原子有相互作用构成一个体系时电子的能级如何？12能级能级能带能带D EN条能隙，禁带能隙，禁带gE13 能带被电子占据情况能带被电子占据情况: 满带满带:填满电子的能带填满电子的能带 空带空带:没有电子的能带没有电子的能带 未满带未满带:未填满电子的能带未填满电子的能带 禁带禁带:不能填充电子的能区不能填充电子的能区1s2s2p3s3pMg 价带价带:和价电子能级相应的能带和价电子能级相应的能带即最高的充有电子的能带即最高的充有电子的能带空带空带价带价带14导电电子在电场作用下作定向运动，导电电子

5、在电场作用下作定向运动， 以一定速度漂移以一定速度漂移 v 10 -2 cm/s 电子得到附加能量电子得到附加能量 要到较高的能级上去要到较高的能级上去 满带中没有空着的更高能级满带中没有空着的更高能级!未满带未满带 对导电有贡献对导电有贡献-有电子有电子,有空着的更高能级有空着的更高能级能带对电导的贡献能带对电导的贡献:空带空带 无电子不能导电无电子不能导电满带满带 对导电无贡献对导电无贡献,能带中的电子不能导电能带中的电子不能导电15价带价带(满带满带)空带空带(导带导带)不满带不满带(导带导带)EEpEpmpE22 16导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体导体 电阻率电阻率 10

6、 8 m半导体半导体 电阻率电阻率 10 4 107 m绝缘体绝缘体 电阻率电阻率 10 12 1020 m各种晶体都有大量电子为什么导电性有很大的差别各种晶体都有大量电子为什么导电性有很大的差别 ?这要用能带理论来说明这要用能带理论来说明17导导 体体存在不满带存在不满带0 gEgE某些一价金属，某些一价金属，如如:Li 某些二价金属，某些二价金属，如如:Be, Ca, Mg, Zn, Ba 18绝缘体：绝缘体：价带是满带价带是满带能隙宽能隙宽半导体：半导体：价带是满带价带是满带但能隙较窄但能隙较窄, 温度升高时温度升高时, 一部分电子从价一部分电子从价带跃迁到导带，形成不满带带跃迁到导带，

7、形成不满带。 = 310 eV0.13.0 eVgE19半导体半导体(semiconductor) 空穴空穴: 满带中少一个电子相当于多一个正电子满带中少一个电子相当于多一个正电子 -称之为空穴称之为空穴价带中的空穴与导带中的电子对导电有同样的贡献价带中的空穴与导带中的电子对导电有同样的贡献本征半导体本征半导体导带中电子及价带中空穴皆由热激发导带中电子及价带中空穴皆由热激发产生产生杂质半导体杂质半导体-导带中电子及价带中空穴皆由杂质产导带中电子及价带中空穴皆由杂质产生生n 型半导体型半导体-电子型半导体电子型半导体P 型半导体型半导体-空穴型半导体空穴型半导体20结的单向导电性 势垒降低势垒降

8、低空穴流向区，空穴流向区，电子流向区电子流向区形成正向电流形成正向电流mA量级量级PN耗尽层-+ -+-+-+-+21伏安特性曲线伏安特性曲线V(伏) 1.0 2.0I (毫安)4080102030微安40 20击穿电压击穿电压22结应用 单向导通特性单向导通特性-交流变直流交流变直流:整整 流流 开开 关关-两种状态且可控两种状态且可控: 计算机的基础计算机的基础23由于热激发由于热激发, 半导体的载流子显著增加半导体的载流子显著增加热敏电阻热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降半导体的电阻随温度的升高而指数下降电导性随温度变化十分灵敏电导性随温度变化十分灵敏体积小热惯性小寿命长体积小热

9、惯性小寿命长广泛应用于自动控制广泛应用于自动控制 24光敏电阻光敏电阻可见光照射可见光照射:光强增加电阻减少光强增加电阻减少原因原因:光激发使载流子迅速增加光激发使载流子迅速增加光敏电阻有选择性光敏电阻有选择性光的频率大于红限频率光的频率大于红限频率应用应用:遥感技术等遥感技术等25 晶体管晶体管结的适当组合可以做成具有放大作结的适当组合可以做成具有放大作用的晶体三极管用的晶体三极管以及各种晶体管，以及各种晶体管，1947年年12月月23日，美国贝尔实验室日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。具有放大作用的点接触型晶体三

10、极管。固定针固定针B探针探针固定针固定针AGe晶片晶片1956年年,小组的三位成员获诺贝尔物理奖。小组的三位成员获诺贝尔物理奖。26世界上第一支晶体管世界上第一支晶体管27肖克利肖克利巴丁巴丁布拉顿布拉顿1956年年诺贝尔诺贝尔物理学物理学奖获得奖获得者。者。28集成电路大规模集成电路超大规模集成电路 下图为下图为INMOS T900 微处理器微处理器:每一个集成块（图中一个长方形部分）每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，约为手指甲大小，它有它有300多万个三极管。多万个三极管。293031巨磁电阻效应巨磁电阻效应“巨磁电阻”效应:非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应

11、2007年诺贝尔物理学奖:1988年，费尔和格林贝格尔发现了“巨磁电阻”效应硬盘中是利用磁介质来存储信息的,当数据读出头扫描过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始“译码”。当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这 些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应更加灵敏的数据读出头1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。超导超导和超导材料和超导材料超导电性是某些物质在低温下出现的超导电性是某些物质

12、在低温下出现的电阻为零和排斥磁力线的特性电阻为零和排斥磁力线的特性超导电现象超导电现象1908荷兰荷兰H.K. Onnes获得液氮获得液氮4.2K1911发现汞电阻在发现汞电阻在4.2K时降为零时降为零(图图)1TT 汞具有通常的导电性，正常态汞具有通常的导电性，正常态2TT 电阻完全消失电阻完全消失)10(27mR 超导态超导态:1T起始转变温度；起始转变温度； :2T零电阻温度零电阻温度转变中点温度转变中点温度:CT0.100.054.00 4.20 4,40 T (k)0R()T1T2相继发现相继发现 28 种元素、种元素、5000多种合金和化合物以及多种合金和化合物以及在高压下在高压下

13、15种元素有超导电性种元素有超导电性一些超导材料的临界温度一些超导材料的临界温度物质物质 Tc(K) 发现年代发现年代汞汞(Hg) 4.2 1911铅铅(Pb) 7.2 1913铌铌(Nb) 9.2 1930钒三硅钒三硅 17.1 1953铌铝锗铌铝锗 20.5 1967铌三锗铌三锗 23.2 197334H. K. Onnes 获获1913年诺尔贝物理学奖年诺尔贝物理学奖零电阻率零电阻率铜的电阻率在室温下为铜的电阻率在室温下为167108. m超导体的电阻率超导体的电阻率1027 mMIT持续电流实验：持续电流实验：TTC,突然撤去磁场突然撤去磁场,两年半未发现电流强度衰减两年半未发现电流强

14、度衰减NS超导体的特性及应用超导体的特性及应用NbZr0.750.25超导螺线管衰减时间超导螺线管衰减时间 十万年十万年361933年年Meissner 发现超导体是一种完全抗磁体发现超导体是一种完全抗磁体内部磁感应强度为零内部磁感应强度为零, 磁通量完全被排斥在超导体外磁通量完全被排斥在超导体外H 0 T TC 超导体超导体H 0 T TC 超导体超导体完全抗磁性完全抗磁性37无摩擦轴承，无摩擦陀螺，无摩擦轴承，无摩擦陀螺，磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮磁悬浮超导体本身可看成是一磁体超导体本身可看成是一磁体NSN38BCS理论理论 1957年年Bardeen,Cooper, Schriefter

15、共同提出了超导电共同提出了超导电性的微观理论。获性的微观理论。获1972年诺尔贝物理学奖年诺尔贝物理学奖库珀对库珀对 低温下的超导体中，在电子低温下的超导体中，在电子-声子相互作用下，动量声子相互作用下，动量大小相等、方向相反，自旋相反的两个电子会彼此吸引大小相等、方向相反，自旋相反的两个电子会彼此吸引，形成束缚的电子对，形成束缚的电子对-库珀对库珀对 库珀对的质心动量为零，库珀对在电场作用下作定库珀对的质心动量为零，库珀对在电场作用下作定向运动时，不会受到晶格缺陷杂质的散射，向运动时，不会受到晶格缺陷杂质的散射，因此无电阻因此无电阻。高温超导高温超导 1911汞汞4.2K 1973 铌三锗铌

16、三锗23K 62年增加年增加19K1986.4 Muller, Bednoz发现钡镧铜的氧化物在发现钡镧铜的氧化物在30K存在超导电性的可能性，开辟了从氧化物中找超导的存在超导电性的可能性，开辟了从氧化物中找超导的新途径，引发出研究高温超导的热潮。新途径，引发出研究高温超导的热潮。YBaCuO高温超导体高温超导体BiSrCaCuO高温超导体高温超导体等等等等41K. A. Muller 和和 J. G. Bednorz 获获1987年诺尔贝物理学奖年诺尔贝物理学奖42超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车4344上海磁浮列车上海磁浮列车4546超导电力技术超导电力技术 大大降低电网损耗，大大降低电网损耗

17、， 提高电能质量，提高电能质量， 提高电力系统的稳定性、可靠性、安全性。提高电力系统的稳定性、可靠性、安全性。我国电网的功率损耗为总发电量的我国电网的功率损耗为总发电量的 8.5%1997年年 我国发电容量我国发电容量200GW 电网的功率损耗为电网的功率损耗为 17GW 相当于三峡电站的发电容量。相当于三峡电站的发电容量。47超导变压器超导变压器超导发电机超导发电机48超导电磁储能超导电磁储能. 长期无损耗地储存能量，其长期无损耗地储存能量，其转换优点：转换优点：1 1效率效率95%95%； 2. 2.响应速度快（毫秒级）；响应速度快（毫秒级）；3.3. 可建成大功率和大能量系可建成大功率和大能量系统；统；4.4. 使用寿命长；使用寿命长； 5. 5.维护简单、污染小。维护简单、污染小。超导储能装置超导储能装置利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载返回电网或其它负载49电力技术方面：输电电缆、发电机、电动机、变压电力技术方面：输电电缆、发电机、电动机、变压 器超导化器超导化 超导储能系统超导储能系统 大型电机设备形状与性能的革命大型电机设备形状与性能的革命能源工