固体物理学课件

1、固体物理学教材：固体物理学 黄昆 韩汝琪， 高等教育出版社固体物理学Introduction to Solid State Physics C. KITTEKL, John Wiley固体物理学 黄昆 韩汝琪，高等教育出版社固体物理学 方俊鑫 陆栋, 上海科学技术出版社 参考书目：Solid State Physics N. W. Ashcroft, Holt Rinehart固体物理学 顾秉林 王喜昆，清华大学出版社 固体物理基础 阎守胜，北京大学出版社给出定律、概念说明这些定律的适用条件、如何应用给出结果和结论给出不完善的模型、定律这个定律能够说明某些实验现象，但不能解释另一些现象找出问题

2、所在，提出更准确的定律、模型固体物理学课程考核：平时成绩(作业) + 期末考试成绩答疑时间：周三 晚7:30-9:00答疑地点：基础学科大楼B857考勤：课程考核的考虑因素物质状态的分类绪 论 物质可以分成四大类：等离子体、气体、液体和固体绪 论 (1) 等离子体 宇宙中几乎99%的物质都是等离子体，等离子体是由离子、电子和中性粒子组成的，没有一定的形状和体积，粒子的排列没有规律。绪 论 (1) 等离子体极光: 地球磁层或太阳的高能带电粒子流(太阳风)使高层大气分子或原子电离而形成太阳风火焰上部的高温部分能够热到使气体离子化时就会成为等离子(3) 液体 液体有一定的体积却没有一定的形状，粒子的

3、排列也是无序的(短时短程有序)。绪 论 (4) 固体 固体不仅有一定的体积而且有一定的形状，粒子间作用力很大。(2) 气体 气体没有一定的形状和体积，粒子排列没有一定的规律。绪 论 物质状态之间的转换固体物理是一门实验性学科 为阐明固体表现出的实验现象与内在本质的联系，需要建立和发展关于固体的微观理论固体是一个复杂的客体 每一立方米中包含有约1029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 是大量粒子之间的相互作用和集体运动的总表现绪 论 绪 论 一 固体物理学的定义 研究固体结构及其组成粒子(原子、离子、电子)之间 相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科1) 组成粒子(原

4、子、离子、电子) 固体物理的研究对象： 绪 论 2) 固体结构固体物理的研究对象： 金刚石、石墨固体都是由碳原子组成，组成粒子完全相同但它们的物理性质完全不同！ 石墨 导电性、导热性好，硬度低、强度低； 金刚石 绝缘体、导热性较差、硬度高。差别仅在于结构(粒子的排列方式)!石墨层状和单层结构示意图石墨结构：层状结构 石墨是层状结构，层与层之间是靠瞬间偶极矩结合在一起的，结合力比较弱。所以反映在宏观上就是石墨比较松软。共价键组成 石墨中每个碳原子是和周围三个其它碳原子组成共价键，三个共价键几乎在同一平面内，夹角约为120度。剩下的一个电子则可以在石墨中自由运动，所以，石墨可以导电。金刚石结构示意

5、图共价键组成 金刚石中每个碳原子和周围的四个碳原子组成四个共价键，四个共价键的分布为四面体，其中没有可以用来导电的自由电子，所以金刚石是绝缘体。面心立方套构 金刚石是由两套面心立方晶格套构而成，具有较大的结合能。所以反映在宏观上就是金刚石比较坚硬。金刚石结构：绪 论 3) 组成粒子之间相互作用与运动规律固体物理的研究对象： 差别在于电子与原子周期势场的相互作用!金刚石、硅单晶结构相同，最外层电子数相同但它们的导电性差别很大！ 金刚石 绝缘体硅单晶 半导体金刚石能带分布示意图能带禁带空带kE(k)硅单晶能带分布示意图k能带禁带空带E(k) 结构完全相同、电子能带分布十分相似，但是由于金刚石的禁带

6、宽度(5.5eV)比硅单晶(1.17eV) 的禁带宽度宽。所以导电性能就不一样。绪 论 固体分类 晶体 原子按一定的周期规则排列的固体(长程有序)非晶体 原子的排列没有明确的周期性(短程有序)准晶体 原子排列具有准周期性(长程的取向序，无长 程平移对称序) 长程有序是指103104量级以上排列有序 短程有序是指102以下量级排列有序绪 论 晶体：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶等等食盐(NaCl)晶体石英(SiO2)晶体雪花晶体 晶体外形的规则性是内部原子排布规则性的反映 晶体外形的对称性与其物理性质之间有一定联系 晶体外形具有规则性的几何形状NaCl晶体的原子排布CaCO3(方解石

7、)晶体的原子排布YBaCuO晶体的原子排布 长程平移对称序 长程的取向(转动)序理想晶体 内在结构完全规则的固体，也叫做完整晶体实际晶体 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非晶体：玻璃、橡胶、塑料Be2O3非晶玻璃Be2O3 晶体准晶体 ： 1984年Shechtman用快速冷却方法制备的AlMn合金 电子衍射图中具有五重对称的斑点分布 介于晶体和非晶体之间的新的状态准晶态准晶体内部原子排列是怎样？箭头 风筝 准晶态的特点：不可公度：线段的比值为无理数，或者说二者不存在公倍数 沿取向序对称轴方向具有准周期性，有两个或两个以上不可公度的特征长度按非周期的

8、特定序列方式排列。 具有长程的取向序而没有长程的平移对称序 (旋转对 称，平移不对称，无平移周期性) 长程取向序具有晶体周期性不能容许的点群对称性在准晶的研究方面 ，我国的水平几乎与国外同步 。1984年中科院沈阳金属所郭可信院士领导的研究组在急冷合金中发现了二十面体准晶，这是首例非Al基准晶相 。Danielle.Shechtman(1941-)理论物理学家1982年，他率先在AlMn合金中发现准晶体现象2011年获得诺贝尔化学奖当时国际上大多数科学家都反对准晶体理论，但是谢赫特曼还是坚持准晶体的研究。反对最激烈、声望最高的是两度获得诺贝尔奖的莱纳斯鲍林。鲍林曾经说：“谢赫特曼在胡说。没有准

9、晶体这种东西，只有准科学家。” 由于鲍林在国际化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家”的称谓不胫而走。二 固体物理的发展历程 晶体为何有规则的几何形状？为何晶体的外形的对称性与其物理性质之间有联系？ 晶体外形的规则性是内部规则性的反映 十八世纪，阿羽依认为晶体由一些坚实、相同的平 行六面形的小基石”有规则地重复堆集而成的 十九世纪中叶，布拉伐(Bravais)发展了空间点阵学说 概括了晶格周期性的特征 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 十九世纪末叶，费多洛夫、熊夫利、巴罗等独立地发 展了关于晶体微观几何结构的理论体系，为进一步研 究晶体结构的规律提供了理论依据

10、 描述晶体比热的杜隆珀替定律 描述金属导热和导电性质的魏德曼佛兰兹定律 二十世纪初，特鲁德和洛伦兹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 爱因斯坦引进量子化的概念来研究晶格振动 索末菲在金属自由电子论基础上，发展了固体量子论 费米发展了统计理论，为以后研究晶体中电子运动的 过程指出了方向 量子理论发展正确描述了晶体内部微观粒子运动过程 1912年，劳厄指出晶体可以作为X射线的衍射光栅。 通过大量实验和数据分析，证实了空间群理论。自 此，人们对晶体结构有了深入了解。 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半导体 20世纪四十年代末，以诸、硅

11、为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管 产生了半导体物理 1960年，诞生的激光技术，促进了固体的电光、声光 和磁光器件的不断发展。 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学 1960年以后，固体物理的发展更为迅速，不但晶体材 料的研究更加成熟，而且对微细材料和无序固体的新 发现、新进展接踵而来。1979年发现量子霍尔效应1984年在人工合成材料中发现准晶体；1984年首次合成了纳米金属晶体Pd, Fe等。1985年发现了以C60为代表的团簇化合物；1986年发现新型高温超导材料；1988年发现巨磁电阻效应(GMR)；1991年发现碳纳米管；1994年发现超大磁电阻效应(CMR)；

12、1995年发现磁性隧道结(TMR) ；2004年制备出石墨烯(Graphene)；2004年提出拓扑绝缘体和随后拓扑绝缘体材料发现2008年发现铁基高温超导体三 固体物理的学科领域 固体物理学发展至今，一般包含：* 固体的结构性质* 固体的力学性质* 固体的电子性质* 固体的输运性质* 固体的磁学性质* 固体的光学性质固体物理领域金属物理半导体物理晶体物理磁学电介质物理液晶物理固体发光超导体物理固态电子学固态光电子学固体光谱强关联物理纳米物理表面物理介观物理四 固体物理的学科特点3. 固体由大量原子组成，是多粒子体系，相互作用非常复杂。 对于这样的多体问题，通常只能近似求解，因此固体理论 中充

13、满了各种近似方法。1. 四大力学是固体物理与处理问题的基础。2. 理论与实验密切结合。4. 固体物理中的两类问题： 1) 理想完整晶体， 近完整晶体 2) 基态问题， 低激发态问题物理上重要的是相对于基态的低激发态行为，如：原子振动格波(声子)和晶体中运动的电子(准电子)，这些态可以在相对低的温度和微弱的外场下被激发，它们决定着固体的绝大多数性质。在研究固体的客观规律时，必须针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素来进在分析研究。五 固体物理的研究方法 1. 如何应对1029/m3的粒子？求解1029个连立方程？如何化解这个困难？晶体中原子呈有规律性的排列周期性！数学上处理这样的周期性结构

14、只需在几个或有限数量的原子、电子范围，用周期函数描述。 贯穿固体物理学的主线就是周期性 (核心问题是波在 周期性结构中的运动)晶体(周期结构)中波的传播问题的研究方法：充分利用晶体结构的平移对称性，来简化问题。通常可将所研究的问题(衍射强度、电子能量、电子浓度等) 写成实空间的周期函数。研究某些问题(衍射强度、晶格振动等)时，需要将实空间周期函数作Fourier变换，而使问题得到简化。也就是说，将研究问题在实空间的Fourier空间进行表达。傅里叶(Fourier)级数实空间的Fourier空间也叫倒易空间(波矢空间)，倒易空间的基本单位是布里渊区。Hall曾比喻：倒易空间和布里渊区是固体物理的Maxwell方程四 固体物理的研究方法 2. 金属电子的研究 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第一步：把原子核与核外内层电子考虑成一个整体离子实，使原子中的多体问题简化为离子实与外层电子的问题；第二步：绝热近似，考虑到离子实