固体物理CH0-1引言固体物理基本内容与其发展

固体物理CH0-1引言固体物理基本内容与其发展第一页，共47页。教材:

固体物理学─

陆栋蒋平徐至中<上海科技出版社>参考书:1.

固体物理学

黄昆韩汝琦<高教出版社> (西欧)2.固体物理基础

阎守胜 <北京大学出版社> (北美)3.固体物理学

顾秉林王喜坤<清华大学出版社>4.

IntroductiontoSolidStatePhysics─EighthEdition

[美]CharlesKittel(UCBerkeley)(西部)5.

SolidStatePhysics

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

计算固体物理学邹宪武金准智<武汉大学出版社>习题集:1.固体物理学习题解答 徐至中<上海科技出版社>2.固体物理学习题指导

刘友之<高教出版社>3.固体物理学概念和习题指导

王岭奉<山东大学出版社>第二页，共47页。学习内容:第0章绪论第一章全部 (习题与答疑)第二章1-4,5-6(自学并答题)(习题与答疑)(测验)

第三章概讲第四章全部 (习题与答疑)(测验)第五章略 第六章1-3,4-6(简介) (习题与答疑)第七章全部 (习题与答疑)

(考试)WuhanUniversity第三页，共47页。成绩组成:一.测验考试80% 1.第一、二章测验 5-10% 2.第三、四章测验 5-10% 3.期末全部内容考试 60-70%二.平时behaviors30--40% 1.作业 10%2.互动 10% 第四页，共47页。第0章序论什么是固体物理学固体物理学的特点、基本内容固体物理学的发展第五页，共47页。§0-1

什么是固体物理学物理学是研究物质的基本结构， 基本相互作用 基本运动规律的科学。固体物理学 什么是物理学什么是固体一．什么是物理学:第六页，共47页。◆是其他自然学科的基础；◆是高新技术革命性源泉；（机械、电气、电子与信息）◆从根本上改变了人类的宇宙观、时空观（日心说、量子论、相对论）促进了人类文明和社会进步，改变了人们的物质方式、文化方式以及战争方式，极大的丰富了人类的知识宝库，使人类从自在逐渐走向自为;◆是教育与培养现代人才必不可少的基础学科,

从满足孩童的好奇心到现代高科技离不开其熏陶。（普适教育；科学家＝物理学家）物理学的地位第七页，共47页。Feymann的话：如果在某一次大的灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，只有一句话可以传给下一代，那么，怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢？我相信那就是：原子假说即：万物都有原子构成，原子是一些小粒子，它们永不停地四下运动，当它们分开一个小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排斥第八页，共47页。

凝聚体：液、固、中间物（如生命体）

概念：处于凝固状态下的宏观物质二.什么是固体{气体：粒子离散；液、固体：粒子凝聚；液体：粒子离域:shearmode→0

(E/MRfluid)固体：粒子凝固:运动形式振动,

整体有固定的形状BEC:B-Econdensation微观、动量空间凝聚（超流、超导）

第九页，共47页。

研究固体的结构以及组成粒子间

相互作用与运动规律的学科

SolidStatePhysics

三．什么是固体物理学凝聚态物理:CondensedMatterPhysics1．概念：第十页，共47页。2．内容三要素

A.结构：（基本点宏观→大量离子、原子、分子）

固体按其内部结构特点可以分为三类：晶体、非晶体、准晶体

如何组成？第一、二章第十一页，共47页。晶体：粒子按一定规则周期有序排列的固体，有一定熔点结构特点：平移对称性＋旋转对称性且二者自洽

单晶：整块固体中粒子均是规则，周期排列。

多晶：由大量微小单晶粒组成。每个晶粒内粒子规则排列。 而各个晶粒间粒子排列取向不同。（如：金属、非金属、陶瓷）准晶体：粒子排列，无晶体周期平移不变性，但有某些取向旋转对称性非晶体：粒子排列无序或仅有短程序（1－2个原子尺度），无固定熔点。（如：玻璃、塑料等诸多有机物）※：以后不作特别说明，本书所说“固体”指“完整的单晶体。第十二页，共47页。NaClstructurea第十三页，共47页。DiamondcrystalQ-1,2CDWcrystals

Spinladdercompoundpolycrystalline第十四页，共47页。第十五页，共47页。起源：电磁相互作用──各原子最外层电子间，或它们与带电离子间相互作用形式：吸引：异性电荷排斥：①同性电荷②Pauli原理（量子力学）分类：离子、原子（共价）、金属、分子、氢键等B.相互作用（第三章）第十六页，共47页。

本征（基础）:

晶格运动(第四章):─

振动与波动 电子运动(第六、七章)

导体─自由迁移 非导体─束缚运动

对外场的响应（应用):

(第八十三章)

固体的力、热、电、磁、光性质及规律“Moreisdifferent”-P.W.AndersonC.运动规律第十七页，共47页。§0－2

固体物理学的内容、特点、地位一.基本内容晶体结构： 第一、二、五章晶体相互作用:第三章晶格动力学：第四章 离子的运动固体电子论：第六、七章核外价电子运动

固体物理专题：第八十三章电(导电、半导、超导、介电)、磁、光、表面等第十八页，共47页。二.基本特点1.典型的多体问题

一个系统一般粒子数目： ～1029个/1cm3

（NA～1023个） 粒子本身：微观→量子力学、量子场论 大量粒子：宏观→统计物理学“Moreisdifferent”-P.W.Anderson第十九页，共47页。2.结构特点：排列的规则性周期性（平移不变）→付氏变换（实空间波矢（倒）空间）对称性（平移与旋转不变）→群论

固体物理学整个体系（范氏）建立的核心

固体物理: 要结合“物”来研究“理”结构问题在固体物理占有相当比重（约为1/4-1/5）超导：结构→相互作用→解释其超导性？ C：金刚石、石墨、C60，碳管

力、电磁学:简化抽象“物”→质点、刚体等,重点讲“理”第二十页，共47页。Polymorphisms:CarbonDiamondGraphiteNanoCarbonTube

Fullerene富勒烯：任何多种如笼子状、空心的分子，由六角形或五角形的原子组成，尤其指形成钻石和宝石后的碳为第三形式的碳第二十一页，共47页。三.地位─其它物理学科关系

1.既是应用学科

以“普物”“理物”为基础，将其应用到固体中即结合“固体”这个“物”来应用上面的“理”

2.又是基础学科 讨论固体一般性质 →是金属、半导体、电介质、材料物理、超导等物理“基础”。 3.“普通”固体物理学

“普物”呈述典型的实验现象总结基本实验规律(归纳法)“理物”应用已有规律─“理论”:解释实验现象指导科学实践(演绎法)金属半导体超导体电介质磁性材料光学材料四大力学固体物理第二十二页，共47页。§0－3固体物理学的发展一.体系（范氏）建立以前（17～20世纪20年代前）

晶体宏观几何形态发现与小结 晶体微观结构特征猜想 晶体宏观物理性质（热、电、磁）等经验规律的发现

以物理学辉煌成果为基础二.建立过程（20－30’s年代）

实验上：X-ray、电子衍射→微观结构的直接测定→“晶体学”

理论上：量子力学、统计物理、群论→晶格动力学、电子能带论 →标志着固体物理学体系的建立→独立为一门学科

1940年，德国Seitz:第一本系统的固体物理学书“moderntheoryofsolidstate”第二十三页，共47页。三.大发展时期（50-70’s）

1.大批新型合金（Ti，V，Nb…）制备耐高温、高压、辐射材料→航空、航天、原子能工业→“金属物理学”2.半导体的发现（50’s）能带论→半导体→晶体管→集成电路（电子技术、计算技术、自控、计算机）→信息时代→“半导体物理学”3.超导理论解释（BCS理论、NobelPrice） →“超导物理学”4.大批功能晶体与陶瓷(BaTiO3,PZT,LiNbO3…)的开发 →“电介质物理学”5.各种磁性材料的发现

→“铁磁性物理学”

以固体物理学为基础各个分支学科的建立第二十四页，共47页。四.当代固体物理学的发展（特点、成就与拓展）1)

研究对象的多样化、复杂化（由简单→复杂及特殊的体系）

复杂：结构上，晶体→非晶体、准晶；过程（规律）：非平衡、非线性

特殊：体材→表面、界面、film、低维、Nano材料（零维）

2)多种现代及极端条件的应用

超高、低温、低压、强激光、磁共振、电子束、粒子束技术、同步辐射、中子衍射例如：a)

MBE：超晶格→量子阱激光器

b)同步辐射光（X－ray、紫外光）→高分辨→超晶格

1.特点第二十五页，共47页。3)

理论研究的深入

重正化群方法引入→相变理论（Wilson）自相似、自组织、混沌方法引入→非平衡、非线性问题fractal几何：分数维空间4)

与计算物理之间密切联系 计算机的发展将原来理论研究和实验结果的分析推向崭新阶段。

N4C3→超硬材料5)与其它学科相互交叉、渗透、互相促进、共同发展 微电子学、材料科学、激光物理与技术、化学、计算物理、能源科学等第二十六页，共47页。A.实验上的成就

◆

聚乙炔(CH)x等导电聚合物新型高分子导电材料：原料丰富，制备简便，具有可塑性掺杂可得到：绝缘体→半导体→导体→超导体

◆准晶的发现◆

量子Halleffect（整数、分数）IntegerHalleffect（IE） 80年，K.V.Klitzing：金属－绝缘体－半导体场效应管反型层1.5K，18.9Tesla85年Nobelprize

FractionHalleffect（FE） 82年实验(BellLab)，83年理论GaAs－AlxGaAs异质结表面上0.5K，250T98年Nobelprize

2.成就与发展第二十七页，共47页。◆高Tc氧化物超导体86年，Muller，Bednorz，IBMLabTc129K

在Mott绝缘体中（氧化物Ceramic）强关联系统→使对超导及固体物理认识更深入◆C60、C70等新材料的发展

是C的第三种Stablestate（金刚石、石墨） 球、管→团簇◆GMR与CMR（cosmic）

金属颗粒膜 GMR20-30%

金属多层膜Fr/Cr GMR20-30%

金属氧化物LaCaMnOCMR102～106

◆纳米（Nanometer）材料1~102nm

宏观尺度的量子效应

A－Beffect与周期性变化

电导的量子化：库伦阻塞

正常金属介观××××第二十八页，共47页。B.理论上的进展

对称破缺－相变理论

强关联电子系统－氧化物电子学

纳米材料－介观物理学新的学科分支：团簇物理学、表面物理、低维物理等第二十九页，共47页。3.拓展凝固－凝聚

基于： ①对固体的完全了解要涉及到液体 ②物质中有一些本身具有两相性 （softcondensedmatter） 区别：核心概念不同： 固体：对称性→波 凝聚体：对称破缺→元激发→准粒子等概括三个发展方向及三个当代具有生命力的根源[冯端（物理）(2001.5)]第三十页，共47页。§0－3固体物理学在现代科学技术中的应用举例HighTech─微电子、光电子、氧化物电子、超导电子产业:

器件:核心竞争力与原始创新 系统:例PC:CPU-Intel,AMD

整机-Dell,HP,IBM,联想－，台湾－培养具有原创能力的设计师与Engineer!电子科学与技术专业:

“四电子”器件: 设计

(design)

微电子: transistorIC-chip,device,EDA…

光电子:SQWL (semiconductorquantumwelllaser)LED(lightemissiondiode)

太阳能电池、发电机…

氧化物电子：气敏、电敏、光敏传感器….

超导电子：SQUID…How?OrWhy?第三十一页，共47页。器件设计与固体物理学:

微电子学—元素半导体Si,Ge光电子学—化合物半导体InP.GaAsGaN氧化物电子学—铁电绝缘体等BaTiO3,超导电子学—

超导体PbNb,YBa2Cu3O7-自旋电子学—AMR,GMR,TMR,CMR固体第三十二页，共47页。SQWMQWLED发光管结构图Pnn第三十三页，共47页。470nm蓝光二极管LED结构问题-Why能发蓝光?why需要几层不同成分的GaN?不同层的厚度如何确定?第三十四页，共47页。AlGaN/GaN-HEMT结构

(highelectronmobilitytransistor)问题-

◆

why需要几层不同成分的AlGaN,GaN,Sappire?

◆不同层的厚度如何确定?第三十五页，共47页。SemiconductorLaser第三十六页，共47页。原理:级联第三十七页，共47页。热电发电（Seebeck效应）ZT=2S

T/How→S,↑;↓第三十八页，共47页。TiO2的光催化DrawbackofTiO2forphotocatalysisItsband-gapis3.0-3.2eV,onlylessthan5%fractionofthesolarspectrumisabsorbed(紫外部分)紫外光可见光紅外光波长(nm)380nm780nm太阳光光谱光的量（光强）第三十九页，共47页。A.FertandP.Grunberg发现了巨磁阻效应发现了巨磁阻效应的三个重要意义导致磁存储与磁传感技术的革命诱导出一门新的学科-自旋(磁)电子学(spintronics)纳米技术的第一个重要的实际应用NobelPrizeinPhysics2007GiantMagnetoresistance

第四十页，共47页。GiantMagnetoresistance -A.FertandP.GrunbergFeCrj3nm0.9nmsuperlatticeA.Fert:PRL61(1988)2472

4.2K室温:MR=17%第四十一页，共47页。Born:1938,twochildren1962:巴黎高师:物理与数学双学士(五年)1963:南巴黎大学硕士"NMRofhydrogenabsorbedbypalladium“1970:南巴黎大学博士"Transportpropertiesofnickeletiron"1962-1964:AssistantatUniversitédeGrenoble

(1964-1965:militaryser