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固体物理 Solid State Physics

固体物理 Solid State Physics. 物理学的发展史. 物理（ Physics ） 源 于希腊文“ 自然 ” 称为自然哲学 (Nature Philosophy). 1610 年 1 月 7 日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为 哥白尼 学说找到了确凿的证据，标志着 哥白尼 学说开始走向胜利。. 土星光环、太阳黑子、太阳的自转、 金星和水星的盈亏现象. 银河是由无数恒星组成. 开辟了天文学的新时代. 十九世 纪 古典物理 学发 展已很完整.

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固体物理 Solid State Physics

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Presentation Transcript

  1. 固体物理Solid State Physics

  2. 物理学的发展史 物理（Physics） 源于希腊文“自然” 称为自然哲学 (Nature Philosophy)

  3. 1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。 土星光环、太阳黑子、太阳的自转、 金星和水星的盈亏现象 银河是由无数恒星组成 开辟了天文学的新时代

  4. 十九世纪 古典物理学发展已很完整

  5. 20世纪以后发展的物理称为近代物理 近代物理学 两大基石:量子力学及相对论 1900年 普朗克（德国人）提出量子 论，经20多年发展成量子力学 1905年爱因斯坦提出狭义相对论

  6. 近代物理以研究对象作为分类依据 研究對象 基本粒子物理(elementary particle physics)原子核物理(nuclear physics)原子分子物理(atomic and molecular physics)凝聚态物理(condensed matter physics)表面物理(surface physics)等离子体物理(plasma physics)

  7. 凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。凝聚态物理的研究对象除晶体、非晶体与准晶体等固相物质外还包括从稠密气体、液体以及介于液态和固态之间的各类居间凝聚相，例如液氦、液晶、熔盐、液态金属、电解液、玻璃、凝胶等。

  8. 固体物理研究对象 晶体、非晶体与准晶体等固相物质

  9. 几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。几百万年前的石器时代，或者几万年前人类开始冶炼金属、制造农具和刀箭的时代。 通过炼金术，人们了解了一些材料的颜色、硬度、熔化等性质，并用之于绘画、装饰等，但这只能说人们学会了使用固体。

  10. 何为晶体，非晶体？

  11. 理想晶体中原子排列是十分规 则的，主要体现是原子排列具有周 期性，或者称为是长程有序的。

  12. 非晶体则不具有长程有序的性质， 但是在非晶体中原子排列也不是 杂乱无章、完全无序的，仍然保 留有原子排列的短程序。

  13. 晶体---单晶体：水晶、岩盐、金刚石 ---多晶体：金属、陶瓷 非晶体：高分子材料，橡胶，塑料， 松香，石蜡

  14. 1984年，实验发现一类和晶体、非晶体都不相同的固体，在这类固体中发现了已经证明在晶体中不可能存在的五重对称轴，使人们想到介于晶体和非晶体之间的固体，称为准晶体

  15. 固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的粒子的运动形态及其相互关系的科学。

  16. 研究对象： 固体的结构及其组成粒子（原子、离子、分子、电子等）之间相互作用与运动规律，以阐明其性能和用途。 固体物理是固体材料和器件的基础学科，是新材料、新器件的生长点。

  17. 近代物理发展史 • 1. 1803年，道尔顿 近代原子论：万物由几十种原子组成。 • 1803年10月，在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中，道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为三点:

  18. 1)元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。1)元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成，原子在一切化学变化中不可再分，并保持自己的独特性质。 (2)同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质也各不相同，原子质量是每一种元素以简单整数比结合。 的基本特征之一。 (3)不同元素化合时，原子以简单整数比结合。

  19. 第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。

  20. 2. 19世纪60年代，门捷列夫—元素周期表 3. 19世纪末，发现电子、α 粒子、放射性、X射线、γ 射线，证明原子不是物质构成的最小单元。

  21. 4. 20世纪初，卢瑟夫建立原子结构的行星模型，探讨原子结构模型和经典物理学的矛盾，导致量子力学诞生。产生了原子、分子物理、凝聚态物理、原子核物理。

  22. 二、固体物理的研究对象 • 固体物理是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。 • 固体按结构分为：晶体和非晶体 • 固体物理研究首先选择晶体作为研究对象来研究固体电子和原子的运动规律，在此基础上才开始研究非晶体。

  23. 概念了解： • 理想晶体——内在结构完全规则的固体_又叫做完整晶体。 • 近乎完整的晶体——固体中或多或少地存在有不规则性（缺陷），在规则排列的背景中尚存在微量不规则性的晶体

  24. 硅表面硅原子的排列STM image G.Binning和H.Rohrer STM 1986年诺贝尔

  25. 德国的Knoll和Ruska TEM HRTEM image and ED pattern of CdS nanowires

  26. 点缺陷：晶体中偏离晶格周期性的现象仅局限在格点附近一个或几个晶格常数范围内点缺陷：晶体中偏离晶格周期性的现象仅局限在格点附近一个或几个晶格常数范围内 • 空位（Schottky缺陷）、 Frenkel缺陷（间隙原子）、杂质原子 • 线缺陷：刃位错 • 螺位错 • 面缺陷：晶粒间界、孪晶界、小角晶界和层错等。

  27. 卢柯，沈阳金属所

  28. 固体物理是在研究了理想晶体的基础上主要研究近乎完整的晶体中微量缺陷的作用展开的。固体物理是在研究了理想晶体的基础上主要研究近乎完整的晶体中微量缺陷的作用展开的。 • 如杂质的应用： • 1）纯Fe + C === 钢 (热处理) • 纯铁在1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ铁； • 当冷却到1394℃时转变为面心立方晶格的γ铁； • 继续冷却至912℃时，转变成了具有体心立方晶格的α铁。再继续冷却时晶格类型不再发生变化。 • 2）Si Ge + ⅢA或ⅤA元素 =掺杂=灵敏半导体(n,p型) • 3）白宝石（刚玉Al2O3） + 微量铬离子===红宝石

  29. 三、发展过程 • 十七世纪，惠更斯 椭球堆积模型，解释方解石双折射现象。 • 十八世纪，阿羽依 晶体由平行六面体的基石堆积，有理指数定律。 cos(a1,n): cos(a2,n) : cos(a3,n) =1/r : 1/s : 1/t • 十九世纪，布喇菲 空间点阵学说：一些相同的点子在空间有规律地作周期性的无限分布。 • 十九世纪末，费多罗夫、熊夫利、巴罗等发展了晶体微观几何结构的理论体系===空间群理论。

  30. 另外，十九世纪根据经验总结了许多经验定律：另外，十九世纪根据经验总结了许多经验定律： • 晶体比热：杜隆-珀替定律，Cv=3NkB • 导热导电性质：魏德曼-佛兰兹定律：在室温下，金属的热导率和电导率的比值为常数。 • 热导率 • 电导率 • τ为弛豫时间

  31. 特鲁德、洛仑兹：经典金属自由电子论 金属中的价电子象气体分子一样组成电子气体，可以同离子碰撞，在一定温度下达到平衡。电子气服从麦克斯韦-玻尔兹曼统计。

  32. 二十世纪： • 1） 1912年，劳厄：晶体可以作为X射线衍射光栅，证实空间群理论。 XRD确定晶相。 • 2） 量子理论的发现可以深入正确描述晶体内部微观粒子的运动过程。 • 爱因斯坦：引入量子化概念研究晶格振动。 • 索末菲：在自由电子论基础上发展了固体量子论。 • 费米发展了电子统计理论：电子服从费米-狄拉克统计。为以后研究晶体中电子运动的过程指出了方向。

  33. 在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预测了半导体的存在。在以上基础上，建立了晶格动力学和固体电子态理论（能带论）。区分了导体和绝缘体。预测了半导体的存在。 • 3） 20世纪四十年代末，以诸、硅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。 • 4）1960年诞生的激光技术对固体的电光、声光和磁光器件不断地提出新要求。

  34. 四、学科领域 • 1）研究固体中的元激发及其能谱，揭示固体内部微观过程。 光与固体作用—发展光电子器件。 如光电子能谱等 XPS • 2） 研究固体内部原子间结合力的性质及复杂结构的关系，掌握缺陷形成和运动以及结构变化（相变）的规律，发展功能复合材料。 高强度轻质材料（飞机、火箭、导弹） • 3） 研究极低温、极高压、强磁场、强辐射条件下固体的性质，发展新能源材料。 核反应堆材料，人造金刚石技术、航天材料等

  35. 4）表面物理：研究表面对固体材料防腐蚀、防断裂的作用以及化学催化的微观机制。4）表面物理：研究表面对固体材料防腐蚀、防断裂的作用以及化学催化的微观机制。 • 金属防护（氧化物、氮化物、碳化物薄膜）。 • 双疏双亲-----化学所 江雷 • 5） 非晶态物理：研究非晶体原子、电子微观过程。 • 6）一般条件下金属、半导体、电介质、磁性物质、发光等材料的各种性质。

  36. 五、研究方法 • 是一门实验性学科。为阐明固体表现出的现象与内在本质的联系，建立和发展关于固体的微观理论 • 固体是个复杂的客体，1m3含有数量级为1029的原子、电子，相互作用非常强。 • 其宏观性质是大量粒子之间相互作用和集体运动的总表现。

  37. 研究过程中必须抓住主要矛盾来分析。 • 如： • 1）晶体中原子规则排列---周期性---晶格动力学。 • 点群32和空间群230 • 引入声子概念---解释低温固体比热。 • 2）金属—电子公有化概念---用单电子近似的方法—建立能带论。由一定能量范围内准连续分布的能级组成的能带。 • 孤立原子：分立能级， 自由电子：连续能级。 • 3）物质的铁磁性—— 研究了电子与声子的相互作用，阐明低温磁化强度随温度变化的规律。 • 4）超导理论：电子与晶格振动的相互作用在电子间产生间接吸引力，形成库柏电子对。库柏对的凝聚表现为超导电相变。

  38. 子学科 • 金属物理、半导体物理、晶体物理、晶体生长（固体化学）、磁学、电解质（液晶）物理、固体发光、超导体物理、固态电子学、固态光电子学 • 发展为相对独立的分支

  39. 场发射电子扫描显微镜

  40. Fig. 3 吸附在铂单晶表面上的碘原子3×3阵列STM图象 Fig. 4 搬动48个Fe原子到Cu表面上构成的量子围栏的STM象。

  41. 有机铁磁体的原子力显微镜像 光盘预刻槽的原子力显微镜(AFM)像 烟草花叶病毒(MTV)的原子力显微镜像  多孔氧化铝模板的原子力显微镜(AFM)图像

  42. 实践是检验真理的标准，必须把所作的假设放到实践中接受检验，才能在理论研究在中既运用假说、近似，将复杂问题简单化，又能充分注意真实客体的复杂性，避免认识的片面性实践是检验真理的标准，必须把所作的假设放到实践中接受检验，才能在理论研究在中既运用假说、近似，将复杂问题简单化，又能充分注意真实客体的复杂性，避免认识的片面性

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