固体物理CH0-1 引言 固体物理的基本内容及其发展

1、固体物理学固体物理学Solid State Physics2014. Sep 2015 Jan武汉大学武汉大学 Wuhan University熊 锐 Tel：68754613 (Lab); Email: ; qq号：号：1325392691 教教 材材: 固体物理学固体物理学 陆栋陆栋 蒋平蒋平 徐至中徐至中参考书参考书: 1. 固体物理学固体物理学 黄 昆 韩汝琦 (西欧) 2. 固体物理基础固体物理基础 阎守胜 (北美) 3. 固体物理学固体物理学 顾秉林 王喜坤 4. Introduction to Solid State Physics Eighth Edi

2、tion 美 Charles Kittel(UC Berkeley) (西部) 5. Solid State Physics 美 N.W.Ashcroft N.D.Mermin ( Cornel University) (东部) 6. 计算固体物理学计算固体物理学 邹宪武 金准智 习题集习题集: 1.固体物理学习题解答固体物理学习题解答 徐至中 2.固体物理学习题指导固体物理学习题指导 刘友之 3.固体物理学概念和习题指导固体物理学概念和习题指导 王岭奉 学习内容学习内容:第第0 章章 绪论绪论第一章第一章 全部全部 (习题与答疑习题与答疑)第二章第二章 1-4, 5-6(自学并答题自学并答题

3、) (习题与答疑习题与答疑) (测验测验) 第三章第三章 概概 讲讲第四章第四章 全部全部 (习题与答疑习题与答疑) (测验测验)第五章第五章 略略第六章第六章 1-3, 4-6 (简介简介) (习题与答疑习题与答疑)第七章第七章 全部全部 (习题与答疑习题与答疑) (考试考试)Wuhan University成绩组成成绩组成:一一. 测验考试测验考试 80% 1. 第一、二章第一、二章 测验测验 5-10% 2. 第三、四章第三、四章 测验测验 5-10% 3. 期末全部内容考试期末全部内容考试 60-70%二二. 平时平时behaviors 30-40 % 1. 作业作业 10% 2. 互

4、动互动 10%第第0章章 序论序论n什么是固体物理学什么是固体物理学n固体物理学的特点、基本内容固体物理学的特点、基本内容n固体物理学的发展固体物理学的发展0-1 什么是固体物理学什么是固体物理学物理学是物理学是研究物质的基本结构，研究物质的基本结构， 基本相互作用基本相互作用 基本运动规律基本运动规律 的科学。的科学。固体物理学固体物理学什么是物理学什么是物理学什么是固体什么是固体一什么是物理学一什么是物理学 : 是其他自然学科的基础；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）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、时空观从

5、根本上改变了人类的宇宙观、时空观（日心说、量子论、相对日心说、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。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）（普适教育；科学家物理学家）物理学的地位物理学的地位Feymann的

6、话：的话： 如果在某一次大如果在某一次大的灾难中，所有的科的灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，学知识都将被毁灭，只有一句话可以传给只有一句话可以传给下一代，那么，怎样下一代，那么，怎样的说法能够以最少的的说法能够以最少的词汇包含最多的信息词汇包含最多的信息呢？呢？ 我相信那就是：我相信那就是：原子假说原子假说 即：万物都有原子即：万物都有原子构成，原子是一些小粒构成，原子是一些小粒子，它们永不停地四下子，它们永不停地四下运动，当它们分开一个运动，当它们分开一个小距离时彼此吸引，而小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排被挤到一堆时则相互排斥斥 凝凝 聚聚 体：液、固、中间物（如生命体）体：液、

7、固、中间物（如生命体） 概念概念：处于凝固状态下的宏观物质处于凝固状态下的宏观物质二二.什么是固体什么是固体气气 体：粒子体：粒子离散离散；液、固体：粒子液、固体：粒子凝聚凝聚；液体：粒子离域: shear mode 0 (E/MR fluid)固体：粒子凝固: 运动形式振动, 整体有固定的形状BEC: B-E condensation 微观、动量空间凝聚（超流、超导）微观、动量空间凝聚（超流、超导） 研究固体的研究固体的结构结构以及组成粒子间以及组成粒子间 相互作用相互作用与与运动规律运动规律的学科的学科 Solid State Physics 三三 什么是固体物理学什么是固体物理学凝聚态物

8、理凝聚态物理:Condensed Matter Physics1概念：概念：2 2内容内容 三要素三要素A.A.结构：（基本点结构：（基本点 宏观宏观大量离子、原子、分子）大量离子、原子、分子）固体按其内部结构特点可以分为三类：固体按其内部结构特点可以分为三类： 晶体、非晶体、准晶体晶体、非晶体、准晶体如何组成？如何组成？第一、二章第一、二章晶晶 体：体：粒子按粒子按一定规则周期有序一定规则周期有序排列的固体，有一定熔点排列的固体，有一定熔点结构特点：结构特点：平移对称性旋转对称性平移对称性旋转对称性且二者自洽且二者自洽 单晶：单晶：整块固体中粒子均是规则，周期排列。整块固体中粒子均是规则，周

9、期排列。 多晶：多晶：由大量微小单晶粒组成。每个晶粒内粒子规则排列。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。而各个晶粒间粒子排列取向不同。 （如：金属、非金属、陶瓷）（如：金属、非金属、陶瓷）准晶体：准晶体：粒子排列，无晶体周期平移不变性，但粒子排列，无晶体周期平移不变性，但有某些取向旋转对称性有某些取向旋转对称性非晶体：非晶体：粒子排列粒子排列无序或仅有短程序无序或仅有短程序（12个原子尺度），无固定熔个原子尺度），无固定熔 点。（如：玻璃、塑料等诸多有机物）点。（如：玻璃、塑料等诸多有机物）：以后不作特别说明，本书所说：以后不作特别说明，本书所说“固体

10、固体”指指“完整的单晶体。完整的单晶体。NaCl structureCrystalaLiH4.08 MgO4.20MnO4.43NaCl5.63AgBr5.77PbS5.92KCl6.29KBr6.59aDiamond crystalQ-1,2 CDW crystals Spin ladder compound polycrystalline起源起源：电磁相互作用：电磁相互作用 各原子最外层电子间，或它们各原子最外层电子间，或它们 与带电离子间相互作用与带电离子间相互作用形式形式：吸引：异性电荷：吸引：异性电荷 排斥：同性电荷排斥：同性电荷 P Pauli原理（量子力学）原理（量子力学）分类分

11、类：离子、原子（共价）、金属、分子、氢键等：离子、原子（共价）、金属、分子、氢键等B.相互作用（相互作用（第三章第三章）本征本征（基础）基础）: : 晶格运动晶格运动( ( 第四章第四章): ): 振动与波动振动与波动 电子运动电子运动( (第六、第六、 七章七章) ) 导体导体 自由迁移自由迁移 非导体非导体 束缚运动束缚运动 对外场的响应（对外场的响应（应用应用) ): : ( (第八第八 十三章十三章) ) 固体的力、热、电、磁、光性质及规律固体的力、热、电、磁、光性质及规律“More is different”- P.W. AndersonC.运动规律运动规律02 固体物理学的内容、特

12、点、地位固体物理学的内容、特点、地位一一.基本内容基本内容晶体结构：晶体结构： 第一、二、五章第一、二、五章晶体相互作用晶体相互作用: : 第三章第三章晶格动力学：晶格动力学： 第四章第四章 离子的运动离子的运动固体电子论：固体电子论： 第六、七章第六、七章 核外价电子运动核外价电子运动 固体物理专题：固体物理专题： 第八第八 十三章十三章 电电( (导电、半导、导电、半导、 超导、介电超导、介电) )、磁、光、表面等、磁、光、表面等二二. 基本特点基本特点1. 典型的多体问题典型的多体问题 一个系统一般粒子数目：一个系统一般粒子数目： 1029个个/1cm3 （NA1023个）个）粒子本身：

13、微观粒子本身：微观量子力学、量子场论量子力学、量子场论大量粒子：宏观大量粒子：宏观统计物理学统计物理学“More is different”- P.W. Anderson2. 结构特点结构特点：排列的排列的规则性规则性周期性（平移不变）周期性（平移不变） 付氏变换（实空间付氏变换（实空间 波矢（倒）空间）波矢（倒）空间）对称性（平移与旋转不变）对称性（平移与旋转不变）群论群论 固体物理学整个体系（范氏）建立的核心固体物理学整个体系（范氏）建立的核心 固体物理固体物理: : 要结合要结合“物物”来研究来研究“理理” 结构问题在固体物理占有相当比重（约为结构问题在固体物理占有相当比重（约为1/4-

14、1/51/4-1/5） 超导：结构超导：结构相互作用相互作用解释其超导性？解释其超导性？ C C：金刚石、石墨、：金刚石、石墨、C60C60，碳管，碳管 力、电磁学力、电磁学: : 简化抽象简化抽象“物物”质点、刚体等质点、刚体等, , 重点讲重点讲“理理”Polymorphisms: CarbonDiamondGraphiteNano Carbon Tube 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三三.地位地位其它物理学科关系其它物理学科关系 1. 既是应用学科既是应用学科 以以“普物普物”“理物理物”为基

15、础，将其应用到固体中为基础，将其应用到固体中 即结合即结合“固体固体”这个这个“物物”来应用上面的来应用上面的“理理” 2. 又是基础学科又是基础学科 讨论固体一般性质讨论固体一般性质是金属、半导体、电介质、材料物理、超导等物理是金属、半导体、电介质、材料物理、超导等物理“基础基础”。 3. “普通普通”固体物理学固体物理学 “普物普物” 呈述典型的实验现象呈述典型的实验现象 总结基本实验规律总结基本实验规律 (归纳归纳法法) “理物理物” 应用已有规律应用已有规律“理论理论”: 解释实验现象解释实验现象 指导科学实践指导科学实践 (演绎演绎法法)金属金属 半导体半导体 超导体超导体 电介电介

16、质质 磁性材料磁性材料 光学材料光学材料四大力学四大力学固体物理固体物理03 固体物理学的发展固体物理学的发展一一. 体系（范氏）建立以前体系（范氏）建立以前 （1720世纪 20年代前）晶体宏观几何形态发现与小结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以物理学辉煌成果为基础二二. 建立过程（建立过程（2030s 年代）年代） 实验上实验上：X-ray、电子衍射、电子衍射 微观结构的直接测定微观结构的直接测定“晶体学晶体学” 理论上理论上：量子力学、统计

17、物理、群论：量子力学、统计物理、群论晶格动力学、电子能带论晶格动力学、电子能带论 标志着固体物理学体系的建立标志着固体物理学体系的建立独立为一门学科独立为一门学科1940年，德国年，德国Seitz:第一本系统的固体物理学书第一本系统的固体物理学书 “modern theory of solid state”三三. 大发展时期（大发展时期（50-70s） 1. 大批新型合金（大批新型合金（Ti，V，Nb）制备）制备 耐高温、高压、辐射材料耐高温、高压、辐射材料航空、航天、原子能工业航空、航天、原子能工业 “金属物理学金属物理学” 2. 半导体的发现（半导体的发现（50s） 能带论能带论半导体半导

18、体晶体管晶体管集成电路集成电路 （电子技术、计算技术、自控、计算机）（电子技术、计算技术、自控、计算机）信息时代信息时代 “半导体物理学半导体物理学” 3. 超导理论解释（超导理论解释（BCS理论、理论、Nobel Price） “超导物理学超导物理学” 4. 大批功能晶体与陶瓷大批功能晶体与陶瓷(BaTiO3,PZT,LiNbO3)的开发的开发 “电介质物理学电介质物理学” 5. 各种磁性材料的发现各种磁性材料的发现 “铁磁性物理学铁磁性物理学” 以固体物理学为基础各个分支学科的建立以固体物理学为基础各个分支学科的建立四四. 当代固体物理学的发展（特点、成就与拓展）当代固体物理学的发展（特点

19、、成就与拓展） 1) 研究对象的多样化、复杂化研究对象的多样化、复杂化 （由简单（由简单复杂复杂及及特殊特殊的体系）的体系） 复杂复杂：结构上，晶体：结构上，晶体非晶体、准晶；非晶体、准晶； 过程（规律）：非平衡、非线性过程（规律）：非平衡、非线性 特殊特殊：体材：体材表面、界面、表面、界面、film、低维、低维、Nano材料（零维）材料（零维） 2) 多种现代及极端条件的应用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、超高、低温、低压、强激光、磁共振、电子束、粒子束技术、 同步辐射、中子衍射同步辐射、中子衍射 例如：例如： a) MBE：超晶格：超晶格量子

20、阱激光器量子阱激光器 b) 同步辐射光（同步辐射光（Xray、紫外光）、紫外光）高分辨高分辨超晶格超晶格 1. 特点特点3) 理论研究的深入理论研究的深入 重正化群方法引入重正化群方法引入相变理论（相变理论（Wilson） 自相似、自组织、混沌方法引入自相似、自组织、混沌方法引入非平衡、非线性问题非平衡、非线性问题 fractal几何：分数维空间几何：分数维空间4) 与计算物理之间密切联系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。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超硬材料超硬材料5) 与其它学科相互交叉、渗透、互相促进、共同

21、发展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、微电子学、材料科学、激光物理与技术、化学、计算物理、 能源科学等能源科学等A. 实验上的成就实验上的成就 聚乙炔聚乙炔(CH)x等导电聚合物等导电聚合物 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 准晶的发现准晶的发现 量子量子Hall effect （整数、分数）（整数、分数） Integer Hall effect（IE）80年，K.V.Klitzing：金属绝缘体半导体场效应管反型层 1.5K，18.9Tesla 85年 Nobel prize

22、 Fraction Hall effect（FE）82年实验(Bell Lab)，83年理论 GaAsAlxGaAs异质结表面上 0.5K，250T 98年 Nobel prize 2. 成就与发展成就与发展 高高Tc氧化物超导体氧化物超导体 86年，Muller，Bednorz，IBM Lab Tc 129K 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等新材料的发展等新材料的发展 是C的第三种Stable state （金刚石、石墨） 球、管团簇 GMR与与CMR（cosmic） 金属颗粒膜 GMR 20-30% 金属多层膜 Fr/Cr

23、 GMR 20-30% 金属氧化物 LaCaMnO CMR 102106 纳米（纳米（Nanometer）材料）材料 1102nm 宏观尺度的量子效应 AB effect 与周期性变化 电导的量子化：库伦阻塞 正常金属介观B. 理论上的进展理论上的进展 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3.拓展拓展凝固凝聚基于：对固体的完全了解要涉及到液体 物质中有一些本身具有两相性 （soft condensed matter）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

24、生命力的根源冯端（物理）(2001.5)03 固体物理学固体物理学在现代科学技术中的应用举例在现代科学技术中的应用举例 High Tech 微电子、光电子、氧化物电子、超导电子产业微电子、光电子、氧化物电子、超导电子产业: 器件器件: : 核心竞争力与原始创新核心竞争力与原始创新 系统系统: : 例例 PC: CPU-Intel, AMD 整机整机-Dell, HP, IBM, 联想，台湾联想，台湾培养具有原创能力的设计师与培养具有原创能力的设计师与Engineer!电子科学与技术专业电子科学与技术专业: “四电子四电子”器件器件: : 设计设计 ( design)微电子微电子: transi

25、stor IC-chip, device, EDA 光电子光电子: SQWL (semiconductor quantum well laser ) LED (light emission diode) 太阳能电池、发电机太阳能电池、发电机 氧化物电子：气敏、电敏、光敏传感器氧化物电子：气敏、电敏、光敏传感器. 超导电子：超导电子：SQUIDHow? Or Why? 器件设计与固体物理学器件设计与固体物理学: 微电子学微电子学 元素半导体元素半导体 Si,Ge 光电子学光电子学 化合物半导体化合物半导体 InP. GaAs GaN 氧化物电子学氧化物电子学 铁电绝缘体等铁电绝缘体等 BaTiO

26、3, 超导电子学超导电子学 超导体超导体 PbNb, YBa2Cu3O7- 自旋电子学自旋电子学 AMR,GMR, TMR, CMR固固体体SQWMQWLED发光管结构图发光管结构图Pnn470 nm 蓝光二极管LED结构问题问题- u Why 能发蓝光能发蓝光?u why 需要几层不同需要几层不同成分的成分的 GaN?u不同层的厚度如何不同层的厚度如何确定确定?AlGaN/GaN -HEMT结构 (high electron mobility transistor)问题问题- why 需要几层不同成分的需要几层不同成分的 AlGaN, GaN, Sappire? 不同层的厚度如何确定不同层的

27、厚度如何确定?Semiconductor Laser原原 理理: :级联级联热电发电（热电发电（Seebeck 效应）效应）ZT=2S T/ How S, ; TiO2的光催化的光催化Drawback of TiO2 for photocatalysis Its band-gap is 3.0-3.2eV, only less than 5% fraction of the solar spectrum is absorbed( (紫外部分紫外部分) )紫外光紫外光可可见见光光紅外光紅外光波波长长(nm)380nm780nm太太阳阳光光光光谱谱光的量光的量（光强）（光强）uA. Fert an

28、d P. Grunberg 发现了巨磁阻效应发现了巨磁阻效应u发现了巨磁阻效应的三个重要意义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导致磁存储与磁传感技术的革命诱导出一门新的学科诱导出一门新的学科- -自旋自旋( (磁磁) )电子学电子学( (spintronics) ) 纳米技术的第一个重要的实际应用纳米技术的第一个重要的实际应用Nobel Prize in Physics 2007 Giant Magnetoresistance Giant Magnetoresistance - A. Fert and P. Grunberg FeCrj3nm0.9nmsuperlatticeA.Fert: PRL61(1988)2472 4.2K0H 室温室温: MR=17%Born: 1938, two children 1962: 巴黎高师: 物理与数学 双学士 (五年)1963: 南巴黎大学 硕士 NMR of hydrogen absorbed by palladium “1970:南巴黎大学 博士 Transport properties of nickel et iron 1962-1964 : Assistant at Universit de Grenoble ( 1