固体物理绪论.ppt

固体物理学SolidStatePhsicsys 绪论 一 固体物理的研究对象二 固体物理的发展过程三 固体物理的研究方法四 固体物理学参考教材五 课程安排和评价体系 一 固体物理的研究对象 研究固体的性质 微观结构及其各种内部运动 以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科 重点不在于描述固体的宏观物理性质 而是去阐明和理解固体的宏观性质 解释形成这些性质的原因 从而找出控制 利用 改善这些性质的方法 例如 普通物理使我们知道了欧姆定律 固体物理将说明固体电阻的来源并从理论上推导出欧姆定律 分析出不同固体导电性能不同的原因 固体物理研究的不是单个原子的性质 而是大量原子组成在一起形成固体后所表现出来的集体性质 固体是由大量原子和分子 1023 cm3 组成的 固体的性质虽然也和组成固体的原子 分子种类有关 但更主要的是和这些原子采用什么方式结合在一起 它们的空间排列方式 相互作用力类型 特别是和原子形成固体后其价电子的运动状态有关 固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的桥梁 例如 性质完全不同的无定形碳 石墨 金刚石都是由相同的碳原子组成的 是碳原子空间排列和结合方式的差异带来了其物理性质的极端不同 美国贝尔电话实验室两次Noble物理奖获得者巴丁 J Bardeen 说 固体物理学依据物质的电子结构和原子结构来了解固体的各种性质 因此只有通过对固体微观结构和组成固体微观粒子之间的相互作用及运动机制的研究才能理解固体的性质 固体按结构分类 原子有序排列尺度在原子尺度10 10m 短程有序 如玻璃 橡胶 塑料等 非晶体 晶体 准晶体 微晶体 一种介于晶态和非晶态之间的状态 特点 具有五次旋转对称轴 但没有周期性 原子在几纳米范围内有序排列 形成晶粒 晶粒之间不接触 悬浮 在非晶组织中 如纳米晶体 超晶体 原子在微米量级范围有序排列 形成单晶粒 整个晶体由单晶粒随机堆积而成 晶粒与晶粒之间存在晶粒间界 如多晶硅 大量金属 原子在整个固体中有序排列 如单晶硅 主要的研究对象 晶体 理想晶体 内在结构完全规则的固体 又叫完整晶体 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 纯铁中掺入微量的碳 钢 质地比铁坚硬得多 锗 硅单晶体掺入微量的杂质 才是灵敏的半导体 红宝石是在白宝石 刚玉晶体 中掺入了微量的铬离子后才变为红色 固体物理已成为固体材料和器件的基础学科 是固体新材料和新器件的生长点 固体是由什么原子组成 它们是怎样排列和结合的 这种结构是如何形成的 在特定的固体中 电子和原子取什么样的具体的运动形态 它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系 各种固体有哪些可能的应用 探索设计和制备新的固体 研究其特性 开发其应用 基本问题主要有以下七个方面 凡草木花多五出 雪花独六出 韩诗外传 西汉 雪花的六角对称性是其内部周期性结构的体现 六角雪花论 J Kepler 1611 二 固体物理的发展历程 1784年法国学者阿羽依 晶体具有规则的几何外形 是晶体中原子 分子规则排列的结果 1848年法国学者布拉斐 A Bravais 空间点阵1890年 费多罗夫 E S Fedorov 1891年 熊夫里斯 A Sch nflies 空间群论 晶体微观结构的几何理论 1895年 伦琴发现X射线 1912年 劳厄 M vonLaue 弗里德里希 W Feriederich 克尼平 P Knipping 晶体X射线实验 验证了晶体结构的周期性 1940年 赛兹 SeitzF 出版 ModernTheoryofSolids 1928年 Bloch创建能带论 195 年 黄昆 程开甲 中国固体物理的创始人 新的实验条件和技术日新月异 为固体物理不断开拓出新的研究领域 极低温 超高压 强磁场等极端条件 超高真空技术 表面能谱术 材料制备的新技术 同步辐射技术 核物理技术 激光技术 光散射效应 各种粒子束技术 电子显微术 穆斯堡尔效应 正电子湮没技术 磁共振技术等现代化实验手段 使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展 例 1988年发现巨磁电阻效应 GMR 小硬盘大发现硬盘技术之父2007年摘得诺贝尔物理学奖 法国科学家艾尔伯 费尔AlbertFert德国科学家皮特 克鲁伯格PeterGr nberg 得益于 巨磁电阻 效应这一重大发现 最近20多年来 我们开始能够在笔记本电脑 音乐播放器等产品中安装的越来越小的硬盘来存储海量信息 上世纪六七十年代后 固体物理的发展更为迅速 不但晶体材料的研究更加完美 而且逐渐走出大块晶体的范畴 开始了对微细材料和无序固体的开发和利用 新发现 新进展接踵而来 英国曼彻斯特大学科学家安德烈 海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫以石墨烯研究获得 年度诺贝尔物理学奖 康斯坦丁 诺沃肖洛夫 1974 8出生 安德烈 海姆 1958 10出生 常见石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的石墨的层间作用力较弱 很容易互相剥离 形成薄薄的石墨片当把石墨片剥成单层之后 这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯 1959年 著名的诺贝尔奖得主费曼 RichardFeynman 就设想 如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子 那会产生什么样的奇迹 毫无疑问 如果我们对细微尺度的事物加以控制的话 将大大扩充我们可以获得物性的范围 如今 费曼的预言已经初步实现 我们已能够制备包括几十个到几万个原子的纳米粒子 并把它们作为基本构成单元 适当排列成一维量子线 二维量子面和三维纳米固体 1989年在美国加州的IBM实验内 依格勒博士 D Eigler 采用低温 超高真空条件下的扫描隧道显微镜 STM 操纵着一个个氙原子 STM的针尖成了搬运原子的 抓斗 依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标 实现了人类另一个幻想 直接操纵单个原子 原子间间距只有1 3nm左右 这是人类有目的 有规律地移动和排布单个原子的开始 从二十世纪固体物理发展中得到的几点认识 固体物理正在向凝聚态物理的范畴扩展 固体物理的基本概念和实验技术已在非固体学科中得到广泛应用 成为众多学科的共同财富 固体物理是物质结构中最丰富的层次 因而构成了对于人类智力的巨大挑战 70多年来的新发现不断涌现 使之对高新技术发展的推动势头不但不减 在新世纪反而变得更加突出 三 固体物理的研究方法 理论上 是一个非常复杂的多体问题 不可能直接精确求解 需要引入假说 模型和近似 合作现象 平均场近似 固体磁性理论基于用量子力学处理交换相互作用 理想的周期性 晶格动力学基于统计物理和量子论来研究固体的热性质 单电子近似 固体能带理论基于量子力学与统计物理来研究固体导电性 实验上 大量的实验是固体理论的形成基础 验证 并且是新材料 新器件诞生的主要来源 几十年来 新技术为固体物理领域的研究提供了优越的手段 四 固体物理学参考教材 固体物理学 黄昆 韩汝琦 高等教育出版社 固体物理教程 王矜奉编著 山东大学出版社 固体物理导论 基泰尔 C Kittel 化学工业出版社 4 凝聚态物理学 上卷冯端 金国钧高等教育出版社 SolidStatePhysics G Grosso