固体物理绪论

固体物理学SolidStatePhysics,王超群合肥工业大学电物学院2014年09月,固体物理开山之作：TheModeronTheoryofSolids,美国物理学家：FrederickSeitz20世纪40年代,中国：黄昆、程开甲20世纪50年代,中国固体物理的创始人,固体物理,非晶态、液晶态、液态、高分子.,晶体,凝聚态物理,绪论,一、固体物理的发展过程-为什么要学习固体物理学二、固体物理的研究对象三、固体物理学课程特点四、固体物理的研究方法五、固体物理学参考教材,一、固体物理的发展过程,固体物理学发展简史,固体物理学发展简史,固体物理学发展简史,固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、信息科学、生命科学、地学等的影响日益增长，正在形成新的交叉领域。,例：J巴丁、WH布拉顿和WB肖克利1947年12月23日发现了半导体晶体管的放大效应，由此带来的巨大影响是固体物理和高科技发展关系的最典型的说明。,摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,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PeterGrnberg,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。,巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。,“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。”或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。,但是，即便是巨磁阻这项叱诧风云的技术，发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是“垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。,2005年的128Mb，2014年的128Gb：与有60年悠久历史的硬盘驱动技术不同，NAND闪存技术还很年轻，还有很大的发展及提升空间。如今，NAND闪存的存储能力以每年175%的速度增长。,1956年的5Mb，2013年的4Tb：1956年，IBM推出了世界上第一个硬盘驱动器RAMAC350。RAMAC350重量在1吨左右，用50个直径为24英寸的盘片组成，约有两个冰箱大。2013年希捷推出的3.5英寸台式机硬盘存储容量可以达到6TB。,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。,原子操纵,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。,右图是48个铁原子在铜表面组成的“量子围栏”，图中的“波浪”体现了在此量子栅中电子密度分布的起伏。,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。,二、固体物理的研究对象,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。,和普通物理学不同，它的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、石墨和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,非晶硅,固体按结构分类分类,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（离子）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（离子）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（离子）在整个固体中有序排列，如单晶硅。,电子衍射图中具有五重对称的斑点分布,单晶硅,多晶硅,主要的研究对象：晶态固体晶体。,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：,主题纷纭繁杂理论处理花样繁多综合性强基本概念、实验规律、曲线、推导注意交叉学科笔记,三、固体物理学的课程特点,前面所学课程的综合固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法最时髦的科学进展与固体物理紧密相连,特点,课程的重点,研究固体的物理性质、内部微观结构以及内部的微观世界的运动规律之间的关系。,微观世界的基本规律,包含力学、电磁学、热学、统计物理、量子力学、量子电动力学和量子统计;固体的宏观性质有力学性质、热性质、声性质、电性质、磁性质、光性质等。,固体物理学是一个联结微观世界和固体宏观性质的桥梁,前面所学课程的综合*分析力学采用广义坐标体系从能量的角度来研究经典力学*统计物理近独立电子的统计分布玻耳兹曼统计玻色统计费米统计*量子力学波函数薛定谔方程微扰理论,固体物理和四大力学不同后者分别研究物质特定的运动形态，研究对象是理想条件下的特定运动的规律，如理论力学研究物体的机械运动等。固体物理则不同，它研究的对象是一类物质固体，它既是力学系统、又是热学系统和电磁系统，而组成固体的微观粒子又必须服从量子力学规律，所以固体物理是一门综合科学，需要我们综合运用各种理论工具，从不同角度、不同侧面去研究实际固体的各种运动形态，从而全面地解释固体的各种性质，所以四大力学都是固体物理的理论基础课。,由固体研究特点，介绍贯穿课程的内容线索*研究周期性结构下波的运动*内容重点：周期结构（晶体）中的各种波,讲授特点：先将复杂还原为简单，再从简单重建复杂*与以前有很大的不同把一个复杂的研究对象合理地在不同层次进行简化，建立模型，引入新概念，运用已有知识，得到新的规律，再对照实验结果，修改模型，这样螺旋地循环上升，一步步接近实际,固体物理是能够处理现代复杂系统的好方法简单性与复杂性,物理学家习惯于所谓还原论的思维方法：将复杂还原为简单、然后再从简单重建复杂。,尺度上最微小但能量最高的世界，对应的学科为粒子物理学(高能物理学),最宏大的世界，即天体与宇宙，对应的学科为天体物理学与宇宙论。,气体、液体、与固体分解为分子或原子的聚集体；原子又被分解为原子核与电子；原子核被分解为质子和中子；这些再被分解为夸克、胶子。,还原论的应用,在物质结构相邻层次间的耦合被证明是促进20世纪科学进步的重要驱动力。,原子结构的阐明导致了化学的革命；核酸与蛋白质分子结构的测定导致了生物学的革命,物质结构的微观研究揭示出凝聚态物质（半导体、铁磁体、铁电体、超导体）中蕴含的异乎寻常的物性。,层展现象：,还原论的局限性：诸多不同层次之间除了耦合之外，还存在脱耦，从而使得从简单构筑复杂并不象过去还原论者设想的那么容易。,每一不同的聚集层次，都会展现全新的性质，可以被称为层展性质。近年来粒子物理学的重大进展，如顶夸克的发现对凝聚态物理学没有任何影响。,最时髦的科学进展与固体物理紧密相连,目前固体物理的研究已经从传统的晶状固体拓展到非晶固体、薄膜和细小粒子体系、以及量子流体，这一更宽的研究领域人们称之为凝聚态物理学,赛兹1940年出版的现代固体理论一书,标志着固体物理的成熟并形成了固体物理理论的第一个范式。（建立在对晶体认识的基础上）SeitzF,ModernTheoryofSolidsMcGraw-Hill1940这本书是固体物理学作为独立学科出现的奠基性著作，目前我们固体物理课程所讲述的固体理论依然处在该书建立的体系中，它处理问题的基本方法取得了辉煌的成就，并一直普遍使用到今天，而且还将会继续使用下去，因此理解并掌握好这种方法是学好固体物理课的关键之处。,作为固体理论的第一个范式：固体物理研究周期结构中波的传播问题，无论是弹性波、电磁波，de-Broglie波相关理论的共同点是：充分利用了晶体结构中的平移对称性，使问题得到简化，因此作为实空间Fourier变换而得到的波矢空间的重要性就被突出出来，波矢空间的基本单位是布里渊区，因此了解布里渊区内部和边界上的能量波矢关系就成为解决具体问题的关键。有人（Hall）比喻：倒易空间和布里渊区是固体物理的Maxwell方程,固体的微观定义如何定义固体，取决于我们的研究层次*在原子、电子层次，研究固体的宏观物理性质原子分布?如何区别于气态和液态固体的微观定义*固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动原子平衡位置的排列形成固体的微观结构*金刚石、石墨、C60固体中C原子的排列结构不同*固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其它们排列的结构共同决定,微观层次研究固体的三个关键问题固体性质既然涉及到原子、电子层次，那么我们首先必须面对如下的三个重要的问题用经典还是量子方法处理？这基本上这取决于研究固体的何种物理性质，以后会看到，有判据如何描写原子、电子之间的相互作用？多体问题如何处理1029/m3量级的粒子数？周期结构固体物理学的繁复就在这里，就是以前学过与原子电子相互作用有关的物理理论，在这样对象上的运用,物理研究方式的优点什么是物理研究的方式？*普通物理、四大力学的方式？*根据所研究物理现象，用都能够接受和理解的假设和前提，建立（抽象出）近似模型，解释物理现象*对比、验证实验结果，修正，再演绎，再验证，结论和规律有适用范围：因为有近似，所以得到的结果可能是不那么完善的规律这样方式的优点*最关键：假设和前提都非常简单、明晰，容易接受*当然这样的前提和假定仅仅是某种程度上的近似