《固体物理基础教学课件》第一章

固体物理基础黄靖云&王勇硅材料国家重点实验室，材料科学与工程学系,授课信息,讲课黄靖云曹楼331电话：87952118Email：huangjy个人主页：赵明岗曹楼342Email：66mg000000,课程特点,理解基本的物理概念弄清基本的物理图像以上课所讲PPT内容为主不管公式的推导，强调物理的逻辑考试：期末70作业20考勤10,授课安排,绪论及晶体结构（3次课）固体的结合（1次课）晶格振动（2次课）能带论（1次课）半导体电子论（4次课）固体的磁性和超导电性（2次课）量子霍尔效应专题（1次课）固体物理前沿热点研究讲座（1次课）复习答疑（1次课）,参考书目,黄昆原著，韩汝琦改编，固体物理学，高等教育出版社方俊鑫，陆栋主编，固体物理学，上海科学技术出版社C.基泰尔著，项金钟，吴兴惠译固体物理导论（原著第八版），化学工业出版社N.W.AshcroftandN.D.Mermin,SolidStatePhysics,世界图书出版公司,第一讲绪论,前言-固体物理的伟大成就,1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究1962年：达维多维奇朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究1985年：冯克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料1998年：劳克林、霍斯特路德维希施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克基尔比（美国）发明集成电路2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔E维曼（美国）在碱金属原子稀薄气体的玻色爱因斯坦凝聚态以及凝聚态物质性质早期基本性质研究方面的成就2003年：阿列克谢阿布里科索夫、安东尼莱格特（美国）、维塔利金茨堡（俄罗斯）在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献2007年：艾尔伯费尔（法国）和皮特克鲁伯格（德国）发现巨磁电阻效应2009年：高锟（美籍华裔）在光学通信领域中光的传输的开创性成就；韦拉德博伊尔乔治史密斯（美国）发明了成像半导体电路电荷藕合器件图像传感器CCD2010年：安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫（英国）在石墨烯实验作出了杰出的贡献2011年：达尼埃尔谢赫特曼（以色列）发现准晶。,固体物理领域获得诺贝尔奖的工作,黄昆简介（1919-2005）,中国固体物理与半导体物理先驱2001国家最高科技奖写入教科书：黄散射，声子极化激元及黄昆方程，Huang-Rhys多声子无辐射跃迁理论与量子力学创始人之一M.Born合著经典著作晶格动力学,固体定义,固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比固体有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。研究固体的结构及其组成粒子（离子、电子）之间的相互作用与运动规律，以阐明其宏观性能和用途。固体的物理性质和规律由什么决定？*由组成固体的原子成分？比如，金刚石、石墨、C60固体都由碳原子组成，但它们物理性质完全不同！*金刚石、石墨、C60固体究竟有何不同？（原子排布结构）必须在微观尺度上来研究固体：固体中原子的排布固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动（微观定义）固体宏观物理性质由所组成原子的化学成份和排列结构共同决定！,固体研究中的关键性问题,用经典理论还是量子理论？一般宏观的用经典，微观用量子如何描写原子与电子及电子与电子间的相互作用？*多体问题（凝聚态物理难题）*很多近似，假定，简化处理如何处理1023/cm3量级的粒子数？晶体的周期性结构主要研究晶体（具有周期性结构的物质）固体物理研究首先选择晶体作为研究对象来研究固体中电子和原子的运动规律，在此基础上研究非晶,固体研究对象,晶体：原子排列长程有序（水晶，岩盐，金刚石）非晶：原子排列短程有序（松香，橡胶，石蜡）准晶：晶体与非晶之间，5次对称等特性（AlMn）证据：X射线衍射，透射电子显微镜,晶体（规则点阵）,非晶（短程有序）,固体研究对象-准晶,1984，DanielShechtman发现AlMn合金五重对称1985,郭可信，张泽:Ti-Ni-V合金2011，Nobel化学奖（准晶的发现从根本上改变了以往化学家对物体的构想）不具平移周期对称性而取向长程有序的晶体,Penrose图案（英国数学家RogerPenrose）胖瘦菱形拼图（内角36度，144度，72度和108度）胖瘦菱形数量之比正好是T（黄金分割数1.618）,固体研究对象-准晶,固体物理发展历程,17世纪，惠更斯：椭球堆积模型解释方解石的双折射和解理面18世纪，阿羽衣：理论推断晶体几何外形是晶体中原子分子排列的结果19世纪中叶，布拉菲：空间点阵学说，概括晶格周期性19世纪末，费多洛夫，熊夫利等独立发展晶体微观几何结构理论体系,晶体结构,固体物理发展历程,19世纪末，经验规律：杜隆-珀替定律（晶体比热），魏德曼-佛兰兹定律（金属导热导电）20世纪初，特鲁德&洛仑兹:金属自由电子论1912，劳厄：X射线衍射研究晶体结构，证实空间群理论1920s:量子力学理论建立：晶格振动理论，索末菲固体量子论，费米统计理论1930s:能带理论，晶格动力学。阐明了固体微观导电机理，解释了导体、绝缘体和半导体的区别,物理规律,固体物理发展历程,1940-50s：Ge,Si晶体出现，半导体物理学科产生，是固体物理一大飞跃。此后，电子技术、计算技术迅速发展1960s:固体物理实验工作重大发展，大型高速计算机应用于理论计算1960s:激光技术和低温技术1970s以来:复杂低维体系的设计和制备（如量子阱、纳米结构、量子点等），先进实验手段的发展（如电镜、表面分析技术），推动固体物理向纵深发展（准晶）,飞跃发展,固体物理研究内容,金属、半导体、电介质、磁性材料、发光材料完整晶体vs缺陷杂质一般条件vs极端条件（低温、强磁场、强激发)发展新理论vs新材料、新器件理论：非晶态理论、多体理论、超导理论、表面理论、光与物质相互作用理论,金属为什么柔韧性好？玻璃为什么很脆？金刚石为什么硬而石墨为什么软,固体物理子学科,金属物理半导体物理晶体物理和晶体生长磁学电介质物理,相互渗透，综合分析,固体发光超导物理固态电子学固态光电子学表面物理,固体物理研究方法,固体宏观性质是大量粒子相互作用和集体运动的表现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，,根据晶体中原子