大学物理 课件 第十八章 新技术的物理基础

18.2激光原理18.4纳米材料18.5玻色―爱因斯坦凝聚态教学内容18.1半导体18.3超导体第18章新技术的物理基础18.1

半导体返回目录下一页上一页18.1.1固体的能带1能带的形成

固体中原子的能级结构和孤立原子不同，形成所谓“能带”,能带被电子填满与否决定着固体的电学性质。返回目录下一页上一页N个新能级具有一定的能量范围，通常称它为能带。18.1.1固体的能带返回目录下一页上一页2满带、导带和禁带

如果一个能带中的各能级都被电子填满，这样的能带称为满带。满带中的电子不参与导电过程。

由价电子能级分裂而形成的能带称为价带。如果晶体的价带中的能级没有全部被电子填满，在外电场作用下，电子可以进入能带中未被填充的高能级，没有反向电子的转移与之抵消，因而形成电流。这样的能带又称为导带。有些晶体的价带填满了电子，这样的能带是满带而不是导带。

还有一种能带,其中所有的能级都没有电子填入，这种能带叫空带。空带也是导带。在两个相邻能带之间，可能有一个不存在电子稳定能态的能量区域，这个区域称为禁带。18.1.1固体的能带下一页上一页返回目录3导体、半导体和绝缘体18.1.2半导体1本征半导体的导电机制

电子导电，空穴导电。参与导电的电子和空穴称为本征载流子。2杂质半导体的导电机制18.1.2半导体下一页上一页返回目录在四价元素如硅或锗半导体中，掺入少量五价元素如磷或砷等杂质，可形成型半导体。（2）型半导体

如果在硅或锗的纯净半导体中，掺入少量三价元素如硼、镓、铟等杂质原子，那么这种杂质原子与相邻的四价硅或锗原子形成共价键结构时，将缺少一个电子，这相当于一个空穴，称为

型半导体，或者称为空穴型半导体。18.1.2半导体下一页上一页返回目录18.1.2半导体下一页上一页返回目录4半导体的其他特性和应用（1）热敏电阻

通常把这种电阻随温度的升高而降低的半导体器件称为热敏电阻。由于热敏电阻具有体积小，热惯性小，寿命长等优点，已广泛应用于自动控制。（2）光敏电阻

光强愈强，电导率越大，电导率随光强的变化十分灵敏。利用这种特性的半导体器件称为光敏电阻，是自动控制、遥感等技术中的一个重要元件。（3）温差电偶18.1.2半导体返回目录下一页上一页

两种不同的金属导体组成的闭合回路，如果两个接头处于不同的温度，那么在回路中将产生温差电动势。这个回路称为温差电偶，或热电偶。半导体热电偶示意图18.1.2半导体10.发光前自发辐射18.2.1激光的基本原理1自发辐射与受激辐射

原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射..。发光后18.2激光原理返回目录下一页上一页11吸收前.受激吸收光吸收

原子吸收外来光子能量,并从低能级跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.吸收后。.

自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动方向和相位不一定相同,是非相干光.18.2.1激光的基本原理返回目录下一页上一页12由受激辐射得到的放大的光是相干光,称为激光.

原子中处于高能级的电子,会在外来光子（其频率恰好满足）的诱发下向低能级跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射...。

发光前发光后

受激辐射的光放大示意图18.2.1激光的基本原理返回目录下一页上一页132粒子数反转（1）粒子数正常分布和粒子数反转分布已知粒子数的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子数反转分布...............。。。。。18.2.1激光的基本原理返回目录下一页上一页返回目录下一页上一页（2）粒子数反转分布的实现

能够实现粒子数反转的介质称为激活介质。能够实现粒子数反转的介质称为激活介质要造成粒子数反转分布，首先要求介质有适当的能级结构，其次还要有必要的能量输入系统，供给低能态的分子或原子以能量，把低能态的分子或原子激励到高能态。粒子数反转的实现3光学谐振腔18.2.1激光的基本原理15

光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡...........激光光束全反射镜光学谐振腔示意图部分透光反射镜18.2.1激光的基本原理返回目录下一页上一页返回目录下一页上一页4横模与纵模

在与谐振腔轴线垂直的截面上形成的光的横向驻波模式称为横模。产生横模的原因很多，其中主要是不沿轴线方向传播的光束相互加强干涉引起的，不同频率的光束在沿谐振腔轴线方向上形成不同的纵向驻波模式称为纵模，也叫轴模。显然，纵模是由频率不同引起的。18.2.1激光的基本原理1718.2.2激光器1氦氖气体激光器（输出功率不大）

优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等．（波长632.8nm）氦和氖的原子能级示意图基态亚稳态氦氦氖激光器部分反射镜AK（几千伏特）毛细管管内氦氖比例（5~10/1）全反射镜12氖632.8nm3返回目录下一页上一页182红宝石激光器

红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.

。。

。全反射镜半透射镜红宝石棒。脉冲灯红宝石激光示意图激光器发展的主要方面

（1）扩展了激光的波长范围.（红外~紫外）

（2）激光的功率大大提高.（连续功率达~10kW）

（3）激光器已能实现小型化.18.2.2激光器返回目录下一页上一页返回目录下一页上一页18.2.2激光器202.方向性好

利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.4.能量集中3.相干性好

普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.1.单色性好激光的单色性比普通光高倍.18.2.3激光的特性及其应用返回目录下一页上一页返回目录下一页上一页18.2.4

激光冷却18.3超导体18.3.1超导电现象

人们把临界温度高于35K的超导体称为高临界温度超导体,简称高温超导体。返回目录下一页上一页2318.3.2超导体的基本特性1

零电阻当（临界电流）时，电导率电阻率，2临界磁场和临界电流返回目录下一页上一页下一页上一页返回目录超导态正常态o临界磁场与温度关系18.3.2超导体的基本特性253迈斯纳效应（完全抗磁性）超导体内当时,超导体内H=0SN超导小球悬浮于电流的磁场中

在磁场中，超导圆盘悬浮起来

18.3.2超导体的基本特性返回目录下一页上一页264同位素效应1950年雷诺(Reynolds)等人和依·麦克斯韦(E.Maxwell)分别独立发现超导临界温度Tc与元素的同位素质量M有关

5能隙

理论研究表明，超导体中电子的能量存在着类似半导体禁带的情况，只不过这个禁带非常窄，只有10－4eV的量级，吸收一个红外光子即可跃迁通过这一能量间隙，故谓之能隙.

18.3.2超导体的基本特性返回目录下一页上一页27晶体局部区域的畸变18.3.3超导体的微观机制晶体点阵正常位置晶体点阵畸变位置

1957年美国物理学家巴丁、库珀、施里弗三人共同创立了近代超导微观理论，这就是常称的BCS理论.返回目录下一页上一页28

声子：晶体中由点阵的振动产生畸变而传播的点阵波的能量子称声子.

库珀对：两个电子通过交换声子而耦合起来，成为束缚在一起的电子对称为库珀对.组成库珀对的两个电子之间的距离约为,自旋与动量均等值而相反，所以每一库珀对的动量之和为零.当时金属内的库珀对开始形成,这时所有的库珀对都以大小和方向均相同的动量运动,金属导体就具有了超导电性.库珀对的数量十分巨大,当它们向同一方向运动时,就形成了超导电流.18.3.3超导体的微观机制返回目录下一页上一页下一页上一页返回目录18.3.4约瑟夫森效应超导体的量子特征明显地表现在约瑟夫森效应中。两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成一个约瑟夫森结，电子对通过约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。1直流产生交流下一页上一页返回目录2夏皮罗台阶18.3.5超导电性的应用1超导电缆

3超导磁体2超导储能

4超导电子器件18.3.4约瑟夫森效应下一页上一页返回目录18.4纳米材料18.4.1纳米科技量子围栏照片纳米科技主要与介观物理(研究尺度介于原子、分子与固体、液体之间物态的学科)、量子力学和混沌物理有关，尤其是介观物理。纳米（nm）下一页上一页返回目录18.4.2纳米材料纳米材料：几何尺寸为纳米数量级的微粒或由纳米大小的微粒在一定条件下加压成形得到的固体材料.纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，通常包括纳米金属、纳米陶瓷、纳米高分子材料和纳米复合材料等。1纳米效应（1）小尺寸效应包含的原子数:个一个纳米微粒内界面原子比例:50%左右（2）表面与界面效应33纳米微粒具有很高的表面能.纳米微粒表面活性增加，成为活性极好的催化剂.纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸/nm包含总原子数表面原子所占比例1042120%40%80%99%（3）量子效应当能级间距大于原子、分子的热运动能量、电场能或磁场能，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是量子效应。18.4.2纳米材料返回目录下一页上一页34量子尺寸效应：粒子尺寸下降到极低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象.能级间距（理论公式）费米能级总电子数当热能、电能、磁能或超导凝聚能时量子效应明显纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料的特性有显著区别.18.4.2纳米材料返回目录下一页上一页352纳米材料应用（1）在微电子器件方面的应用;（2）在磁记录方面的应用;（3）在传感器上的应用；（4）催化剂上的应用.18.4.3纳米碳管（1）团簇

原子团簇是由多个原子组成的小粒子，它们比无机分子大，但比具有平移对称性的块体材料小。18.4.3纳米碳管返回目录下一页上一页下一页上一页返回目录18.4.3纳米碳管371991年11月,日本科学家宣布发现了一种新型针状的碳