固體物理學(xué)課件

1、固體物理學(xué)教材：固體物理學(xué) 黃昆 韓汝琪， 高等教育出版社固體物理學(xué)Introduction to Solid State Physics C. KITTEKL, John Wiley固體物理學(xué) 黃昆 韓汝琪，高等教育出版社固體物理學(xué) 方俊鑫 陸棟, 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 參考書目：Solid State Physics N. W. Ashcroft, Holt Rinehart固體物理學(xué) 顧秉林 王喜昆，清華大學(xué)出版社 固體物理基礎(chǔ) 閻守勝，北京大學(xué)出版社給出定律、概念說明這些定律的適用條件、如何應(yīng)用給出結(jié)果和結(jié)論給出不完善的模型、定律這個定律能夠說明某些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但不能解釋另一些現(xiàn)象找出問題

2、所在，提出更準(zhǔn)確的定律、模型固體物理學(xué)課程考核：平時成績(作業(yè)) + 期末考試成績答疑時間：周三 晚7:30-9:00答疑地點(diǎn)：基礎(chǔ)學(xué)科大樓B857考勤：課程考核的考慮因素物質(zhì)狀態(tài)的分類緒 論 物質(zhì)可以分成四大類：等離子體、氣體、液體和固體緒 論 (1) 等離子體 宇宙中幾乎99%的物質(zhì)都是等離子體，等離子體是由離子、電子和中性粒子組成的，沒有一定的形狀和體積，粒子的排列沒有規(guī)律。緒 論 (1) 等離子體極光: 地球磁層或太陽的高能帶電粒子流(太陽風(fēng))使高層大氣分子或原子電離而形成太陽風(fēng)火焰上部的高溫部分能夠熱到使氣體離子化時就會成為等離子(3) 液體 液體有一定的體積卻沒有一定的形狀，粒子的

3、排列也是無序的(短時短程有序)。緒 論 (4) 固體 固體不僅有一定的體積而且有一定的形狀，粒子間作用力很大。(2) 氣體 氣體沒有一定的形狀和體積，粒子排列沒有一定的規(guī)律。緒 論 物質(zhì)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換固體物理是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科 為闡明固體表現(xiàn)出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系，需要建立和發(fā)展關(guān)于固體的微觀理論固體是一個復(fù)雜的客體 每一立方米中包含有約1029個原子、電子，而且它們之間的相互作用相當(dāng)強(qiáng)固體的宏觀性質(zhì) 是大量粒子之間的相互作用和集體運(yùn)動的總表現(xiàn)緒 論 緒 論 一 固體物理學(xué)的定義 研究固體結(jié)構(gòu)及其組成粒子(原子、離子、電子)之間 相互作用與運(yùn)動規(guī)律以闡明其性能與用途的學(xué)科1) 組成粒子(原

4、子、離子、電子) 固體物理的研究對象： 緒 論 2) 固體結(jié)構(gòu)固體物理的研究對象： 金剛石、石墨固體都是由碳原子組成，組成粒子完全相同但它們的物理性質(zhì)完全不同！ 石墨 導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，硬度低、強(qiáng)度低； 金剛石 絕緣體、導(dǎo)熱性較差、硬度高。差別僅在于結(jié)構(gòu)(粒子的排列方式)!石墨層狀和單層結(jié)構(gòu)示意圖石墨結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu) 石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間是靠瞬間偶極矩結(jié)合在一起的，結(jié)合力比較弱。所以反映在宏觀上就是石墨比較松軟。共價鍵組成 石墨中每個碳原子是和周圍三個其它碳原子組成共價鍵，三個共價鍵幾乎在同一平面內(nèi)，夾角約為120度。剩下的一個電子則可以在石墨中自由運(yùn)動，所以，石墨可以導(dǎo)電。金剛石結(jié)構(gòu)示意

5、圖共價鍵組成 金剛石中每個碳原子和周圍的四個碳原子組成四個共價鍵，四個共價鍵的分布為四面體，其中沒有可以用來導(dǎo)電的自由電子，所以金剛石是絕緣體。面心立方套構(gòu) 金剛石是由兩套面心立方晶格套構(gòu)而成，具有較大的結(jié)合能。所以反映在宏觀上就是金剛石比較堅(jiān)硬。金剛石結(jié)構(gòu)：緒 論 3) 組成粒子之間相互作用與運(yùn)動規(guī)律固體物理的研究對象： 差別在于電子與原子周期勢場的相互作用!金剛石、硅單晶結(jié)構(gòu)相同，最外層電子數(shù)相同但它們的導(dǎo)電性差別很大！ 金剛石 絕緣體硅單晶 半導(dǎo)體金剛石能帶分布示意圖能帶禁帶空帶kE(k)硅單晶能帶分布示意圖k能帶禁帶空帶E(k) 結(jié)構(gòu)完全相同、電子能帶分布十分相似，但是由于金剛石的禁帶

6、寬度(5.5eV)比硅單晶(1.17eV) 的禁帶寬度寬。所以導(dǎo)電性能就不一樣。緒 論 固體分類 晶體 原子按一定的周期規(guī)則排列的固體(長程有序)非晶體 原子的排列沒有明確的周期性(短程有序)準(zhǔn)晶體 原子排列具有準(zhǔn)周期性(長程的取向序，無長 程平移對稱序) 長程有序是指103104量級以上排列有序 短程有序是指102以下量級排列有序緒 論 晶體：天然的巖鹽、水晶以及人工的半導(dǎo)體鍺、硅單晶等等食鹽(NaCl)晶體石英(SiO2)晶體雪花晶體 晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部原子排布規(guī)則性的反映 晶體外形的對稱性與其物理性質(zhì)之間有一定聯(lián)系 晶體外形具有規(guī)則性的幾何形狀NaCl晶體的原子排布CaCO3(方解石

7、)晶體的原子排布YBaCuO晶體的原子排布 長程平移對稱序 長程的取向(轉(zhuǎn)動)序理想晶體 內(nèi)在結(jié)構(gòu)完全規(guī)則的固體，也叫做完整晶體實(shí)際晶體 固體中或多或少地存在有不規(guī)則性，在規(guī)則 排列的背景中尚存在微量不規(guī)則性的晶體非晶體：玻璃、橡膠、塑料Be2O3非晶玻璃Be2O3 晶體準(zhǔn)晶體 ： 1984年Shechtman用快速冷卻方法制備的AlMn合金 電子衍射圖中具有五重對稱的斑點(diǎn)分布 介于晶體和非晶體之間的新的狀態(tài)準(zhǔn)晶態(tài)準(zhǔn)晶體內(nèi)部原子排列是怎樣？箭頭 風(fēng)箏 準(zhǔn)晶態(tài)的特點(diǎn)：不可公度：線段的比值為無理數(shù)，或者說二者不存在公倍數(shù) 沿取向序?qū)ΨQ軸方向具有準(zhǔn)周期性，有兩個或兩個以上不可公度的特征長度按非周期的

8、特定序列方式排列。 具有長程的取向序而沒有長程的平移對稱序 (旋轉(zhuǎn)對 稱，平移不對稱，無平移周期性) 長程取向序具有晶體周期性不能容許的點(diǎn)群對稱性在準(zhǔn)晶的研究方面 ，我國的水平幾乎與國外同步 。1984年中科院沈陽金屬所郭可信院士領(lǐng)導(dǎo)的研究組在急冷合金中發(fā)現(xiàn)了二十面體準(zhǔn)晶，這是首例非Al基準(zhǔn)晶相 。Danielle.Shechtman(1941-)理論物理學(xué)家1982年，他率先在AlMn合金中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體現(xiàn)象2011年獲得諾貝爾化學(xué)獎當(dāng)時國際上大多數(shù)科學(xué)家都反對準(zhǔn)晶體理論，但是謝赫特曼還是堅(jiān)持準(zhǔn)晶體的研究。反對最激烈、聲望最高的是兩度獲得諾貝爾獎的萊納斯鮑林。鮑林曾經(jīng)說：“謝赫特曼在胡說。沒有準(zhǔn)

9、晶體這種東西，只有準(zhǔn)科學(xué)家?！?由于鮑林在國際化學(xué)界影響很大，他給謝赫特曼“準(zhǔn)科學(xué)家”的稱謂不脛而走。二 固體物理的發(fā)展歷程 晶體為何有規(guī)則的幾何形狀？為何晶體的外形的對稱性與其物理性質(zhì)之間有聯(lián)系？ 晶體外形的規(guī)則性是內(nèi)部規(guī)則性的反映 十八世紀(jì)，阿羽依認(rèn)為晶體由一些堅(jiān)實(shí)、相同的平 行六面形的小基石”有規(guī)則地重復(fù)堆集而成的 十九世紀(jì)中葉，布拉伐(Bravais)發(fā)展了空間點(diǎn)陣學(xué)說 概括了晶格周期性的特征 十七世紀(jì)，惠更斯以橢球堆積的模型來解釋方解石 的雙折射性質(zhì)和解理面 十九世紀(jì)末葉，費(fèi)多洛夫、熊夫利、巴羅等獨(dú)立地發(fā) 展了關(guān)于晶體微觀幾何結(jié)構(gòu)的理論體系，為進(jìn)一步研 究晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)律提供了理論依據(jù)

10、 描述晶體比熱的杜隆珀替定律 描述金屬導(dǎo)熱和導(dǎo)電性質(zhì)的魏德曼佛蘭茲定律 二十世紀(jì)初，特魯?shù)潞吐鍌惼澖⒘私?jīng)典金屬自由電 子論，對固體認(rèn)識進(jìn)入一個新的階段 愛因斯坦引進(jìn)量子化的概念來研究晶格振動 索末菲在金屬自由電子論基礎(chǔ)上，發(fā)展了固體量子論 費(fèi)米發(fā)展了統(tǒng)計(jì)理論，為以后研究晶體中電子運(yùn)動的 過程指出了方向 量子理論發(fā)展正確描述了晶體內(nèi)部微觀粒子運(yùn)動過程 1912年，勞厄指出晶體可以作為X射線的衍射光柵。 通過大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，證實(shí)了空間群理論。自 此，人們對晶體結(jié)構(gòu)有了深入了解。 固體能帶論說明了導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，并斷定有 一類固體，其導(dǎo)電性質(zhì)介于兩者之間半導(dǎo)體 20世紀(jì)四十年代末，以諸、硅

11、為代表的半導(dǎo)體單晶的 出現(xiàn)并制成了晶體三極管 產(chǎn)生了半導(dǎo)體物理 1960年，誕生的激光技術(shù)，促進(jìn)了固體的電光、聲光 和磁光器件的不斷發(fā)展。 20世紀(jì)三十年代，建立了固體能帶論和晶格動力學(xué) 1960年以后，固體物理的發(fā)展更為迅速，不但晶體材 料的研究更加成熟，而且對微細(xì)材料和無序固體的新 發(fā)現(xiàn)、新進(jìn)展接踵而來。1979年發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)1984年在人工合成材料中發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體；1984年首次合成了納米金屬晶體Pd, Fe等。1985年發(fā)現(xiàn)了以C60為代表的團(tuán)簇化合物；1986年發(fā)現(xiàn)新型高溫超導(dǎo)材料；1988年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)(GMR)；1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管；1994年發(fā)現(xiàn)超大磁電阻效應(yīng)(CMR)；

12、1995年發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)(TMR) ；2004年制備出石墨烯(Graphene)；2004年提出拓?fù)浣^緣體和隨后拓?fù)浣^緣體材料發(fā)現(xiàn)2008年發(fā)現(xiàn)鐵基高溫超導(dǎo)體三 固體物理的學(xué)科領(lǐng)域 固體物理學(xué)發(fā)展至今，一般包含：* 固體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)* 固體的力學(xué)性質(zhì)* 固體的電子性質(zhì)* 固體的輸運(yùn)性質(zhì)* 固體的磁學(xué)性質(zhì)* 固體的光學(xué)性質(zhì)固體物理領(lǐng)域金屬物理半導(dǎo)體物理晶體物理磁學(xué)電介質(zhì)物理液晶物理固體發(fā)光超導(dǎo)體物理固態(tài)電子學(xué)固態(tài)光電子學(xué)固體光譜強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理納米物理表面物理介觀物理四 固體物理的學(xué)科特點(diǎn)3. 固體由大量原子組成，是多粒子體系，相互作用非常復(fù)雜。 對于這樣的多體問題，通常只能近似求解，因此固體理論 中充

13、滿了各種近似方法。1. 四大力學(xué)是固體物理與處理問題的基礎(chǔ)。2. 理論與實(shí)驗(yàn)密切結(jié)合。4. 固體物理中的兩類問題： 1) 理想完整晶體， 近完整晶體 2) 基態(tài)問題， 低激發(fā)態(tài)問題物理上重要的是相對于基態(tài)的低激發(fā)態(tài)行為，如：原子振動格波(聲子)和晶體中運(yùn)動的電子(準(zhǔn)電子)，這些態(tài)可以在相對低的溫度和微弱的外場下被激發(fā)，它們決定著固體的絕大多數(shù)性質(zhì)。在研究固體的客觀規(guī)律時，必須針對某一特殊過程，抓住主要矛盾，突出主要因素來進(jìn)在分析研究。五 固體物理的研究方法 1. 如何應(yīng)對1029/m3的粒子？求解1029個連立方程？如何化解這個困難？晶體中原子呈有規(guī)律性的排列周期性！數(shù)學(xué)上處理這樣的周期性結(jié)構(gòu)

14、只需在幾個或有限數(shù)量的原子、電子范圍，用周期函數(shù)描述。 貫穿固體物理學(xué)的主線就是周期性 (核心問題是波在 周期性結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動)晶體(周期結(jié)構(gòu))中波的傳播問題的研究方法：充分利用晶體結(jié)構(gòu)的平移對稱性，來簡化問題。通常可將所研究的問題(衍射強(qiáng)度、電子能量、電子濃度等) 寫成實(shí)空間的周期函數(shù)。研究某些問題(衍射強(qiáng)度、晶格振動等)時，需要將實(shí)空間周期函數(shù)作Fourier變換，而使問題得到簡化。也就是說，將研究問題在實(shí)空間的Fourier空間進(jìn)行表達(dá)。傅里葉(Fourier)級數(shù)實(shí)空間的Fourier空間也叫倒易空間(波矢空間)，倒易空間的基本單位是布里淵區(qū)。Hall曾比喻：倒易空間和布里淵區(qū)是固體物理的Maxwell方程四 固體物理的研究方法 2. 金屬電子的研究 抽象出電子公有化的概念，再用 單電子近似的方法建立能帶理論第一步：把原子核與核外內(nèi)層電子考慮成一個整體離子實(shí)，使原子中的多體問題簡化為離子實(shí)與外層電子的問題；第二步：絕熱近似，考慮到離子實(shí)