18新技術(shù)的物理基礎(chǔ)省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

新技術(shù)的物理基礎(chǔ)第十八章第1頁18-1固體能帶理論固體指含有確定形狀和體積物體。分為：晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體一、晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類1、晶體結(jié)構(gòu)外觀上：含有規(guī)則幾何形狀微觀上：晶體點(diǎn)陣（晶格）基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長程有序性晶體中重復(fù)單元稱為晶胞第2頁立方體心立方面心立方晶胞第3頁晶體組成結(jié)協(xié)力結(jié)協(xié)力特征晶體特征離子晶體正、負(fù)離子庫侖吸引力（離子鍵）無方向性無飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、性脆、電子導(dǎo)電性弱共價(jià)晶體原子共價(jià)鍵有方向性有飽和性硬度高、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、不溶于全部尋常液體第4頁晶體組成結(jié)協(xié)力結(jié)協(xié)力特征晶體特征金屬晶體原子實(shí)、價(jià)電子金屬鍵有顯著方向性有飽和性含有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、金屬光澤分子晶體電中性無極分子范德瓦耳斯力（范德瓦耳斯鍵）無方向性無飽和性熔點(diǎn)低、硬度低、導(dǎo)電性差第5頁二、固體能帶1、電子共有化單個(gè)原子兩個(gè)原子因?yàn)榫w中原子周期性排列而使價(jià)電子不再為單個(gè)原子全部現(xiàn)象，稱為電子共有化。晶體中周期性勢場第6頁2、能帶形成電子共有化使原先每個(gè)原子中含有相同能級電子能級，因各原子間相互影響而分裂成一系列和原來能級很靠近新能級，形成能帶。氫原子能級分裂原子中能級晶體中能帶第7頁能帶普通規(guī)律：2.越是外層電子，能帶越寬，

E越大。1.原子間距越小，能帶越寬，

E越大。3.兩個(gè)能帶有可能重合。禁帶：兩個(gè)相鄰能帶間可能有一個(gè)不被允許能量間隔。離子間距r02p2s1sEO能帶重合示意圖第8頁電子在能帶中分布：1、每個(gè)能帶能夠容納電子數(shù)等于與該能帶對應(yīng)原子能級所能容納電子數(shù)N倍（N是組成晶體原子個(gè)數(shù)）。2、正常情況下，總是優(yōu)先填能量較低能級。滿帶：各能級都被電子填滿能帶。滿帶中電子不參加導(dǎo)電過程。價(jià)帶：由價(jià)電子能級分裂而形成能帶。價(jià)帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑В号c各原子激發(fā)態(tài)能級對應(yīng)能帶。正常情況下沒有電子填入。第9頁禁帶空帶（導(dǎo)帶）滿帶導(dǎo)帶滿帶第10頁三、導(dǎo)體和絕緣體當(dāng)溫度靠近熱力學(xué)溫度零度時(shí)，半導(dǎo)體和絕緣體都含有滿帶和隔離滿帶與空帶禁帶。禁帶空帶滿帶半導(dǎo)體能帶禁帶空帶滿帶絕緣體能帶第11頁禁帶價(jià)帶滿帶空帶滿帶空帶價(jià)帶滿帶一個(gè)好金屬導(dǎo)體，它最上面能帶或是未被電子填滿，或雖被填滿但填滿能帶卻與空帶相重合。第12頁四、半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體是指純凈半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是指摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體。電子導(dǎo)電——半導(dǎo)體載流子是電子空穴導(dǎo)電——半導(dǎo)體載流子是空穴（滿帶上一個(gè)電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)空位）第13頁SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半導(dǎo)體

在四價(jià)元素中摻入少許五價(jià)元素，形成n型半導(dǎo)體。導(dǎo)帶施主能級滿帶第14頁SiSiSiSiSiSiSi2、p型半導(dǎo)體

在四價(jià)元素中摻入少許三價(jià)元素，形成p型半導(dǎo)體。B導(dǎo)帶受主能級滿帶第15頁3、p-n結(jié)形成因?yàn)閚區(qū)電子向p區(qū)擴(kuò)散，p區(qū)空穴向p區(qū)擴(kuò)散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場,稱為內(nèi)電場。p-n結(jié)n型p型第16頁導(dǎo)帶禁帶滿帶第17頁p-n結(jié)單向?qū)щ娦栽趐-n結(jié)p型區(qū)接電源正極，n區(qū)接負(fù)極阻擋層勢壘被減弱、變窄，有利于空穴向n區(qū)運(yùn)動，電子向p區(qū)運(yùn)動，形成正向電流。p型n型IU（伏）I（毫安）O第18頁在p-n結(jié)p型區(qū)接電源負(fù)極，n區(qū)接正極。阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向n區(qū)運(yùn)動，也不利于電子向p區(qū)運(yùn)動。U(伏)I（微安）p型n型第19頁4、半導(dǎo)體其它特征和應(yīng)用熱敏電阻半導(dǎo)體電阻隨溫度升高而指數(shù)下降，導(dǎo)電性能隨改變十分靈敏。熱敏電阻體積小、熱慣性小、壽命長光敏電阻在可見光照射下，半導(dǎo)體硒電阻隨光強(qiáng)增加而急劇減小，但要求照射光頻率大于紅限頻率。第20頁溫差電偶將兩種不一樣半導(dǎo)體組成回路，兩個(gè)接頭處于不一樣溫度，回路中將產(chǎn)生溫差電動勢。n型p型熱端冷端負(fù)載電流電流電勢差增加，半導(dǎo)體內(nèi)電場也增強(qiáng)，阻止載流子擴(kuò)散，最終到達(dá)平衡。第21頁18-2

激光原理Light

Amplificationby

Stimulated

Emission

of

RadiationLaser——受激輻射光放大一、激光基本原理1、自發(fā)輻射與受激輻射光與原子體系相互作用，同時(shí)存在吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種過程。第22頁自發(fā)輻射在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時(shí)輻射出一光子。滿足條件：h=E2-E1隨機(jī)過程，用概率描述N2——t時(shí)刻處于能級E2上原子數(shù)——單位時(shí)間內(nèi)從高能級自發(fā)躍遷到低能級原子數(shù)第23頁A21——自發(fā)輻射概率（自發(fā)躍遷率）：表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1概率自發(fā)輻射過程中各個(gè)原子輻射出光子相位、偏振狀態(tài)、傳輸方向等彼此獨(dú)立，因而自發(fā)輻射光是非相干光。第24頁受激輻射處于高能級E2上原子，受到能量為h=E2-E1外來光子激勵(lì)，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時(shí)輻射出一個(gè)與激勵(lì)光子全同光子。頻率、相位、偏振態(tài)、傳輸方向等均同第25頁隨機(jī)過程，用概率描述——單位時(shí)間內(nèi)從高能級E2受激躍遷到低能級E1原子數(shù)B21——受激輻射系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）W21——表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)從E2受激輻射躍遷到E1概率(,t)——輻射場能量密度第26頁受激吸收能量為h=E2-E1光子入射原子系統(tǒng)時(shí)，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。N1——t時(shí)刻處于能級E1上原子數(shù)——單位時(shí)間內(nèi)因?yàn)槲展庾訌腅1躍遷到E2原子數(shù)密度W12——受激吸收躍遷概率B12——受激吸收系數(shù)(,t)——輻射場能量密度第27頁2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光是經(jīng)過受激輻射實(shí)現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超出吸收和自發(fā)輻射依據(jù)玻爾茲曼能量分布律熱動平衡下，N2N1，即處于高能級原子數(shù)大大少于低能級原子數(shù)——粒子數(shù)正常分布受激輻射占支配地位

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級上粒子數(shù)超出低能級上粒子數(shù)第28頁實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件：

要有實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布物質(zhì)，這種物質(zhì)含有適當(dāng)能級結(jié)構(gòu)；

必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵(lì)或泵浦）激勵(lì)方法：光激勵(lì)、電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)工作物質(zhì)能級結(jié)構(gòu)：含有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有含有亞穩(wěn)態(tài)工作物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第29頁工作躍遷第30頁3、光學(xué)諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)受激輻射自發(fā)輻射實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激活介質(zhì)輻射光位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳輸方向是隨機(jī)。第31頁輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔作用：

1.使激光含有極好方向性（沿軸線）；

2.增強(qiáng)光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；

3.使激光含有極好單色性（選頻）。第32頁4、縱模與橫模諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波或腔長諧振頻率頻譜中每個(gè)諧振頻率成為一個(gè)振蕩縱模。激光縱模第33頁相鄰兩縱模間隔N個(gè)縱模諧振腔選頻作用：工作物質(zhì)輻射譜線有一定寬度，只有滿足閾值條件，并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。輸出縱模個(gè)數(shù)：第34頁激光橫模激光斑中光強(qiáng)度有不一樣形式穩(wěn)定分布花樣，在光束橫截面上穩(wěn)定分布稱為激光橫模?；鶛M模在激光光束橫截面上各點(diǎn)位相相同，空間相干性最好。第35頁工作物質(zhì)：含有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔：維持光振蕩激勵(lì)（又叫泵浦）系統(tǒng)：供給能量，輸出激光二、激光器He-Ne

氣體激光器第36頁?電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移He、Ne原子部分能級圖第37頁三、激光特征4、能量集中3、相干性好2、方向性好1、單色性好單色性很好普通光He-Ne激光器發(fā)出紅光第38頁四、激光應(yīng)用4、激光在受控核聚變中應(yīng)用3、光信息處理和激光通信2、激光加工與激光醫(yī)療1、激光測距干涉測長、激光調(diào)制測距、激光雷達(dá)測距打孔、切割、焊接、外科手術(shù)刀、武器光盤高速高密統(tǒng)計(jì)、激光打印機(jī)5、激光非線性效應(yīng)第39頁激光光纖通訊因?yàn)楣獠l率比電波頻率高好幾個(gè)數(shù)量級，一根極細(xì)光纖能承載信息量，相當(dāng)于圖片中這麼粗電纜所能承載信息量。第40頁激光手術(shù)刀（不需開胸，不住院）

照明束：照亮視場

纖維鏡激光光纖：成象

有源纖維強(qiáng)激光：使堵塞物熔化臂動脈主動脈冠狀動脈內(nèi)窺鏡從屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束

從屬通道：（可注入氣或液）排除殘物以明視線套環(huán)：（可充、放氣）阻止血流或使血流流通第41頁

激光——

原子力顯微鏡(AFM)用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米高度上重復(fù)移動,來探測固體表面情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置第42頁18-3超導(dǎo)電性19昂尼斯（K.Onnes）發(fā)覺超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)基本特征1、零電阻效應(yīng)一些金屬、合金及化合物溫度低于某一值時(shí)，電阻突然為零。說明：只有穩(wěn)恒電流情況下才有零電阻效應(yīng)。超導(dǎo)體臨界溫度Tc第43頁2、邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）處于超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零。外磁場抗磁電流磁場總磁場第44頁3、臨界磁場和臨界電流超導(dǎo)態(tài)能被足夠強(qiáng)磁場所破壞。超導(dǎo)體所能承載電流也受限制。超導(dǎo)材料只有滿足下述條件才能處于超導(dǎo)態(tài)第45頁4、同位素效應(yīng)超導(dǎo)臨界溫度與元素同位素質(zhì)量相關(guān)5、能隙超導(dǎo)中電子能量存在類似半導(dǎo)體禁帶情況第46頁二、超導(dǎo)體微觀機(jī)制1、金屬導(dǎo)體電阻電子理論電子波在非嚴(yán)格周期性勢場中傳輸將會發(fā)生散射，使自由電子動量發(fā)生改變，即電子在電流方向上加速受到妨礙。散射原因缺點(diǎn)熱振動雜質(zhì)電阻熱振動電阻

i與雜質(zhì)濃度相關(guān)第47頁2、弗羅里?！半?聲”作用電子密度在局部范圍內(nèi)有大有小，高密度電子會對附近離子晶格產(chǎn)生較大吸引力，是該處離子實(shí)離開自己平衡位置而產(chǎn)生振動，振動傳輸形成晶格波。第48頁晶格波能量量子化，每一份能量為電子之間有一個(gè)有效吸引，是經(jīng)過交換聲子而實(shí)現(xiàn)。3、BCS理論只要兩個(gè)電子之間存在有凈吸引作用，不論多么微弱，結(jié)果總能形成電子對束縛態(tài)。庫珀電子對庫珀對使整個(gè)導(dǎo)體處于更為有序化狀態(tài)。電子位置有序化第49頁BCS理論關(guān)鍵：在超導(dǎo)態(tài)中，電子經(jīng)過電—聲作用而結(jié)成束縛態(tài)庫珀對，而泡利不相容原理使全部庫珀對電子有序化為群體電子動量和角動量相關(guān)為零。超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，價(jià)電子以庫珀對為整體與晶格作用，庫珀對電子在散射前后總動量依然保持不變，即電流流動不發(fā)生改變，所以沒有電阻。第50頁三、超導(dǎo)材料分類按超導(dǎo)體在臨界磁場Hc時(shí)將磁通排斥在超導(dǎo)體外方式分類：在臨界磁場以下，磁通是完全被排斥在超導(dǎo)體之外，只要磁場高于臨界磁場，磁場就完全透入超導(dǎo)體中，材料也恢復(fù)正常。第Ⅰ類超導(dǎo)材料超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變無任何中間態(tài)。電流密度磁場溫度正常超導(dǎo)第51頁存在兩個(gè)臨界磁場（下臨界磁場和上臨界磁場），材料處于下臨界磁場時(shí)是完全超導(dǎo)態(tài)，在下臨界磁場和上臨界磁場之間，處于混合態(tài)。當(dāng)磁場到達(dá)上臨界磁場時(shí)，磁場完全透入材料并完全恢復(fù)到有電阻正常態(tài)。第Ⅱ類超導(dǎo)材料混合態(tài)外磁場溫度正常態(tài)超導(dǎo)高溫超導(dǎo)材料第52頁四、超導(dǎo)理論新動向“激子機(jī)制”而形成電子對。1987年安德遜提出共振理論，認(rèn)為電子在晶格附近配成自旋相反共價(jià)鍵，經(jīng)過摻雜驅(qū)動，這種共價(jià)電子就共振轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲙扃陮Χ纬沙瑢?dǎo)。羅伏茲提出固體中電子氣密度發(fā)生起伏，以波形式傳遞而形成電荷密度波。現(xiàn)在超導(dǎo)材料主要是多元金屬氧化物。第53頁五、超導(dǎo)電性在工業(yè)上應(yīng)用電能在零電阻輸送，完全沒有損耗大尺度、強(qiáng)磁場、低消耗2、超導(dǎo)電纜1、超導(dǎo)磁體3、超導(dǎo)儲能超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會連續(xù)。第54頁六、約瑟夫遜效應(yīng)及其應(yīng)用絕緣層對電子來說是一個(gè)勢壘，電子動能小于勢壘高度時(shí)，仍有一定概率貫通勢壘。超導(dǎo)結(jié)：N-I-N結(jié)、N-I-S結(jié)、S-I-S結(jié)N—正常態(tài)金屬膜，S—超導(dǎo)體，I—絕緣層1、單電子隧道效應(yīng)第55頁只要隧道結(jié)勢壘層足夠薄，庫珀對可貫通勢壘。庫珀正確S-I-S結(jié)隧道效應(yīng)2、約瑟夫遜效應(yīng)ab段結(jié)電壓（S-I-S結(jié)兩端電壓）為零，此時(shí)電流為超導(dǎo)隧道電流。bc段顯示出正常態(tài)電流電壓關(guān)系。結(jié)電壓為零時(shí)，

為常數(shù)，電流恒定。(1)直流約瑟夫遜效應(yīng)第56頁隧道電流超出最大約瑟夫遜電流，結(jié)電壓不為零時(shí)結(jié)電壓不為零時(shí)，會出現(xiàn)一個(gè)交變電流。(2)交流約瑟夫遜效應(yīng)第57頁(1)超導(dǎo)量子干涉器3、約瑟夫遜效應(yīng)主要應(yīng)用(2)電壓標(biāo)準(zhǔn)(3)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)器件第58頁18-4

納米科學(xué)技術(shù)介紹一、納米材料學(xué)納米材料是線度為納米量級超微顆粒在一定條件