《固体物理绪论》PPT课件

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1、固 体 分 类 晶 体 原 子 按 一 定 的 周 期 排 列 规 则 的 固 体 （ 长 程 有 序 ）天 然 的 岩 盐 、 水 晶 以 及 人 工 的 半 导 体 锗 、 硅 单 晶非 晶 体 原 子 的 排 列 没 有 明 确 的 周 期 性 （ 短 程 有 序 ）玻 璃 、 橡 胶 、 塑 料准 晶 体 1984年 Shechtman用 快 速 冷 却 方 法 制 备 的 AlMn 合 金 Crystal Structure of CaCO3 Crystal Structureof YBaCuO 绪 论 一 、 固 体 物 理 的 研 究 对 象 及 其 重 要 性 简 述 研 究

2、固 体 结 构 及 其 组 成 粒 子 (原 子 、 离 子 、 电 子 )之 间 相 互 作 用 与 运 动 规 律 以 阐 明 其 性 能 与 用 途 的 学 科 为 多 学 科 （ 力 、 热 、 电 、 光 、 原 、 冶 金 、 材 料 等 ） 提 供 微 观 研 究 的 基 础 ； 高 新 技 术 发 展 的 动 力 ， 如 晶 体 管 、 超 导 体 、 固 体 激 光 器 （ 能 量 比 气 体 激 光 器 大 ） 、 通 信 、 计 算 机 、 新 材 料 等 诸 多 领 域 是 物 理 学 中 最 庞 大 ， 发 展 最 迅 速 的 应 用 科 学 ， 涉 及 范 围 广

3、、 研 究 层 次 多 、 问 题 错 综 复 杂 Shape of Snow Crystal 05/16 Be2O3 Crystal and G lass of Be2O3 理 想 晶 体 内 在 结 构 完 全 规 则 的 固 体 _做 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 电 子 衍 射 图 中 具 有 五 重 对 称 的 斑 点 分 布 介 于 晶 体 和 非 晶 体 之 间 的 新 的 状 态 准 晶 态 二 、 固 体 物 理 的 发 展 过

4、程 概 述 晶 体 规 则 的 几 何 形 状 和 对 称 性 与 其 它 物 理 性 质 之 间 有 一 定 联 系 ;晶 体 外 形 的 规 则 性 是 内 部 规 则 性 的 反 映 十 七 世 纪 惠 更 斯 以 椭 球 堆 积 的 模 型 来 解 释 方 解 石 的 双 折 射 性 质 和 解 理 面 十 八 世 纪 ， 阿 羽 依 认 为 晶 体 由 一 些 坚 实 、 相 同 的 平 行 六 面 形 的 小 基 石 ” 有 规 则 地 重 复 堆 集 而 成 的 十 九 世 纪 中 叶 ， 布 拉 伐 发 展 了 空 间 点 阵 学 说 概 括 了 晶 格 周 期 性 的 特 征

5、 十 九 世 纪 末 叶 ， 费 多 洛 夫 ， 熊 夫 利 、 巴 罗 等 独 立 地 发 展 了 关 于 晶 体 微 观 几 何 结 构 的 理 论 体 系 ， 为 进 一 步 研 究 晶 体 结 构 的 规 律 提 供 了 理 论 依 据 描 述 晶 体 比 热 _杜 隆 珀 替 定 律 描 述 金 属 导 热 和 导 电 性 质 的 魏 德 曼 佛 兰 兹 定 律 二 十 世 纪 初 特 鲁 德 和 洛 伦 兹 建 立 了 经 典 金 属 自 由 电 子 论 ， 对 固 体 认 识 进 入 一 个 新 的 阶 段 1912年 ， 劳 厄 指 出 晶 体 可 以 作 为 X射 线 的 衍

6、 射 光 栅 爱 因 斯 坦 引 进 量 子 化 的 概 念 来 研 究 晶 格 振 动 索 末 菲 在 金 属 自 由 电 子 论 基 础 上 ， 发 展 了 固 体 量 子 论 费 米 发 展 了 统 计 理 论 ， 为 以 后 研 究 晶 体 中 电 子 运 动 的 过 程 指 出 了 方 向 20世 纪 三 十 年 代 ， 建 立 了 固 体 能 带 论 和 晶 格 动 力 学 10/16 量 子 理 论 发 展 正 确 描 述 了 晶 体 内 部 微 观 粒 子 运 动 过 程 固 体 能 带 论 说 明 了 导 体 与 绝 缘 体 的 区 别 ， 并 断 定 有 一 类 固 体 ，

7、 其 导 电 性 质 介 于 两 者 之 间 _半 导 体 20世 纪 四 十 年 代 末 ， 以 诸 、 硅 为 代 表 的 半 导 体 单 晶 的 出 现 并 制 成 了 晶 体 三 极 管 _ 产 生 了 半 导 体 物 理 1960年 诞 生 的 激 光 技 术 对 固 体 的 电 光 、 声 光 和 磁 光 器 件 不 断 地 提 出 新 要 求 三 、 固 体 物 理 的 学 科 领 域 高 纯 度 的 完 整 晶 体 、 杂 质 、 缺 陷 对 金 属 、 半 导 体 电 介 质 、 磁 性 材 料 以 及 其 它 固 体 材 料 性 能 的 影 响 一 般 条 件 下 金 属

8、、 半 导 体 、 电 介 质 、 磁 性 物 质 发 光 等 材 料 的 各 种 性 质 强 磁 场 、 强 辐 射 、 超 高 压 、 极 低 温 等 特 殊 条 件 下 材 料 表 现 出 的 各 种 现 象 探 索 新 材 料 和 设 计 新 器 件 超 导 理 论 、 多 体 理 论 、 非 晶 态 理 论 、 表 面 理 论 光 与 物 质 相 互 作 用 等 发 展 制 备 材 料 和 器 件 的 新 工 艺 和 新 理 论 固 体 物 理 学 负 担 着 重 大 的 理 论 课 题 固 体 物 理 领 域金属物理 半导体物理 晶体物理 磁学 电介质物理 液晶物理 固体发光 超导

9、体物理 固态电子学 固态光电子学 固体光谱 强关联物理纳米物理表面物理 介观物理 四 、 近 10年 来 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 情 况 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 阿 尔 费 罗 夫 （ 俄 国 ） 克 罗 默 （ 德 国 ） 阿 尔 费 罗 夫 用 克 罗 默 的 理 论 ，于 1966年 研 制 出 第 一 个 实 用 的异 型 结 构 电 子 器 件

10、 。 之 后 ， 他们 制 作 了 第 一 支 异 型 结 构 激 光二 极 管 ， 使 光 纤 通 信 成 为 可 能 ，并 逐 步 用 于 通 讯 卫 星 、 条 码 阅读 机 、 手 提 电 话 等 领 域 。 杰 克 .基 尔 比 发 明 第 一 颗 积 体 （ 集 成 ）电 路 IC 杰 克 基 尔 比（ 美 国 ） 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 面取 得

11、 成 就 在 正 常 温 度 下 ， 原 子 可 以 处 于 任 何 一 个 能 级 ， 但 在 非 常 低 的温 度 下 ， 大 部 分 原 子 会 突 然 跌 落 到 最 低 的 能 级 上 ， 表 示 原 来不 同 状 态 的 原 子 突 然 “ 凝 聚 ” 到 同 一 状 态 。 1995年 6月 ， 两名 美 国 科 学 家 康 奈 尔 、 维 曼 以 及 德 国 科 学 家 克 特 勒 分 别 在 铷原 子 蒸 气 中 第 一 次 直 接 观 测 到 了 玻 色 -爱 因 斯 坦 凝 聚 态 。 2002年 ： 雷 蒙 德 戴 维 斯 、 里 卡 尔 多 贾 科 尼 （ 美 国 ）

12、 、 小 柴 昌 俊（ 日 本 ） “ 表 彰 他 们 在 天 体 物 理 学 领 域 做 出 的 先 驱 性 贡 献 ， 其 中包 括 在 “ 探 测 宇 宙 中 微 子 ” 和 “ 发 现 宇 宙 射 线 源 ” 方 面 的 成 就 。 雷 蒙 德 戴 维 斯 小 柴 昌 俊里 卡 尔 多 贾 科 尼 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 ） “ 表 彰 三 人 在超 导 体 和 超 流 体 领 域 中 做 出 的 开 创 性 贡 献 。 ” 阿 列 克 谢 阿 布 里 科 索 夫 安

13、东 尼 莱 格 特 维 塔 利 金 茨 堡阿 布 里 科 索 夫 发 现 超 导 和 强 大 的 磁 场 可 同 时 存 在 ： 使 超 导 成为 非 同 质 的 ， 让 磁 力 线 在 涡 流 中 以 集 束 形 式 穿 过 超 导 体 。 这一 理 论 指 出 了 型 超 导 体 的 存 在 。 这 种 材 料 可 用 来 制 造 医 疗 器 械 ， 还 可 以 广 泛 用 于 物 理 研 究 中 的 粒 子 加 速 器 。 2004年 ： 戴 维 格 罗 斯 （ 美 国 ） 、 戴 维 普 利 策 （ 美国 ） 和 弗 兰 克 维 尔 泽 克 （ 美 国 ） ， 为 表 彰 他 们“ 对

14、 量 子 场 中 夸 克 渐 进 自 由 的 发 现 。 ” 构 建 适 用于 所 有 物 质 的 “ 万 有 理 论 ” 。 戴 维 格 罗 斯 戴 维 普 利 策 弗 兰 克 维 尔 泽 克 2005年 ： 罗 伊 格 劳 伯 （ 美 国 ） 表 彰 他 对 光 学 相 干 的 量 子 理 论 的贡 献 ； 约 翰 霍 尔 （ John L. Hall， 美 国 ） 和 特 奥 多 尔 亨 施（ 德 国 ） 表 彰 他 们 对 基 于 激 光 的 精 密 光 谱 学 发 展 作 出 的 贡 献 。罗 伊 格 劳 伯 约 翰 霍 尔 特 奥 多 尔 亨 施 2006年 ： 约 翰 马 瑟 （

15、 美 国 ） 和 乔 治 斯 穆 特 （ 美 国 ） 表 彰他 们 发 现 了 黑 体 形 态 和 宇 宙 微 波 背 景 辐 射 的 扰 动 现 象 。 约 翰 马 瑟 乔 治 斯 穆 特他 们 的 发 现 为 宇 宙 的 起 源 提 供 了 第 一 个 清 楚 的 认 识 ， 支 持了 大 爆 炸 假 说 。 他 们 发 现 了 宇 宙 微 波 背 景 辐 射 的 各 向 异 性 ，使 人 们 有 可 能 明 白 地 了 解 象 星 系 、 星 体 这 样 的 结 构 是 如 何从 各 向 均 匀 的 大 爆 炸 中 产 生 ， 而 这 是 宇 宙 学 中 最 令 人 着 迷的 迷 题 之

16、 一 。 大 爆 炸 之 后 的 各 向 异 性 ， 作 用 于 星 系 的 发 展 ，形 成 今 天 这 个 状 态 。 2007年 ： 法 国 科 学 家 艾 尔 伯 费 尔 和 德 国 科 学 家 皮特 克 鲁 伯 格 ， 表 彰 他 们 发 现 巨 磁 电 阻 效 应 的 贡 献 。 艾 尔 伯 费 尔 皮 特 克 鲁 伯 格巨 磁 阻 效 应 ， 是 指 磁 性 材 料 的 电 阻 率 在 有 外 磁 场 作 用 时 较之 无 外 磁 场 作 用 时 存 在 巨 大 变 化 的 现 象 。 被 用 于 开 发 研 制用 于 硬 磁 盘 的 体 积 小 而 灵 敏 的 数 据 读 出

17、头 （ Read Head） 。这 使 得 存 储 单 字 节 数 据 所 需 的 磁 性 材 料 尺 寸 大 为 减 少 ， 从而 使 得 磁 盘 的 存 储 能 力 得 到 大 幅 度 的 提 高 。 2008年 ： 日 本 科 学 家 南 部 阳 一 郎 ， 表 彰 他 发 现 了 亚原 子 物 理 的 对 称 性 自 发 破 缺 机 制 。 日 本 物 理 学 家 小林 诚 ， 益 川 敏 英 提 出 了 对 称 性 破 坏 的 物 理 机 制 ， 并成 功 预 言 了 自 然 界 至 少 三 类 夸 克 的 存 在 。 南 部 阳 一 郎小 林 诚 益 川 敏 英 2009年 ： 英

18、 国 籍 华 裔 物 理 学 家 高 锟 因 为 “ 在 光 学 通 信 领 域中 光 的 传 输 的 开 创 性 成 就 ” 而 获 奖 ； 美 国 物 理 学 家 韦 拉德 博 伊 尔 （ Willard S.Boyle） 和 乔 治 史 密 斯 （ George E.Smith） 因 “ 发 明 了 成 像 半 导 体 电 路 电 荷 藕 合 器 件 图像 传 感 器 CCD” 获 此 殊 荣 。 五 、 固 体 物 理 的 研 究 方 法 固 体 物 理 是 一 门 实 验 性 学 科 为 阐 明 固 体 表 现 出 的 现象 与 内 在 本 质 的 联 系 ， 建 立 和 发 展 关

19、 于 固 体 的 微 观 理 论固 体 是 一 个 复 杂 的 客 体 每 一 立 方 米 中 包 含 有 约 1029个 原 子 、 电 子 ， 而 且 它 们 之 间 的 相 互 作 用 相 当 强固 体 的 宏 观 性 质 就 是 大 量 粒 子 之 间 的 相 互 作 用 和 集体 运 动 的 总 表 现 1. 根 据 晶 体 中 原 子 规 则 排 列 特 点 ， 建 立 晶 格 动 力 学 理 论 ，引 入 声 子 的 概 念 ， 阐 明 了 固 体 的 低 温 比 热 和 中 子 衍 射 谱2. 金 属 的 研 究 抽 象 出 电 子 公 有 化 的 概 念 ， 再 用 单 电子

20、 近 似 的 方 法 建 立 能 带 理 论3. 物 质 的 铁 磁 性 研 究 了 电 子 与 声 子 的 相 互 作 用 ， 阐明 低 温 磁 化 强 度 随 温 度 变 化 的 规 律4. 超 导 的 理 论 研 究 电 子 和 声 子 的 相 互 作 用 ， 形 成 库柏 电 子 对 ， 库 柏 对 的 凝 聚 表 现 为 超 导 电 相 变 1. 人 造 材 料 、 超 晶 格 半 导 体 、 MBE、 CVO等2. 量 子 霍 尔 效 应 ： 电 势 差 按 量 子 变 化 而 非 连 续 变 化3. 降 维 效 应 ： 三 维 二 维 一 维 零 维 （ 量 子 点 ）4. 电

21、荷 密 度 波 、 自 旋 密 度 波六 、 固 体 物 理 学 领 域 的 一 些 重 要 进 展 5. 无 序 ： 等 效 介 质 +微 扰6. 混 合 原 子 价7. 3H e的 超 流 相 （ 低 温 下 流 动 无 阻 力 ）8. 重 整 化 群 的 方 法 （ 处 理 多 体 问 题 、 相 变 、 临 界 点 等 ） 9. 混 沌 现 象10. 同 步 辐 射11. 原 子 显 微 镜 、 原 子 探 针12. 金 属 氢 （ T20k,液 态 ； T14k， 固 态 ； 常 温 下 加 压 也 可 为 固 态 ） 储 氢 材 料13. 氧 化 物 超 导 体 （ 86年 诺 贝

22、 尔 奖 ） （ 中 国 的 最 高 温 超 导 为 90K）14. 分 形 和 分 维 （ 自 相 似 ）15. 准 晶 （ 晶 体 长 程 有 序 ， 准 晶 有 短 程 序 、 无 长 程 序 ） （ 急 冷 方 式 获 得 ） 16. 细 小 体 系 、 团 簇 、 C60、 介 观 物 理17. 有 机 导 体 、 高 分 子 材 料 （ 具 有 掺 杂 导 电 性 ）18. 非 线 性 、 非 平 衡 、 孤 子 、 突 变 、 湍 流19. 量 子 计 算 机 ， 由 量 子 态 控 制 （ 传 统 计 算 机 由 0、 1控 制 ） 20. 超 硬 材 料 ， 如 导 电 性

23、极 强 的 金 刚 石 半 导 体 ， 性 能 稳 定 、 寿 命 长 、 结 构 好 （ 法 国 ）21. 分 子 开 关 （ 利 用 分 子 组 合 来 操 纵 开 关 ）22. 碳 纳 米 管 23. 生 物 物 理 （ 蛋 白 质 、 DNA等 ）24. 软 凝 聚 态 物 质 （ 生 物 体 、 胶 体 、 各 种 细 小 颗 粒 、 沙 堆 模 型 等 ）25. 纳 米 材 料26. Bose-Einstein凝 聚 固体物理学参考书目1. 固 体 物 理 学 黄 昆 韩 汝 琪 ， 高 等 教 育 出 版 社2. Introduction to Solid State Physics Seventh Edition CH ARLES KITTEKL, John Wiley3. 固 体 物 理 学 方 俊 鑫 陆 栋 , 上 海 科 学 技 术 出 版 社 4. 固 体 物 理 学 顾 秉 林 王 喜 昆 ， 清 华 大 学 出 版 社 5. 固 体 物 理 学 学 习 参 考 书 陈 金 富 ， 高 等 教 育 出 版 社6. 固 体 物 理 基 础 阎 守 胜 ， 北 京 大 学 出 版 社7. 固 体 能 带 理 论 谢 希 德 陆 栋 ， 复 旦 大 学 出 版 社