固体物理学：绪论

课程绪论课程绪论0.1 固体物理的研究对象固体物理的研究对象0.3 固体物理的应用领域固体物理的应用领域0.2 固体物理的发展过程固体物理的发展过程0.4 固体物理的研究方法固体物理的研究方法绪论0.5 教学内容及教学安排教学内容及教学安排 固体物理学的研究对象？* 当然是固体！什么是固体？* 从初中开始我们就已经知道。* 现在当然不够！研究固体的物理性质和规律。 固体的物理性质和规律由什么决定？* 仅仅是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！* 那么，细究金刚石、石墨、C60固体有何不同？ 显然，这就需要在微观上来研究固体固体中原子的分布 固体物理是研究固体的结构，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。 0.1 固体物理的研究对象固体物理的研究对象 1、什么是固体？2、固体的微观定义、固体的微观定义 如何定义固体，取决于我们的研究层次* 在原子、电子层次，研究固体的宏观物理性质 原子分布?如何区别于气态和液态 固体的微观定义* 固体中的原子在其平衡位置附近作微小振动 原子平衡位置的排列形成固体的微观结构 回到前面问题* 金刚石、石墨、C60固体中C原子的排列结构不同* 固体宏观物理性质由所组成的原子的化学成份及其它们排列的结构共同决定3、微观层次研究固体的三个关键问题、微观层次研究固体的三个关键问题 固体性质既然涉及到原子、电子层次，那么我们首先必须面对如下的三个重要的问题用经典还是量子方法来研究固体问题？ 如何描写原子、电子之间的相互作用？ 多体问题如何处理1029/m3量级的粒子数？ 周期结构 固体物理学的繁复就在这里，就是以前学过与原子电子相互作用有关的物理理论，在这样对象上的运用。（1）经典还是量子？ 用经典还是量子方法来处理，这基本上这取决于研究固体的何种物理性质。* 什么时候该用量子；* 什么时候经典也可以。（2）多体相互作用如何处理？）多体相互作用如何处理？ 不管经典还是量子都还有如何具体描写它们之间的相互作用问题多体问题* 固体物理学（也是凝聚态物理）中最困难的问题* 非常困难！三体以上至今仍未解决！这个问题的关键在于数学工具！ 在没有找到合适的数学工具前，别去碰它在现有的数学工具下，别试图在理论上有效地描写多体相互作用！ 当然这只是目前的观点。（3）如何处理）如何处理1029/m3的粒子？的粒子？ 这是我们以前学过的物理所不曾遇到过的问题* 这个问题找到了解决之道后，才形成了固体物理学这门学科。 那么，如何化解这个困难？* 统计？处理1029个联立方程？或者其他什么方法？ 线索和根据（衍射实验，以后会讲）？* 有一类固体晶体中原子呈有规律性的排列周期性周期性！ 固体物理要点或贯穿固体物理学的主线就是周期性（各种波在周期性结构中的运动）4、固体的分类、固体的分类 ：晶体、准晶体、非晶体晶体、准晶体、非晶体v 晶体（晶态） ：原子按一定的周期排列规则的固体（长程有序），例如：天然的岩盐、水晶以及人工的半导体锗、硅单晶都是晶体。图1和图2是CaCO3和雪花结晶的结构图3是高温超导体 YBaCuO 晶体的结构 非晶体（非晶态）：原子的排列没有明确的周期性（短程有序），如：玻璃、橡胶、塑料。晶体：单晶、多晶晶体：单晶、多晶（晶粒、晶界、各向同性、无规则）（晶粒、晶界、各向同性、无规则）v 图4 和图5分别是Be2O3单晶和非晶结构。 v 准晶体：1984 年 Shechtman 等人报导了用快速冷却方法制备的 AlMn 合金中的电子衍射图中，发现了具有五重对称的斑点分布，斑点的明锐程度不亚于晶体的情况，提出介于晶体和非晶体之间的新的状态 称为准晶态。v 理想晶体：内在结构完全规则的固体，又叫做完整晶体；v 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则做近乎完整的晶体。 电子衍射图中具有五重对称的AlMn合金斑点分布 0.2 固体物理的发展过程固体物理的发展过程 晶体具有规则性的几何形状和晶体外形的对称性与其他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。十七世纪惠更斯用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方解石晶体是由一些坚实的、相同的、平行六面形的小“基石”有规则地重复堆集而成的；1850年布喇菲导出14种点阵，概括了晶格周期性的特征。费奥多罗夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶体对称性的群理论。这为固体的理论发展找到了基本的数学工具 。在十九世纪人们还总结了若干重要的经验规律，例如晶体比热的杜隆珀替定律，金属导热和导电性质的魏德曼佛兰兹定律（1853）。1905年特鲁德和洛伦兹建立了经典的金属自由电子论等。1912年劳厄等发现 X射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性排列的结构。加上后来布喇格父子1913年的工作，建立了晶体结构分析的基础。量子理论可描述晶体内部微观粒子的运动过程。如爱因斯坦的晶格振动（1907）；索末菲的在金属自由电子论的基础上，发展了固体量子论；此外，费米发展了统计理论。这为以后研究晶体中电子的运动指出了方向。v 20 世纪三十年代，研究了晶体中电子能量状态、电子运动规律以及晶体中原子的热运动和热缺陷等问题。人们对固体的认识开始由表及里，由宏观到微观，由定性到定量，由现象到本质。建立了固体电子态理论（能带论）和晶格动力学。固体的能带论提出了导电的微观机理。利用能带的特征以及泡利不相容原理，威耳逊在1931年提出金属和绝缘体相区别的能带模型，并预言介于两者之间存在半导体。v 19471948年巴丁、布喇顿以及肖克莱发明晶体管 ，进而产生了半导体物理。这标志着固体物理学发展过程又一飞跃。特别是尔后集成电路的发展使无线电电子技术、计算技术、自动控制技术发生了空前的革新，并且推动了宇宙航行（宇航）、原子能利用和生产全盘自动化等等的发展。v 1960 年 7 月出现的红宝石激光器。激光技术的发展推进了固体的电光、声光和磁光器件等方面的研究。v 固体物理学、尖端技术和其他学科的发展相互推动、相辅相成的作用，反映在上述的固体新材料与新元件的发现和使用上新技术和其他学科的发展，也为固体物理学提供了空前有利的研究条件。从而使电子学技术、计算技术、自动控制技术、遥感技术、激光技术、光通信技术等等的发展，并且使得有关的技术可能达到电路集成化乃至光路集成化。0.3 固体物理的应用领域固体物理的应用领域 v 固体物理涉及领域包括金属物理、半导体物理、晶体物理和晶体生长、磁学、电介质（包括液晶）物理、固体发光、超导体物理、固态电子学和固态光电子学等十多个子学科。目前的热点领域有：v 1. 研究固体中的元激发及其能谱（例如，固体的激光光谱）揭示固体内部的微观过程，认识光与物质相互作用的规律，掌握光子与固体中元激发耦合所形成的各种混态及其性质，从而掌握光在固体中传输时所发生的微观过程。这对于发展固态的光电子器件乃至固态光子学有重要意义；v 2. 研究固体内部原子间结合力的综合性质与复杂结构的关系，掌握缺陷形成和运动以及结构变化（相变）的规律，从而发展多功能的复合材料以适应新的需要；v 3. 研究在极低温，超高压、强磁场、强辐射条件下固体的性质这主要是为发展新的能源和能量转换方式提供技术准备，也为满足种种特殊条件所需要的材料和器件创造条件；v 4. 表面物理。表（界）面的研究对固体（金属）材料腐蚀、防断裂有重要作用。表面物理的研究将揭示出化学催化的微观机制，在半导体物理、金属物理的基础上发展出来的表面物理将在物理与化学、生物学等一些学科之间构成重要的边缘学科；v 5. 非晶态物理，即研究非晶体中原子、电子的微观过程。预料从这里将发展出价廉物美的新器件。这方面的研究将引导到液态物理的发展。0.4 固体物理的研究方法固体物理的研究方法v研究特点研究特点看逻辑线索看逻辑线索v固体物理学发展至今，内容一般包含固体物理学发展至今，内容一般包含v* 固体的结构性质固体的结构性质v* 固体的力学性质固体的力学性质v* 固体的电子性质固体的电子性质v* 固体的输运性质固体的输运性质v* 固体的磁学性质（另有专门的课程）固体的磁学性质（另有专门的课程）v* 固体的光学性质（另有专门的课程）固体的光学性质（另有专门的课程）固体物理研究方式的特点固体物理研究方式的特点 什么是固体物理的研究方式？* 普通物理、四大力学的方式？* 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， 这种方式的特点：* 假设和前提都非常简单、明晰，容易接受。（最关键）*它是某种程度上的近似，结论和规律有适用范围，因而在某些条件下不再正确，需要修正。*因为有近似，所以得到的结果可能是不那么完善的规律。v固体物理研究的方式固体物理研究的方式 近似模型近似模型近似规律近似规律修正模型修正模型螺旋上升螺旋上升 失败是成功之母失败是成功之母有问题的模型是理解正确有问题的模型是理解正确概念、得到正确物理规律的第一步概念、得到正确物理规律的第一步 合适近似的内涵：合适近似的内涵：* 能给出这些物理定律的适用条件；能给出这些物理定律的适用条件；* 同时告知所描述问题的准确性和精度有多高。同时告知所描述问题的准确性和精度有多高。 固体（晶体）是一个很复杂的客体，固体的宏观性质是大量的粒子之间的相互作用和集体运动的总表现。在研究固体的客观规律时，必须针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素来进在分析研究。例如： （1）根据晶体中原子（分子）规则排列的主要特点，抽象出理想的周期性，建立晶格动力学理论，此后引入声子的概念，能够很好地阐明固体的低温比热和中子衍射谱； （2）从对金属的研究，抽象出电子公有化的概念，再用单电子近似的方法建立能带理论。由此发展出一系列的合金材料，特别是发现了半导体； （3）在研究物质的铁磁性时，重点地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。X射线技术射线技术XRD扫描电镜扫描电镜SEM透视电镜透视电镜TEM高分辨率透视电镜高分辨率透视电镜HREM场离子显微镜场离子显微镜FIM红外光谱红外光谱IR核磁共振核磁共振NMR电子顺磁共振谱电子顺磁共振谱 ESRX光荧光谱光荧光谱XPS拉曼光谱拉曼光谱Raman固体物理学的研究手段固体物理学的研究手段扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPM X-射线仪 材料拉伸疲劳试验仪 扫描电镜 电子探针 透射电子显微镜 0.5 教学内容及教学安排教学内容及教学安排v教学内容教学内容：v 第一章 晶体结构（14学时，含绪论）v （晶体的宏观特性、微观结构、对称性、倒格子、XRD等）v 第二章 晶体的结合（6学时）v （晶体结合的特性、离子晶体、分子晶体、金属晶体等）v 第三章 晶格振动（8学时，含半期考试）v （一维原子晶体的振动、晶体振动量子化与声子、晶体的比热等）v 第四章 晶体缺陷（4学时）v （点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷、晶体中的扩散等）v 第五章 金属自由电子论（4学时）v （金属的比热、电导、热导等）v 第六章 固体的能带理论（12学时，含复习）v （Bloch定理、近自由电子近似、能带结构等）v 第七章 晶体中的电子输运（自学）v教学安排教学安排：48 学时学时教材与参考书教材与参考书教材教材： 固体物理基础固体物理基础，曹全喜等编，西安电子科大出版社，2008；参考书：参考书：1、 材料物理基础材料物理基础恽正中、张鹰、邱吉衡恽正中、张鹰、邱吉衡 电子科技大学电子科技大学出版社出版社 2、 固体物理教程固体物理教程王矜奉王矜奉 山东大学出版社山东大学出版社 3、 固体物理学固体物理学 黄昆，韩汝琦黄昆，韩汝琦 高等教育出版社高等教育出版社 4、 量子力学导论量子力学导论曾谨言曾谨言 北京大学出版社北京大学出版社 学习要求：学习要求：1. 记好笔记，及时复习；记好笔记，及时复习；2. 掌握固体物理的基本概念、思维方法和学习掌握固体物理的基本概念、思维方法和学习方法；方法； 针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主针对某一特殊过程，抓住主要矛盾，突出主要因素，建立模型。要因素，建立模型。 例如：晶体例如：晶体周期性；周期性； 金属金属电子公有化电子公有化单电子近似单电子近似 能能带论。带论。3. 作好作业。作好作业。