固体物理的前沿应用

课程设计题目：固体物理的前沿应用专业名称电子科学与技术姓名蔡涛 2905202002高峰 2905202005 代福胜 2905202021摘要：本文对于固体物理中晶体结构以及其性质，做了简单介绍，并探讨了固体物理的一些应用，以及它在国家项目中的情况和今后的发展前景。关键字： 晶体结构 ，固体物理，固体激光器，固体表面物理化学。目录固体物理学的研究对象1.0固体的一些性质1.1固体物理学中得晶体结构1.2固体表面物理化学2.0固体激光器2.1固体物理在其它方面的应用2.22.3固体物理学的展望体物理前沿和国家重点项目 31.固体物理学1.0 固体物理学研究的对象固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观 结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。固体的内部结构和运动形式很复杂，这方 面的研究是从晶体开始的，因为晶体的内部结构简单，而且具有明显的规律性，较易研究。 以后进一步研究一切处于凝聚状态的物体的内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质的 关系。这类研究统称为凝聚态物理学。由于固体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的 基础，也由于固体物理学科内在的因素，固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之 一以上。同时，固体物理学的成就和实验手段对化学物理、催化学科、生命科学、地学等的 影响日益增长，正在形成新的交叉领域。固体物理对于技术的发展有很多重要的应用，晶体管发明以后，集成电路技术迅速 发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之迅速发展。其经济影响和社会影响是 革命性的。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。1.1固体的一些性质固体磁性是一个有很久历史的研究领域。抗磁性是物质的通性，来源于在磁场中电子的 轨道运动的变化。从20世纪初至30年代，经过许多学者努力建立了抗磁性的基本理论。范扶 累克在1932年证明在某些抗磁分子中会出现顺磁性；朗道在1930年证明导体中传导电子的非 局域的轨道运动也产生抗磁性，这是量子的效应；居里在1895年测定了顺磁体磁化率的温度 关系，朗之万在1905年给出顺磁性的经典统计理论，得出居里定律。顺磁性的量子理论连同 大量的实验研究，导致顺磁盐绝热去磁致冷技术出现，电子顺磁共振技术和微波激射放大器 的发明，以及固体波谱学的建立。固体的相变晶体内部的原子可以形成不同形式的点阵。处于不同形式点阵的晶体，虽然化学成分相 同，物理性质却可能不同。不同的点阵形式具有不同的能量：在低温时，点阵处于能量最低 的形式；当晶体的内部能量增高，温度升高到一定数值，点阵就会转变到能量较高的形式。 这种转变称为相变，相变会导致晶体物理性质的改变，相变是重要的物理现象，也是重要的 研究课题。固体物理学 在固体物理学中相变占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶体生长、蒸发、相干衡 相变动力学、临界现象等，19世纪吉布斯研究了相平衡的热力学。后来厄任费斯脱在 1933 年对各种相变作了分类。60年代以后，人们对发生相变点的临界现象做了大量研究，总结出 标度律和普适性。卡达诺夫在1966年指出在临界点粒子之间的关联效应起重要作用。威耳逊 在1971年采用量子场论中重正化群方法，论证了临界现象的标度律和普适性，并计算了临界 指数，取得成功。1.2固体物理学中的晶体结构（1）晶体在固体物理中，晶体结构的研究占据了很重要的地位。下面先对晶体作些介绍。 晶体是各向异性的均匀物体。生长良好的晶体,外观上往往呈现某种对称性。从微观来看， 组成晶体的原子在空间呈周期重复排列。即以晶体中的原子或其集合为基点,在空间中三个 不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。如从重复出现的每个基元中各取某 一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分。确切地说，点阵是一组按连接其 中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。晶体的解理性当晶体受到敲打、剪切、撞击等外界作用时，可有沿某一个或几个具有确定方位的晶面 劈裂开来的性质。如固体云母很容易沿自然层状结构平行的方向劈为薄片，晶体的这一性质 称为解离性，这些劈裂面则称为解理面。自然界的晶体显露于外表的往往就是一些解理面。晶体的各向异性晶体的物理性质随观测方向而变化的现象称为各向异性。晶体的很多性质表现为各向异 性，如压电性质、光学性质、磁学性质及热学性质等。例如：石墨的电导率，当我们沿晶体 不同方向测其电导率时，得到方向不同而石墨的电导率数值也不同的结果。晶体的对称性晶体的宏观性质一般说来是各向异性的，但并不排斥晶体在某几个特定的方向可以是异向同性的。晶体的宏观性质在不同方向上有规律重复出现的现 象称为晶体的对称性。晶体的对称性反映在晶体的几何外形和物理性质两个方面。实验表明， 晶体的许多物理性质都与其几何外形的对称性相关。2）晶体结构晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列 情况。从微观来看，组成晶体的原子在空间呈周期重复排列。即以晶体中的原子或其集合 为基点,在空间中三个不共面的方向上,各按一定的点阵周期，不断重复出现。如从重复出现 的每个基元中各取某一相当点，则这些点合在一起形成一个空间点阵的一部分。确切地说， 点阵是一组按连接其中任何两点的矢量进行平移后而能复原的点的重复排列。空间点阵是认识晶体结构基本特征的关键之一，用它可以方便而又清楚地说明晶 体的微观结构在宏观中所表现出的面角守恒、有理指数等定律以及 x 射线衍射的几何关系。各点分布在同一直线上的点阵称为直线点阵，分布在同一平面中者称为平面点阵，而分布在 三维空间中者称为空间点阵。空间点阵可以分解为各组平行的直线点阵或平面点阵，并可划 分成并置的平行六面体单位。规定这个单位的矢量为a、b和Co空间点阵划分成一个个并 置的平行六面体单位后，若点阵中各点都位于各平行六面体的顶点处，则此单位只摊到一个 点，称为素单位。平行六面体单位也可在面上或体内带心，摊到一个以上的点，成为复单位。 按照空间点阵的平行六面体单位，可划分成晶体结构的单位，这样的单位称为晶包。空间点阵的类型 根据晶体的宏观对称性，布喇菲在1849年首先推导出14种空间点阵,它们的晶轴关系即 晶轴的单位长度及夹角间的关系，分别属于立方、四方、三方、六方、正交、单斜、三斜共 7个晶系。在四方晶系中,晶胞的两个边等长并正交;而在正交晶系中三个边皆不等长。在六方 晶系中，两个边等长(a=b厵c),它们的夹角产120。，而在三方晶系中的菱面体晶胞中，三个边等 长，三个夹角相等，但无正交关系(三方晶系中也可取六方点阵的晶胞)，在单斜晶系，三 个边不等长，三个夹角中有两个是90。在这7个晶系中，除了由素单位构成的简单点阵(P) 外,还可能有体心(I)、底心(C)、面心(F)点阵。在这些有心的点阵中，晶胞分别有2个或4个阵 点。2.固体物理的应用2.0 固体表面物理化学基于对固体物理晶体结构的研究，以及它所体现的一些性质，催生出来好多前沿科 学。 其中之一，就是固体表面物理化学。该学科涉及了固体物理学，物理化学中催化化学、电化学、结构与量子化学等分 支学科前沿研究领。它具体的研究内容如下：价健理论方法、金属及金属氧化物表面化学吸 附与反应、碳纳米管管壁的共价化学、金属催化剂上n2加氢与co加氢的反应机理和离子型 化合物助催剂的作用本质、轻烷分子活化和临氧转化中的某些问题、金属单晶表面电化学与 电催化、表面增强担曼光谱、表面电化学研究中的现场扫描遂道显微技术、表面电化学研究 中的现场表面 x 射线衍射技术、空间分辨电化学研究方法、半导体和聚事物电化学、生物大 分子电化学等。2.1 固体激光器用固体激光材料作为工作物质的激光器。1960年，T.H.梅曼发明的红宝石激光器就 是固体激光器，也是世界上第一台激光器。固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光 腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生 受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的 。固体激光器的工作物质，由光学透明的晶体或玻璃作为基质材料，掺以激活离子或其 他激活物质构成。这种工作物质一般应具有良好的物理化学性质、窄的荧光谱线、强而宽 的吸收带和高的荧光量子效率。以晶体为基质材料的晶体激光工作物质一般具有良好的热性 能和机械性能，窄的荧光谱线，但获得优质大尺寸材料的晶体生长技术复杂。 60年代以来已 有 300 种以上掺入各种稀土金属或过渡金属离子氧化物和氟化物晶体实现了激光振荡。常 用的激光晶体有红宝石（Cr:AI2O3,波长6943埃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:Y3AI5O12,简称N d:YAG波长 1.064微米）、氟化钇锂（LiYF4,简称 YLF;Nd:YLF波长1.047或1.053微米;Ho:Er: Tm:YLF波长2.06微米）等。固体激光器以光为激励源。常用的脉冲激励源有充氙闪光灯；连续激励源有氪弧灯、 碘钨灯、钾铷灯等。在小型长寿命激光器中,可用半导体发光二极管或太阳光作激励源。 一些新的固体激光器也有采用激光激励的。固体激光器由于光源的发射光谱中只有一部分 为工作物质所吸收,加上其他损耗,因而能量转换效率不高,一般在千分之几到百分之几 之间。固体激光器的特性是可作大能量和高功率相干光源。红宝石脉冲激光器的输出能量 可达千焦耳级。经调 Q 和多级放大的钕玻璃激光系统的最高脉冲功率达10瓦。钇铝石榴石 连续激光器的输出功率达百瓦级,多级串接可达千瓦固体激光器在军事、加工、医疗和科学研究领域有广泛的用途。它常用于测距、跟 踪、制导、打孔、切割和焊接、半导体材料退火、电子器件微加工、大气检测、光谱研究、 外科和眼科手术、等离子体诊断、脉冲全息照相以及激光核聚变等方面。固体激光器还用作 可调谐染料激光器的激励源。固体激光器的发展趋势是材料和器件的多样化,包括寻求新波 长和工作波长可调谐的新工作物质,提高激光器的转换效率,增大输出功率,改善光束质量。2.2 固体物理在其他方面的应用1、人工微结构物理。2、量子调控电子学。3、微结构材料。4、软物质的结构与功能 。5、微结构材料设计和理论计算 （6、基于微结构的高新技术。7、材料制备的物理基础研究 。2.3 固体物理学的展望新的实验条件和技术日新月异,正为固体物理不断开拓新的研究领域。极低 温、超高压、强磁场等极端条件、超高真空技术、表面能谱术、材料制备的新技术、同步辐 射技术、核物理技术、激光技术、光散射效应、各种粒子束技术、电子显微术、穆斯堡尔效 应、磁共振技术等现代化实验手段,使固体物理性质的研究不断向深度和广度发展。由于固 体物理本身是微电子技术、光电子学技术、能源技术、材料科学等技术学科的基础,也由于 固体物理学科内在的因素,固体物理的研究论文已占物理学中研究论文三分之一以上。其发 展趋势是：由体内性质转向研究表面有关的性质；由三维体系转到低维体系；由晶态物质转 到非晶态物质；由平衡态特性转到研究瞬态和亚稳态、临界现象和相变；由完整晶体转到研 究晶体中的杂质、缺陷和各种微结构；由普通晶体转到研究超点阵的材料。这些基础研究又 将促进新技术的发展,给人们带来实际利益。同时,固体物理学的成就和实验手段对化学物 理、催化学科、生命科学、地学等的影响日益增长,正在形成新的交叉领域。固体物理前沿和国家重点项目“863”计划的重大项目信息技术超大规模集成电路设计高性能计算机及其核心软件软件重大专项高性能宽带信息网生物和医药技术 创新药物和中药现代化 组织器官工程生物反应器 功能基因组和生物芯片 非典型肺炎防治关键技术及产品研制 新材料技术 超大规模集成电路配套材料 先进制造技术 微机电系统 燃气轮机 先进能源技术 电动汽车参考文献：固体物理学 ，作者朱建国/郑文琛/郑家贵/孙小松/王洪涛 。南京大学固体微结构物理国家重点实验室文献。固体表面物理化学若干研究前沿，作者万惠霖等著 。