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──SolidStatePhysics固体物理学屈晓田3山西大学物电学院固体物理学绪论固体物理学是用自然科学的基本原理解释固体宏观性质的科学。课程重点：研究固体的物理性质与内部微观结构以及内部微观世界运动规律之间关系的。固体物理学是联结微观世界和固体宏观性质的桥梁，是基础理论学科与应用学科之间的桥梁。Ch.0固体物理绪论4山西大学物电学院&固体物理学的研究对象&固体物理学的发展过程&固体物理学的学科领域&固体物理学的研究方法&固体物理学的学习方法固体材料的性质是现代社会和技术的核心。IT技术和电子工业的发展是基于对一些特殊材料的调制而取得的。Ch.0固体物理绪论5山西大学物电学院一、固体物理学的研究对象Ø当然是固体！那么，什么是固体？从初中开始我们就已经知道，固体是物质存在的一种状态。与液体和气体相比它有比较固定的体积和形状、质地比较坚硬。现在当然不够！研究固体的物理性质和规律Ø那么，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？Ø显然这就需要在微观上来研究固体è固体中原子的分布Ch.0固体物理绪论6山西大学物电学院固体的微观定义Ø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。Ø原子分布？如何区别于气态和液态？Ø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。Ø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。Ch.0固体物理绪论7山西大学物电学院固体物理学的研究对象：——固体的微观结构及其组成粒子(原子、离子、电子等)之间相互作用与运动规律，并在此基础上阐明其性能与用途的学科。物质：气态液态固态固态物质(固体)：晶体非晶体晶体：原子在空间呈有规则地周期性重复排列；非晶体：原子无规则排列。准晶体Ch.0固体物理绪论原子(离子)周期性排列——存在长程有序Ex.天然岩石、水晶、锗、硅单晶等规则不规则晶体(晶态)原子(离子)排列无明确的周期性——存在短程有序(~10-10m)Ex.玻璃、橡胶、塑料等非晶体(非晶态)完整(理想)晶体：结构完全规则，可提供固体微观运动的基本物理图象。非完整晶体(近乎完整)：在规则背景中存在微量不规则性─缺陷→对晶体性质产生极大影响。Ex.纯铁+碳→钢；Ge,Si单晶+杂质→P,N型半导体由大量细微单晶组成(~10-6m)。Ex.各种金属、陶瓷材料等。晶体固体的结构单晶体多晶体Ch.0固体物理绪论中央电视台科技博览：什么是晶体？10山西大学物电学院雪花食盐冰糖项链身边的晶体玉镯钻戒11山西大学物电学院五颜六色的晶体Ch.0固体物理绪论12山西大学物电学院晶体的外形立方体形食盐六方柱形祖母绿六方柱形水晶八面体外形金刚石八面体外形磁铁矿正十二面体外形石榴子石Ch.0固体物理绪论13山西大学物电学院提拉法硅单晶人工晶体铌酸锂晶体硅单晶太阳能电池板不同人工晶体Ch.0固体物理绪论14山西大学物电学院天然单晶体有着自然形成的多面体几何外形。另外，晶体还有着固定的熔点，物理性质各向异性。固体物理在研究了完整晶体的基础上，主要是从研究近乎完整晶体中微量缺陷的作用开始的，它是研究固体材料和固体器件的基础学科，是固体新材料和新器件的生长点，其研究领域也越来越广泛。固体材料是有大量的原子(离子)组成的(约1029/m3个原子──多原子体系)，研究从最简单的晶体开始，逐渐过渡到凝聚态物质(包括晶态与非晶态)。Ch.0固体物理绪论15山西大学物电学院二、固体物理学的发展过程1)人们很早就注意到晶体具有规则的几何形状，还发现晶体外形的对称性和其它物理性质之间有一定的联系，因而联想到外形的规则性可能是内部规则性的反映。Ø1669年，意大利科学家斯丹诺(NicolausSteno)发现了晶面角守恒定律，指出在同一物质的晶体中，相应晶面之间的夹角是恒定不变的。Ø法国科学家阿羽依于1784年提出了著名的晶胞学说，使人类对晶体的认识迈出了一大步。根据这一学说，晶胞是构成晶体的最小单位，晶体是由大量晶胞堆积而成的。Ch.0固体物理绪论Ø1885年，晶胞学说被法国科学家布喇菲(A.Bravais)发展成空间点阵学说，认为组成晶体的原子、分子或离子是按一定规则排列的，这种排列形成一定形式的空间点阵结构。Ø俄国地质学家费奥多罗夫在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，影响深远。Ø根据大量实验事实，得出了若干经验规律：杜隆-珀替(Dulong-Petit)定律，晶体的比热公式，特鲁德(P.Drude)和洛仑兹(H.A.Lorentz)建立的经典的金属自由电子论等。Ch.0固体物理绪论晶体中原子排列成有规则的空间点阵，间距约为10-10m的数量级，与X射线波长同量级，可以利用晶体作为天然光栅。Ø1912年，德国物理学家劳厄(Laue)想到了这一点，去找普朗克([德]Planck)，没得到支持后，去找正在攻读博士的索末菲([德]Sommerfeld)，两次实验后终于做出了X射线的衍射实验。18山西大学物电学院X射线X--Ray晶体crystal劳厄斑Lauespots晶体的三维光栅Three-dimensional“diffractiongrating”LauespotsproveswavepropertiesofX-ray.证明了X射线的本质是高频电磁波，以及晶体中原子排列的规则性。Laue因此获得1914年诺贝尔物理学奖。19山西大学物电学院在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑。证明了X射线的波动性，以及晶体中原子排列的规则性。劳厄相德拜相多晶体单晶体Ch.0固体物理绪论20山西大学物电学院Ø1913年英国物理学家布喇格父子，清楚地解释了X射线晶体衍射(劳厄斑)的形成，并提出著名的Bragg公式。在利用X射线研究晶体结构方面作出了巨大的贡献，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基础。他们因此而于1915年共同获得诺贝尔物理学奖。Ch.0固体物理绪论21山西大学物电学院北京大学仪器厂BD2000X射线衍射仪Ø1945年，粉末X射线衍射仪出现，经过几十年的发展，成为目前应用最广泛、最普遍的一种晶体结构分析仪器。Ch.0固体物理绪论22山西大学物电学院Al2O3粉末的X射线衍射图谱ZnO粉末的X射线衍射图谱Ch.0固体物理绪论23山西大学物电学院扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜(TEM)Ø1932年，鲁斯卡和诺尔发明了电子显微镜——以电子束为光源展示物件的内部或表面的显微镜，1939年研发出了第一台能够批量生产的显微镜，之后许多用于晶体表面结构的现代仪器问世。Ch.0固体物理绪论SEMmicrographsofZnO/AlfilmSEMmicrographsofBaFe12O19powderCh.0固体物理绪论低温扫描隧道显微镜超高真空扫描隧道显微镜1982年，宾尼和罗雷尔等利用电子的隧道效应，研制成功扫描隧道显微镜(STM)。为此与鲁斯卡共获86年诺贝尔物理学奖。26山西大学物电学院砷化镓表面砷原子的排列图吸附在铂单晶表面上的碘原子STM图象硅表面硅原子的排列27山西大学物电学院Ø1993年，克罗米等人用扫描隧道显微镜技术，把蒸发到铜(111)表面上的48个铁原子搬动排列成半径为7.13nm的圆环形“量子围栏”。“体育场围栏”——铜金属(111)晶面上的铁原子围栏。——照片反映的是电子密度的高低，围栏内是电子密度波的驻波。直观地证实了电子的波动性。Ch.0固体物理绪论28山西大学物电学院①实验上，Laue、Bragg等建立发展了X射线衍射实验技术，并用来研究晶体的内部结构，使人们可以“直接看到”晶体的微观结构。②理论上，描述微观粒子运动规律的量子理论的形成和发展。例如：Ø爱因斯坦(A.Einstein)把量子论引入晶格振动，提出了“声子”的概念；Ø索末菲(A.Sommerfeld)利用量子论改造了特鲁德-洛仑兹经典的金属自由电子气体模型→势阱模型，电子分布服从费密(Fermi)-狄拉克(Dirac)统计；Ø布洛赫(Bloch)和布里渊提出了固体中的周期场，由此建立了固体的能带论，并解释了导体与绝缘体的区别，预言了半导体的存在。2)20世纪初建立了固体物理学。Ch.0固体物理绪论29山西大学物电学院3)20世纪四十年代后，Ge、Si半导体单晶的出现，晶体管的诞生，集成电路的发展，使电子技术、计算机技术、自动控制技术，以及整个信息产业得到迅猛发展，从而推动了宇航、激光等的发展，诞生了许多新的学科：电子学、声学、磁学、半导体、超导体、材料科学的发展。三、固体物理学的学科领域固体物理学是基础理论学科与应用学科之间的桥梁。固体物理学的研究范围极广：Ø不仅研究高纯完整晶体，也研究杂质、缺陷对金属、半导体、电解质、磁性材料及其它固体材料性能的影响；Ø不仅探索固体材料在一般条件下的各种性质，也探索这些材料在强磁场、强辐射、超高压、极低温等特殊条件下的各种现象；Ch.0固体物理绪论30山西大学物电学院Ø不仅发展新材料、新器件，也发展其制备新工艺、新理论；同时还负担着许多重要的理论课题，如超导理论、非晶态理论、表面理论等。&从广度上看，目前固体物理领域已形成金属物理、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。&从深度上，固体物理本身(内核)的研究：①固体中元激发及其能谱；②原子间结合力；③特殊条件下固体性质；④表面态物理；⑤非晶态物理等。Ch.0固体物理绪论31山西大学物电学院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体物理固态电子学固态光电子学固体光谱强关联物理.........表面物理介观物理纳米物理固体物理领域Ch.0固体物理绪论固体物理学与物理基础学科以及学科发展前沿的关系Ch.0固体物理绪论四、固体物理学的研究方法1.实验与理论相结合固体物理学是一门实验性学科，实验工作与理论工作相互配合，以实验促理论，以理论指导实验，相辅相成，相得益彰。2.与四大力学的区别四大力学研究特定的运动形态，逻辑性很强，往往研究理想情况下的特定运动。固体物理学从不同角度、不同侧面，采用各种不同理论工具研究各种运动形态，是一门“横向”型学科。逻辑体系显得不象四大力学那么完整，充满各种近似方法，把复杂问题(多体问题)作简化处理，建立理论模型，求解，揭示微观粒子运动的主要图景和基本规律。34山西大学物电学院微观层次研究固体的三个关键问题Ø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？è依据？——如何描写原子、电子之间的相互作用？è多体问题——如何处理1029/m3量级的粒子数？è周期结构Ø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，在这样的对象上的运用。35山西大学物电学院用经典还是量子？Ø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以后会看到，有判据è*什么时候该用量子*什么时候经典也可以多体相互作用如何处理？Ø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è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！*课程中对多电子的作用采用平均方法Ch.0固体物理绪论36山西大学物电学院如何处理1029/m3的粒子？Ø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)？有一类固体：晶体中原子呈有规律性的排列——周期性！数学上处理这样的周期性结构，只需在几个或有限数量的原子、电子范围.Ø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