凝聚态物理简介

凝聚态物理简介目录一、凝聚态物理简介二、团簇基本知识简介三、密度泛函理论简介四、计算软件DMOL简介五、目标凝聚态物质是固体和液体的总称。凝聚态物理是从量子力学观点来描述固体、液体内部微观粒子的运动规律的科学。所研究的对象可以是金属、半导体、超导体、超液体、准晶体、电介质、磁性物质等等，是物理学中内容最丰富，应用最广泛的一门分支学科，也是当今物理学最活跃的领域。凝聚态物理在本世纪取得了巨大的成功，发展迅速。一、凝聚态物理简介1.凝聚态物理凝聚态物理的诞生，为材料科学的发展提供了理论根据。近代科学如无线电电子学、微电子学、自动控制、原子能技术、航天技术等的发展，要求固体材料和器件，在结构方能耐高温、抗辐射、高张度、质地轻。在性能方面能多功能、少能耗、超小型、准确可靠。而凝聚态物理的发展，为近代科学和工业提供了各种性能的半导体材料和元件、磁性材料和元件、发光材料和元件等。如集成电路、激光器、集成光路、铁磁体元件、超导体和超导电子器件等就是其中之一部。由于它的内容十分丰富，且有着广泛的应用前景，因而成为物理学中十分活跃的研究领域并不断的发现新的效应扩展新的领城。凝聚态物理的特点是：最富有创新性，研究内容极其广泛；基础研究与应用研究的界限越来越难以划分；研究前沿发展很快，此起彼伏，它将更使人感到眼花缭乱。它的发展的大趋势是将不断地开拓出新的领域，制备出新的材料、发现令人意想不到的新现象。在物理学和化学以及生物学和化学以及生物学的结合和交叉方面，毫无疑问，凝聚态物理将起到先导的作用。2.凝聚态物理的特点凝聚态物理的前沿领域中主要包括：超导电性物理、晶体学（新型功能晶体和晶体结构分析）、磁学、表面物理（表面和界面物理及材料）、固态发光物理、液态物理、生命科学中的物理问题、极端条件下物理等研究领域。其中，低维（二维、一维和零维体系）凝聚态物理：人工超结构中的物理问题、纳米材料和纳米体系物理、低维半导体量子系统和介观系统物理、低维系统的磁性等，反应了体系中受限电子态和相干电子态的性质，它具有与三维体系不同的行为。3.凝聚态物理前沿领域特别是，当电子波函数的相干波长与体系的特征波长可比时更表现出全新的物理效应和规律。这是凝聚态物理的重要发展前沿之一。凝聚态物理的另一重要发展前沿是以发现新的有序相和有序相的不对称破缺以及这些新相所具有的新的物理性能为主要目标的研究：高温超导电性和超导物理研究、新功能晶体材料的探索和材料设计专家系统的研究、稀土—过渡族化合物磁性、表面物理（原子水平的界面生长，界面反应及界成材料）等是主要的研究内容，这也是凝聚态物理中最具有活力的领域。团簇是由几个乃至数千个原子或分子(国际上多数定义含原子数在10一1000范围)通过一定的物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体。二、团簇基本知识简介团簇的性质既不同于单个原子和分子，也不同于固体或液体，而且不能用两者性质作简单的线性外延或内插得到。因此人们把团簇看做是介于原子，分子与宏观固体之间物质结构的新层次或新凝聚态，即介观层次，是各种物质由原子，分子向体相物质转变的中间过渡态，或者说代表了凝聚态物质的初始态。1.团簇研究的意义团簇科学是一门新的交叉学科，原子团簇不仅跨越合成化学、化学动力学、晶体化学、结构化学、原子簇化学等化学分支，还跨越原子、分子物理、表面物理、晶体生长、非晶态等物理学分支。团簇科学不仅在高化学活性、催化、表面，超导等方面有着广泛的前景，而且还是纳米材料、超细微粒、超晶格等高技术的科学基础。对团簇的研究有助于人们深入理解纳米材料的各种奇异性质，是开发高密度存储、微电子、光电子通讯、和高效催化等高新技术材料的基础。纳米团簇一直是材料科学研究领域的热门课题，也是纳米材料的基本研究单元。团簇的微观结构特点和奇异的物理化学性质为制造和发展特殊性能的新材料开辟另一条途径。例如，团簇红外吸收系数、电导特性和磁化率的异常变化，某些团簇超导临界温度的提高，可用于研制新的敏感元件、贮氢材料、磁性液体、高密度磁记录介质、微波及光吸收材料、超低温和超导材料、铁流体和高级合金。在能源研究方面，可用于制造高效燃烧催化剂和烧结剂。用纳米尺寸的团簇原位压制成纳米结构材料，具有很大的界面成分以及高扩散系数和韧性超塑性，展示了优异的热学、力学和磁学特性，并可制造新型合金。团簇构成的半导体纳米材料由于在薄膜晶体管、气体传感器、光电器件等应用领域的重要性而日益受到重视。团簇具有极大的表体比，催化活性好，广泛应用于化工工业领域。而在微电子学和光电子学方面，新一代微电子器件的发展也依赖于团簇性质和应用研究，因为从微米和亚微米尺度向纳米范围的深入是器件发展的趋势。团簇点阵构成的微电子存贮器正在设计之中，团簇构成的“超原子”具有很好的时间特性，是未来“量子计算机”较理想的功能单元。可以预见，随着团簇研究的深入发展，新现象和新规律不断揭示，必然出现更加广阔的应用前景。通过几十年对团簇的研究，人们对团簇已经有了基本的认识，积累了大量的实验和理论知识。但是，由于团簇自身的多样性和复杂性，团簇还有许多值研究探索的内容，团簇研究正不断取得新的进展。2.团簇物理学研究内容团簇物理学是研究团簇的原子组态、电子结构、物理和化学性质向大块物质演变过程中呈现出来的特征和规律。首先，团簇的基态构型一直扮演着很重要的角色。团簇正确基态结构的寻找一直是团簇研究的基础，一般对团簇相关性质的研究一直建立在理论方面正确预测的几何结构的基础之上。团簇研究的基本问题是弄清团簇如何由原子、分子一步步发展而成，以及随着这种发展，团簇的结构和性质如何变化，当尺寸多大时，发展成为宏观物体。尽管团簇结构对其独特的性质起着关键作用，但决定团簇结构是非常困难的，仍没有能够确定自由团簇几何构型的直接的实验方法。因为纳米团簇使用衍射技术探测显得太小，而用光谱技术探测又显得过大,从而该尺度的团簇结构只能用间接的实验方法或理论计算决定。其次，团簇物理学中的另一个关键的问题是电子结构。随着团簇中原子数目增多，团簇的分立能级结合成能带，出现满带和未满带及两者间的能隙，这种电子结构的转变是团簇研究中的基本问题。最后，由于不同种元素所构成的不同类团簇将表现出不同的性质，研究它们对认识大块凝聚物质的某些性质和规律也很有帮助。比如，对稳定性的研究可以深入理解团簇的几何幻数和电子壳层结构的关系；对过渡金属磁性的研究，可以深入理解团簇磁性的成因以及块体磁性；对于金属团簇光吸收谱的研究，可以考察团簇从非金属-金属性质的转变。鉴于国际上团簇研究仍处于发展初期，这个领域还有待于我们去积极而严谨的探索：一方面向小尺寸发展，深入到团簇内部原子和电子的结构和性质，弄清物质由单个原子、分子向大块材料过渡的基本规律和转变关节点；另一方面向大尺度发展，研究由团簇构成各种材料包括超激粒子的结构和性质，同时促进团簇基础研究成果向应用方面转化。研究方向：1）研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数、几何结构、稳定性的规律；2）研究团簇的成核和形成过程及机制，研究团簇的制备方法、尤其是获取尺寸均一与可控的团簇束流；3）研究金属、半导体及非金属和各种化合物团簇的光、电、磁、力学、化学等性质，它们与结构和尺寸的关系，及向大块物质转变的关节点；4）研究特殊团簇材料(如片状、线状、管状、团状、空心球状、零维、一维、二维、三维结构)的合成和性质；5）发展新的方法对团簇表面进行修饰和控制；6）团簇与表面的相互作用，主要研究团簇在表面的扩散、吸附、沉积等动力学行为；7）富勒烯和纳米管内掺杂的结构与性质的研究，这与团簇的潜在应用直接关联；8）探索新的理论，不仅能解释现有团簇的效应和现象，而且能解释和预知团簇的结构，模拟团簇动力学性质，指导实验。3.团簇的性质与分类作为尺寸介于宏观与微观的新型体系，团簇具有许多独特的性质。这些特性，最主要的是来自于团簇体系的两个典型效应-尺寸效应和表面效应。根据团簇中原子键结合的类型和强度，大致可以将团簇分为六种：范德瓦尔斯团簇、分子团簇、氢键团簇、离子键团簇、共价键团簇、和金属键团簇。根据团簇所组成的电子结构，即其在周期表中的位置对团簇加以分类，可以分为：简单金属团簇，过渡金属团簇，半导体族团簇，五、六族元素原子团簇，惰性气体团簇和贵金属团簇。三、密度泛函理论简介量子力学第一性原理(First-Principles)计算方法有着半经验方法不可比拟的优势，它只需要知道构成微观体系各元素的原子序数，而不需要任何其它的可调(经验和拟合)参数，就可以应用量子力学来计算出该微观体系的总能量、电子结构等物理性质。因此非常适于解决固体物理、材料科学等领域中的问题。近年来，第一性原理计算，特别是基于密度泛函理论的第一性原理计算同分子动力学相结合，在材料设计、合成、模拟计算和评价诸多方面有许多突破性的进展，已经成为计算材料科学的重要基础和核心技术。RrERr,,RrRERrRrnnn,,,01.多粒子体系的薛定谔方程固体是由原子核和电子构成的多粒子体系，要确定固体的电子能级，其出发点是求解多粒子体系的薛定谔方程:其中r表示电子坐标，R表示原子核的坐标。对于多粒子系统薛定谔方程的解为：此处n是电子态量子数，原子核坐标的瞬时位置R在电子波函数中仅作为参数出现。（1）（2）2.绝热近似绝热近似又称玻恩-奥本海默近似(Born-Oppenheimerapproximation)，在热力学统计物理、固体物理中，讨论晶格布里渊区时假定晶格中的原子在平衡位置静止不动。实际上晶体中的原子进行着热振动。这对电子的运动将产生一定的影响。但原子核的质量比电子的质量要大得多，其运动比电子慢得多。因此，可近似认为，某一时刻电子的运动状态只由该时刻原子核在晶体中的位置决定，电子状态的能量是晶格位矢的函数，称为绝热近似。通过绝热近似，可以把电子的运动与原子核的运动分开，得到多电子薛定谔方程:EHHrrrViiiiiiiiiiiiii,,2121（3）3.Hohenberg-Kohn定理密度泛函理论的基础建立在两个著名的定理之上。这两个定理是1964年Hohenberg和Kohn在巴黎研究非均匀电子气的理论基础时提出来的.Hohenberg-Kohn:定理一：体系的基态能量仅仅是电子密度的泛函。定理二：以基态电子密度为变量，将体系能量最小化之后就得到基态能量。密度泛函理论描述所有基态性质都是电荷密度的函数，由Hohenberg-Kohn定理，根据薛定愕方程，能量的泛函包括三部分：动能、外势场的作用及电子间的相互作用。这里所处理的基态是非简并的，不计自旋的全同费米子（这里指电子）系统的哈密顿量为:H=T+U+V（4）其中T为动能项；U为库仑排斥项；为对所有粒子都相同的局域势，V表示外场的影响。4.Kohn-Sham方程1965年，Kohn和Sham引进了一个无相互作用多电子体系，用来描述有相互作用的多电子体系。假设无相互作用体系和有相互作用体系具有相同的电子密度。由于轨道构建的密度是合理的，所以由反对称的波函数来构造的能量泛函可以写成:][)()(21)()()()()(][xcErrrrrdrdTrrdrvUTrrdrvE(5)21)()(Niirr)()()]([2rErrViiiKS)(ri)]([rVks)]([)]([)()]([rVrVrvrVxcCoulKS)(][)()(rErrrrdrvxcKohn-Sham(KS)方程为：（8）基态密度函数可从解式(7)得到的后根据式（6）（6）（7）（9）构成，表示粒子在一有效势场中的形式。计算后得到的粒子数密度函数即精确地确定了该系Kohn-Sham(KS)方程描述了无相互作用电子在有效势中的运动行为。统基态的能量、波函数以及各物理量算符期待值等。在Kohn-Sham方程的框架下，对固体的电子结构计算，可以将其多电子系统的基态